книги / Усталость металлов

броса. Это показано Коксом [89] на данных, полученных при ис­ пытании небольших болтов.

Метод испытания. Вследствие разброса отдельных результа­ тов усталостных испытаний зависимость напряжение — долговеч­ ность не может быть представле­

Результаты могут быть представлены графиком зависимо­ сти доли образцов, не разрушившихся при требуемой долговеч­ ности от амплитуды напряжения. Опыт показал, что результаты таких испытаний имеют тенденцию располагаться на прямой

линии, если они наносятся на вероятностную бумагу [80]. Неко­ торую экономию образцов можно получить, применяя метод сту­ пеней, хотя потребное для испытаний время может быть и боль­ ше. Первый образец испытывается при уровне напряжения, рав­ ном вычисленному значению предела усталости. В зависимости от того, разрушается или не разрушается образец при достиже­ нии требуемой долговечности, уровень напряжений понижают или повышают на одну ступень. Процесс повторяется до тех пор, пока не будет получено достаточное количество результатов.

Г л а в а III

СОПРОТИВЛЕНИЕ МЕТАЛЛОВ УСТАЛОСТИ

В этой главе рассматривается сопротивление устало­

сти, определяемое при изгибе или при осевом нагружении плоских гладких образцов при нормальной температуре. Данные, полу­ ченные при этих условиях, могут быть использованы для выбора материала, хотя их не всегда можно применить непосредствен­ но при расчетах, без учета таких факторов, как сочетание ста­ тической и переменной нагрузок, условий на поверхности и кон­ центрации напряжений.

Характеристики сопротивления усталости для подбора конст­ рукционных материалов включены в табл. 82—84. Когда срав­ ниваются сопротивления усталости для различных материалов, надо иметь в виду следующее. Часто имеется значительное рас­ хождение между различными плавками материала одного со­ става, так что при сравнении двух материалов различие в 10% или даже в 20% между значениями пределов усталости не мо­ жет считаться значительным. Пределы усталости, определенные при осевом нагружении, могут быть до 25% ниже пределов ус­ талости, определенных при изгибе. Пределы усталости при из­ гибе зависят от размера образца и снижаются с увеличением размера. Ограниченный предел усталости всегда должен быть отнесен к числу циклов до разрушения N, если только материал не обладает выраженным пределом усталости. Существует кор­ реляционная связь между пределом усталости и пределом проч­ ности при растяжении; это показано для целого ряда металлов на рис. 28, 35, 38, 40 и 43. Точность, с которой можно опреде­ лить предел усталости по пределу прочности при растяжении, оценивается разбросом точек около средней линии на соответст­ вующих рисунках. Отношение предела усталости к пределу проч­ ности при растяжении известно как коэффициент выносливости. Можно предполагать, что существует зависимость между преде­ лом усталости и пределом упругости или текучести, так как счи­ тают, что усталостные разрушения обычно связаны с пластичес­ кими деформациями; однако отношение предела усталости к пре­ делу текучести изменяется в широких пределах даже для одно­ типных материалов.

предел усталости не увеличивается с увеличением предела про ности при растяжении свыше 120 кГ/мм2. Большие отклонения в пределе усталости и низкие значения коэффициента вынослив^ сти высокопрочных сталей в основном объясняются повышением

лости, определенным для полированных образцов, не будет обяза­ тельно иметь наилучшее сопротивление усталостному разруше­ нию в рабочих условиях. На рис. 29 представлены результаты

только для сталей, но, однако, их можно отнести и к другим сплавам.

Влияние химического состава. Так как сопротивление устало­ сти сталей довольно тесно связано с прочностью при растяжении, то любой фактор, который повышает прочность при растяжении (такой, как тепловая обработка или добавление легирующего эле­ мента), будет вообще повышать сопротивление усталости. Рас­ сматривая, во-первых, влияние состава, примесей углерода, маг­ ния, никеля, хрома, молибдена, ванадия, меди, бора и фосфора,

можно сказать, что каждый из них повышает сопротивление ус­ талости приблизительно в пропорции их влияния на прочность при растяжении и твердость. Предел усталости простой углероди­ стой стали значительно возрастает с содержанием углерода, хотя есть указания на то, что коэффициент выносливости слегка па­

Улучшение сопротивления усталости и коэффициента вынос­ ливости никелевых и хромоникелевых сталей может достигаться

кающих при закалке. Следует отметить, что самое высокое зна­ чение предела усталости, зарегистрированное Фришем [92], со­ ставляло 80 кГ/мм2 при 108 циклах для стали с 1% углерода и

0,75% углерода, 18% вольфрама, 4% хрома и 1% ванадия; для этой стали можно достичь высокой прочности при высокотемпе­ ратурной термообработке. Однако результаты были неутеши­ тельными, что объяснялось остаточными напряжениями, кото­ рые не снимались при высокотемпературном отпуске; кроме того, сильное выделение карбидов могло быть дополнительной причиной ослабления [100].

Результаты одной американской работы показали, что со­ противление усталости стали с высокой прочностью при растя­ жении может возрастать при добавлении меди [666]. Испытания проводились на базе только 105 циклов, но для индукционно плавленной легированной стали, состоящей из 0,45% С; 0,83% Сг; 0,68% Мо; 0,17% Va и 1,3% Си после отпуска при 204° С был установлен высокий предел усталости — 140 кГ/мм2.

тенситной структуры значительно выше, чем для смешанной структуры (на 5—9% для гладких образцов и на 11—14% для образцов с надрезами).

Предполагают, что более низкое сопротивление усталости сме­ шанных структур в основном можно отнести к «металлургичес­ ким надрезам», которые могут быть грубым перлитом, мелким ферритом, выделенными легирующими элементами или аустени­ том, сохранившимся в процессе охлаждения. В последнее время были сделаны попытки определить количественно влияние этих факторов. Борик, Чапман и Джомини (107] определяли предел усталости ряда легированных сталей, прошедших термообработку до одной и той же твердости, но с различным количеством мар­ тенсита отпуска в структуре. Предел усталости снизился прибли­ зительно на 10% при наличии 20% немартенситной структуры, но дальнейшее снижение его по мере уменьшения содержания мар­ тенсита было небольшим. Подобный метод применялся Френке­ лем, Беннеттом и Пиннингтоном (108], чтобы определить влияние остаточного аустенита. Наличие около 10% остаточного аустени­ та снижало ограниченный предел усталости (при 105 циклах) на

10—15%, а дальнейшее увеличение количества аустенита снижа­ ло предел усталости незначительно.

Отпуск закаленной стали при низкой температуре может при­ вести к увеличению сопротивления усталости без какого-либо снижения прочности при растяжении. Однако по мере повышения температуры отпуска, как прочность при растяжении, так и со­ противление усталости понижаются, хотя коэффициент выносли­ вости обычно повышается. Влияние размера зерна на сопротив­ ление усталости имеет второстепенное значение. Материалы с мелким зерном в основном обладают более высоким пределом усталости, чем материалы с крупным зерном, но зато они более чувствительны к надрезам.

Влияние включений

Влияние включений на сопротивление усталости стали зави­ сит от их размеров, формы, сопротивления деформации, ориен­ тации к напряжениям и от прочности стали. Считают, что сниже­ ние сопротивления усталости увеличивается от концентрации напряжения, вызываемого включениями или кавернами, содер­ жащими включения. Удлиненные включения или каверны незна­ чительно влияют на сопротивление усталости, если они располо­ жены параллельно направлению действия напряжения; при перпендикулярном их расположении сопротивление усталости может существенно снижаться. Поэтому усталостные свойства при наличии включений могут иметь резко выраженную ориента­ цию. Включения и каверны обычно вытянуты в направлении прокатки и поэтому незначительно влияют на сопротивление