книги / Усталость металлов

При действии переменных напряжений с асимметричным цик­ лом частота нагружения влияет как на долговечность, так и на величину ползучести. Результаты испытаний при напряжении с асимметричным циклом нескольких жаропрочных сплавов для газовых турбин при частотах между 10 и 15000 цикл/мин, полу­ ченные Гуарнери [443], показали, что влияние частоты может быть сложным. Гуарнери нашел, что для данного статического напряжения дополнительное переменное напряжение повышает скорость ползучести и уменьшает долговечность при низких и вы­

нитные стали, которые очень мало чувствительны к надрезам при комнатной температуре, ста­ новятся более чувствительными при умеренных температурах около 650° С, но выше этой температуры все жаропрочные спла­ вы имели пониженную чувствительность к надрезам [184, 430]. Понижение ограниченных пределов усталости при концентрации напряжений этих сплавов весьма незначительно, между 650 и 815° С. Чугун остается нечувствительным к малым надрезам вплоть до 600° С [444]. Чувствительность низколегированных ста­ лей к надрезам возрастает с увеличением^температуры и имеет максимальное значение между 300 и 400° С [177, 445]; это можно отнести за счет плохой сопротивляемости этих сталей повторной пластической деформации при таких температурах [445]. Стали становятся менее чувствительными с дальнейшим увеличением температуры.

Влияние надрезов на прочность материалов при действии пе­ ременных напряжений с асимметричным циклом показано на рис. 113— 115.

222

Наличие надрезов обычно не понижает сопротивления дли­ тельному статическому разрушению материала, если его пластич­ ность низкая. Незначительное понижение длительной статической прочности наблюдается в том случае, когда площадь поперечного сечения гладких образцов при разрушении уменьшается при дли­ тельном статическом разрушении (меньше чем на 10%, но при надрезе это понижение прочности значительно больше.

При высоких температурах целесообразно допустить, что со­ ставляющая среднего напряжения цикла не будет влиять на эф­ фект надреза, а составляющая переменного напряжения будет уменьшаться на эффективный коэффициент концентрации Ко > получаемый при испытаниях с переменным напряжением с сим­ метричным циклом. Этот метод обычно дает заниженную оценку сопротивления усталости при концентрации напряжения, хотя наблюдались исключения [446].

Влияние обработки поверхности. Влияние обработки поверх­ ности, заметно сказывающееся на сопротивлении усталости твер­ дых сплавов при нормальной температуре, становится менее су­ щественным с ростом температуры. Вероятно, это объясняется рядом причин: во-первых, материалы становятся менее чувстви­ тельными к надрезу при высоких температурах; во-вторых, вслед­ ствие окисления влияние поверхностных дефектов ослабевает и сопротивление становится независимым от начального состояния поверхности и, в-третьих, остаточные напряжения ослабляются возникающими пластическими деформациями [447]. Результаты, полученные Джонесом и Уилкесом [448] для сплава на кобальто­ вой основе S-816, иллюстрируют влияние остаточных напряжений (табл. 54). Они сравнивали ограниченные пределы усталости шлифованных за один проход образцов (при этом наводились остаточные растягивающие напряжения в поверхностном слое) с образцами, подвергнутыми дробеструйной обработке (наводи­ лось остаточное сжимающее напряжение в поверхностном слое).

Т а б л и ц а 54 Эффективные коэффициенты концентрации Ко (108 циклов, а~2,7).

Из приведенных данных видно, что вредное влияние шлифова­ ния и полезное влияние дробеструйной обработки имеют тенден-

223

цию ослабевать при высоких температурах. Подобное явление наблюдалось на клапанных пружинах, сделанных из стальной проволоки, закаленной в масле и отпущенной [449]; дробеструй­ ная обработка значительно улучшила ограниченный предел уста­ лости при нормальной температуре, но предел усталости умень­ шился до первоначального значения при температуре 250° С. Для работы при высоких температурах обдувка дробью может ока­ заться вредной, так как в процессе работы возможна рекристал­ лизация, как результат наклепа, наводимого дробеструйной об­ работкой [429].

Термическая усталость

Термин термической усталости был впервые использован при описании типа разрушения, которое происходило в металлах с некубической атомной решеткой при медленном колебании тем­ пературы без внешнего механического воздействия на материал. Эти разрушения относятся к влиянию напряжений, развиваю­ щихся вследствие анизотропии термического расширения. В не­ которых металлах (цинк, кадмий, олово и уран) линии скольже­ ния и поверхностные трещины наблюдались после повторных циклов нагрева и охлаждения, но более часто применяемые ме­ таллы с кубической атомной решеткой не разрушаются таким путем [450].

Применение понятия термической усталости впоследствии распространилось на разрушения, вызванные повторными терми­ ческими напряжениями, возникшими в результате температур­ ных градиентов и стеснений расширению деталей [681]. Термиче­

эксплуатации электростанций, где усталостные трещины являют­ ся результатом омывания нагретых металлических поверхно­ стей [451] или перерывов в работе, когда термические напряже­ ния возникают при пуске или остановке агрегатов. Разрушения обычно происходят в сварных соединениях, особенно в соедине­ ниях разных металлов.

Нагретый металл в зоне, близкой от шва, склонен к хрупко­ сти; кроме того, по краям шва обычно возникает некоторая кон­ центрация напряжений [452]. Термическая усталость иногда вы­ зывает образование сетки мелких трещин на поверхности метал­ ла, известной как термические трещины, сетчатое или мозаичное трещинообразование [453]. Это явление наблюдается например в изложницах, прокатных валках и штампах, где поверхность ме­ талла повторно нагревается и охлаждается. Такие трещины так­ же были найдены на стальных железнодорожных колесах и авто­ мобильных тормозных колодках в результате нагрева, вызывае-

224

мого торможением, и в чугунных деталях цилиндров компрессо­ ров [682]. Термическая усталость может также оказаться сущест­ венной для самолетных конструкций, подвергающихся кинетиче­ скому нагреву.

Способность металла сопротивляться разрушению от терми­ ческой усталости является свойством, которое трудно определить экспериментально. На поведение его в рабочих условиях влияет ряд факторов и воспроизвести эквивалентные условия в лабора­ тории трудно. Колебания температуры в процессе работы высо­ котемпературного оборудования будут вызывать термические на­ пряжения, но опыт работы показал, что разрушение более вероятно в результате больших удлинений или укорочений, про­ исходящих при пусках и остановках оборудования. Это было убе­ дительно продемонстрировано, например, при натурных испыта­ ниях газотурбинной установки [454]. При повторных пусках и остановках установки усталостные трещины получались в лопат­ ках после 85 циклов при использовании для них сплава М-252 на никелевой основе и после 295 циклов для сплава S816 на кобаль­ товой основе. В противоположность этому, никаких трещин не образовалось ни при работе на полной мощности в течение 360 ч, ни при быстрых повторных изменениях скорости в течение 16 ч, хотя образование трещины было ускорено, когда установка рабо­ тала при нормальной скорости, и добавлялись температурные циклы пуска-остановки. Эти эксперименты позволили непосред­ ственно сравнить два материала в рабочих условиях, но такие испытания являются очень дорогими и некоторые данные по со­ противлению термической усталости можно получить из испыта­ ний, в которых образец или деталь нагружаются контролируемым циклическим нагревом или охлаждением до тех пор, пока не об­ разуются трещины.

Норскот и Бейрон [453], например, при исследовании термиче­ ских трещин использовали клинообразный образец, одна поверх­ ность которого повторно подвергалась индукционному нагреву, в то время как основная масса непрерывно охлаждалась водой. Температура циклически менялась от 40° С до 800—1200° С; ис­ пытывавшиеся образцы подвергались за каждый цикл ферритно­ аустенитным и аустенито-ферритным превращениям. Разрушение определялось ростом наибольшей трещины (до 0,5 мм) и для большинства испытаний это происходило между 100 и 10000 цик­ лов. Было испытано несколько легированных сталей, содержащих 0,35% углерода, и найдено, что добавки магния, никеля, хрома и молибдена увеличивали тенденцию к образованию трещин, в то время как добавки ванадия (до 0,3%), кремния и кобальта не влияли.

Вдругой серии сталей, содержащих от 0,32 до 0,99% углерода

и0,6% магния, тенденция к трещинообразованию растет с уве­

личением содержания углерода.

Эти результаты говорят о том, что сопротивление термической усталости зависит скорее от пластичности, чем от прочности при растяжении или сопротивления усталости, и это подтверждается результатами подобных исследований [455, 667]. С другой сторо­ ны, сплавы нимоника 75, 80, 80А, 90, 100, которые существенно отличаются по пластичности и сопротивлению ползучести, по-ви­ димому, обладают одинаковым сопротивлением термической усталости. Это было показано Ларджем [456] при испытаниях листовых образцов, имеющих центральное отверстие, подвергав­ шихся действию медленного нагрева и быстрого охлаждения, а Глиннеем и Тейлором [457] — при испытании образцов дисковой формы, которые быстро нагревались и охлаждались в жидко­ сти [рис. 120]. Критерием разрушения было обнаружение трещи­ ны с помощью бинокулярного микроскопа при увеличении от 30 до 60 раз; каждая точка на кривых представляет среднюю дол­ говечность трех испытаний.

Хантер [458] сравнивал сопротивление термической усталости ряда жаропрочных сплавов при повторном нагреве образцов до температур 871— 1093° С с последующим охлаждением на воз­ духе; разрушения происходили между 200 и 20 000 циклов. Спла­ вы на кобальтовой основе лучше сопротивляются термоустало­ сти, чем сплавы на никелевой или железной основе, но наиболь­ шее сопротивление имел сплав с 70% Сг и 30% Fe.

Маскейтель и др. [459], испытывая образцы треугольной фор­ мы при повторных нагревах и охлаждениях одного края, также показали преимущество сплавов на кобальтовой основе. Они ис­ пытали большое число жаропрочных сплавов и нашли, что кова­ ные сплавы имеют преимущество по сравнению с литыми и что материалы с большим размером зерна имеют более низкое со­ противление термическому трещинообразованию. Исследования листовых металлов [456, 460] показали преимущество высокой термопроводимости; максимальное сопротивление имели жаро­ прочные материалы, покрытые медью.

В то время как описанные испытания на термическую уста­ лость являются практически полезными, получаемые данные не освещают ряда вопросов термической усталости, потому что на сопротивление разрушению влияют в большой степени условия работы. Однако некоторые общие выводы можно сделать, от­ дельно рассматривая факторы, определяющие сопротивление термической усталости. Наиболее важными из них являются ко­ эффициент термического расширения а, теплопроводность k и со­ противление материала переменной деформации е.

Термическое расширение пропорционально изменению темпе­ ратуры. При данном распределении температуры распределение термической деформации будет прямо пропорционально а. Влия­ ние теплопроводности более сложно. При условии медленного нагрева и охлаждения, когда наводятся термические деформа-

226

Эти результаты говорят о том, что сопротивление термической усталости зависит скорее от пластичности, чем от прочности при растяжении или сопротивления усталости, и это подтверждается результатами подобных исследований [455, 667]. С другой сторо­ ны, сплавы нимоника 75, 80, 80А, 90, 100, которые существенно отличаются по пластичности и сопротивлению ползучести, по-ви­ димому, обладают одинаковым сопротивлением термической усталости. Это было показано Ларджем [456] при испытаниях листовых образцов, имеющих центральное отверстие, подвергав­ шихся действию медленного нагрева и быстрого охлаждения, а Глиннеем и Тейлором [457] — при испытании образцов дисковой формы, которые быстро нагревались и охлаждались в жидко­ сти [рис. 120]. Критерием разрушения было обнаружение трещи­ ны с помощью бинокулярного микроскопа при увеличении от 30 до 60 раз; каждая точка на кривых представляет среднюю дол­ говечность трех испытаний.

Хантер [458] сравнивал сопротивление термической усталости ряда жаропрочных сплавов при повторном нагреве образцов до температур 871— 1093° С с последующим охлаждением на воз­ духе; разрушения происходили между 200 и 20000 циклов. Спла­ вы на кобальтовой основе лучше сопротивляются термоустало­ сти, чем сплавы на никелевой или железной основе, но наиболь­ шее сопротивление имел сплав с 70% Сг и 30% Fe.

Маскейтель и др. [459], испытывая образцы треугольной фор­ мы при повторных нагревах и охлаждениях одного края, также показали преимущество сплавов на кобальтовой основе. Они ис­ пытали большое число жаропрочных сплавов и нашли, что кова­ ные сплавы имеют преимущество по сравнению с литыми и что материалы с большим размером зерна имеют более низкое со­ противление термическому трещинообразованию. Исследования листовых металлов [456, 460] показали преимущество высокой термопроводимости; максимальное сопротивление имели жаро­ прочные материалы, покрытые медью.

В то время как описанные испытания на термическую уста­ лость являются практически полезными, получаемые данные не освещают ряда вопросов термической усталости, потому что на сопротивление разрушению влияют в большой степени условия работы. Однако некоторые общие выводы можно сделать, от­ дельно рассматривая факторы, определяющие сопротивление термической усталости. Наиболее важными из них являются ко­ эффициент термического расширения а, теплопроводность k и со­ противление материала переменной деформации е.

Термическое расширение пропорционально изменению темпе­ ратуры. При данном распределении температуры распределение термической деформации будет прямо пропорционально а. Влия­ ние теплопроводности более сложно. При условии медленного нагрева и охлаждения, когда наводятся термические деформа-

226

Г л а в а IX

СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ СОЕДИНЕНИИ, ДЕТАЛЕЙ И КОНСТРУКЦИЙ

Впредыдущих главах уделялось внимание сопротив­

лению усталости материалов, определяемому на небольших образ­ цах, испытываемых в тщательно контролируемых условиях. Этот метод испытания практически служит для сравнения сопротивле­ ния усталости различных материалов и для исследования влия­ ния таких факторов, как форма, напряженное состояние, окру­ жающая среда и температура. Эти испытания, однако, не дают полных сведений для определения сопротивления усталости де­ талей из-за трудности определения напряженного состояния в них, а также из-за недостаточности данных о влиянии таких факторов, как абсолютные размеры, остаточные напряжения и особенно коррозия трения. Следовательно, в ряде случаев необ­ ходимо проводить усталостные испытания натурных соединений, деталей и даже конструкций, для того чтобы получить данные, которые могут быть использованы при конструировании.

В конструкциях при действии переменных напряжений соеди­ нения отдельных деталей зачастую являются слабыми местами из-за влияния концентрации напряжений и коррозии трения. Ослабление этих влияний является одной из важных задач кон­ струирования. Неравномерность распределения напряжений в нагруженном соединении частично является результатом кон­ центрации напряжения, возникающей в местах изменения сече­ ний и частично является следствием концентрации нагрузки, воз­ никающей по сопрягающимся контурам. Иногда трудно разде­ лить влияние этих двух факторов, но оба они должны быть учтены при конструировании [277]. Часто выясняется, что фак­ торы, влияющие на концентрацию напряжений и нагрузки, явля­ ются противоречивыми, и изменения в конструкции, которые сни­ жают одно влияние, усиливают другое. Например, если радиус сопряжения головки со стержнем болта увеличить, то концент­ рация напряжения понижается, но опорная часть торцовой по­ верхности отодвигается от оси болта, что повышает изгибающий момент, т. е. концентрацию нагрузки.

Резьбы

Резьбовые соединения хорошо сопротивляются статическим нагрузкам, но вследствие высокой концентрации напряжений по

229