книги / Микропластичность и усталость металлов

ния частоты нагружения. Интересный анализ влияния частоты нагружения на 'поглощение энергии в углеро­

литудах напряжений отмечена заметная частотная за­

ленной связи между скоростями нагружения при зна­

до 290 МПа, в этом же диапазоне напряжений распо­ ложены участки кривых ^ (о ), соответствующие резко­ му возрастанию рассеяния энергии. Таким образом, подтверждается не только частотная зависимость рас­ сеяния энергии для области больших амплитуд напря­ жений, -но и ее соответствие частотной зависимости •предела усталости углеродистой стали.

Указанное соответствие характеристик неупругости и усталости имеет определенное значение при разработке способов ускоренных испытаний при раз­ личных частотах напряжения. Для решения такой задачи необходимо изучение кинетики накопления повреждаемости в материалах при высокочастотном нагружении [154]. Измерения были выполнены на магнитострикционной установке резонансного типа, позволяющей в процессе усталостных испытаний опре­ делять рассеяния энергии при 20 кГц калориметричс-

пряжений <т0. Особенности методики не позволяли строго установить характер кривых на начальном

испытывали до появления ясно выраженной трещины; ранние стадии ее зарождения могли быть обнаруже­ ны по заметному падению частоты колебаний.

Для меди и алюминиевого сплава Д16Т на кривой AWcp—N можно выделить участок стабилизации и однозначно определить величину AW* при данном

сятков и сотен герц, не приводит к существенному из­ менению характера амплитудной зависимости рассея­ ния энергии; только при больших значениях амплитудах в области интенсивного развития пластического течения

лученные ими результаты фиксируют лишь то рассея­ ние энергии в материале, которое проявилось в виде тепла. Тепловая часть общих потерь, по мнению авто­ ров, характеризует лишь процессы зарождения мик­ ротрещин и их развития. Это подтверждает трудно­ сти, возникающие при разработке критериев устало­

ции в микрообъемах, обнаружено Д. С. Дроновым на образцах стали 50. Рост температуры разогрева об­ разцов наблюдается как при увеличении амплитуды напряжения, так и частоты нагружения. При значитель­ ной перегрузке после достижения максимального значения температура разогрева снижается, а затем стабилизируется. Процессы, протекающие в локаль­ ных объемах, влияют и на интегральные характеристи­ ки, определяющие сопротивление циклическим на­ грузкам образца в целом' В изученном диапазоне на­ пряжений и частот отмечена смена механизмов устало­ сти при частотах 2860 и 1600 цикл/мин и коэффициентах

менно с температурными кривыми.

за счет снижения преДела текучести вследствие тем­ пературного рассеяния энергии л непосредственно действия циклической нагрузки. Развитию цикличе­ ской текучести способствуют наличие градиента на­ пряжений по «поперечному сечению, концентрация напряжений в виде дефектов поверхности и повышен­ ная их плотность у поверхностных слоев.

щенном виде может быть изображен диаграммой Ве­ лера. На рис. 46 кривая Велера 'представлена для низкоуглеродистой отожженной стали в условиях на­ гружения образцов симметричным растяжением — сжатием [158].

Р и с . 46. С х е м а д и а г р а м м ы у с т а л о с т н о г о р а з р у ш е н и я :

а в —п р е д е л п р о ч н о с т и п р и р а с т я ж е н и и ; o z — н а п р я ж е н и е п е р в о г о и з л о м а

к р и в о й , О р — н а п р я ж е н и е , с о о т в е т с т в у ю щ е е р а з р ы в у и л и п е р е л о м у , o w ~ п р е ­

д е л у с т а л о с т и ; оWc — н а п р я ж е н н о ц и к л и ч е с к о й ч у в с т в и т е л ь н о с т и ; а we— ц и к л н - ч е с к и й п р е д е л у п р у г о с т и ; — г р а н и ч н о е ч и с л о ц и к л о в ; N w — б а з а ц и к л о в

д л я о п р е д е л е н и я a w \

1— 7 -т с т а д и и ц и к л и ч е с к о г о у п р о ч н е н и я

Усталостная кривая между точками А—D относит­ ся к области малоцикловой усталости. Кривая харак­ теризуется отдельными участками между точками Л, В, С и D. В этом диапазоне нагружений амплитуда напряжения изменяет свою величину от предела прочности до циклического предела текучести. Прило­ жение напряжений >в этом интервале амплитуд уже •после первых циклов нагружения вызывает возникно­ вение микроскопических трещин. В диапазоне участ­

ков АВ и ВС разрушение образцов и изделий имеет квазистатический характер. В месте излома три на­ гружении типа растяжение — сжатие проявляется харак­

разрушения образцов в изломе можно найти области,

ма также наблюдаются признаки усталостного раз­ рушения).

Область высокоцикловой усталости и разрушения характеризуется на диаграмме ломаной кривой D'EF. Процесс накопления усталостной повреждаемости в -этой области протекает в несколько этапов, как это показано для амплитуды напряжения ох. Участку а соответствует инкубационный период, в котором .про­

микротрещины достигают критического размера, за­ тем происходит их соединение и распространение тре­ щины через сечение образца пли детали (участок d). Последний этап соответствует долому образца.

Между мало- и многоцикловой усталостью нахо­ дится переходная область (точки D или D'), где на­ блюдается разрыв на диаграмме усталости или изме­

точек расположена область безопасного циклического нагружения.

Характерные участки и области диаграммы устало­ сти рассмотрены во многих работах для разных мате­ риалов. Сложность влияния структурных и внешних факторов на общий ход накопления повреждаемости в настоящее время не дает «возможности аналитически описять кинетику и динамику процесса с единых по­ зиций.

Малоцикловая усталость и разрушение. Высоко­

нагруженные камеры давления, части атомных реак­ торов, конструкции мостов, средств транспорта либо в изломе, либо в месте концентрации напряжений имеют при усталостном нагружении и разрушении ха­ рактерные признаки малоцикловой усталости. Появ­ ление и вид кривой АВ (см. рис. 46) зависят от таких факторов, как тип материала, его обработка, склон­ ность к деформационному упрочнению, а также от ра­

Когда излом возникает при шервом цикле нагруже­ ния^ нем проявляются все .признаки вязкого статического разрушения. Если до излома совершается опре­ деленное число циклов нагружения, то разрушение сопровождается образованием шейки и в площади •излома можно найти участки, типичные для формиро­ вания усталостных трещин, которые занимают 1—2%

лостное разрушение (см. рис. 47, кривая 4). Возмож­ ность обнаружения квазистатического разрушения в области малоцикловой усталости зависит и от пара­ метров (прежде всего жесткости) испытательной ма­ шины.

Участок ВС (см. рис. 46) соответствует области циклического течения и характеризуется непрерывным возрастанием циклической пластической деформации. При испытании металлических материалов при нагру­ жении в этой области диаграммы вплоть до возник­ новения излома наблюдаются открытые петли гисте­ резиса. Разрушение также имеет квазистатический характер, сопровождаемый образованием шейки на образце. Однако в области излома всегда можно об­ наружить зародыши усталостных трещин. Отрезок ВС на диаграмме усталости проявляется для пульсирую­ щего или несимметричного циклов нагружения. Для материалов с циклической анизотропией' (эффект Баушингера) этот участок проявляется и при симмет­ ричном циклическом нагружении. Образование или исчезновение участка ВС зависит также от вида об­ разцов, обработки и свойств материала.

По данным ряда авторов, в области циклического течения величина накопленной циклической деформа­ ции мало зависит от числа циклов нагружения и при симметричном цикле растяжение — сжатие ее величи­ на равна значению, полученному при одноосном ста­ тическом нагружении. С. В. Серенсен обнаружил, что диапазон долговечности на участках ВС и CD мало изменяется и различные внешние, а также внут­ ренние факторы влияют только на их соотношение в отдельных участках. При испытаниях образцов из стали было показано [161], что накопленная цикличе­ ская деформация на участке ВС все же зависит от числа циклов нагружения для несимметричных цик­ лов; ее значения оказались больше, чем при статиче­ ском нагружении. Для низкоуглеродистой стали сум­ марная пластическая деформация образцов при пуль­ сирующем нагружении (растяжении) оказалась на 50% выше, чем при статистическом растяжении.

Динамическое течение сопровождается непрерыв­ ным возрастанием суммарной деформации. Величина суммарной деформации e.v является функцией дефор­ мации, которая была достигнута при первом цикле

только для циклически разупрочняющихся или цикли­ чески стабильных материалов. Предшествующая пла­ стическая деформация образцов из низкоуглеродистой

но 'более короткий по сравнению с гладкими образца­ ми или он вообще отсутствует. Когда пластическая зона в вершине надреза значительна, разрушение имеет%квазистатический характер. Если эта зона неве­ лика, то возникает усталостная трещина и излом яв­ ляется усталостным. Большое влияние на разрушение в этих условиях оказывает фактор асимметрии цикла нагружения.

Циклическое течение в области малоцикловой ус­ талости наблюдается при нагружении гладких образ­ цов с постоянной амплитудой напряжения (мягкое нагружение) или на деталях с надрезом и малым гра­ диентом напряжений при несимметричных циклах. Участок ВС хорошо проявляется для циклически ани­ зотропных материалов (циклически разупрочняющих- •ся или -стабильных с карандашным скольжением). Он обнаруживается также и для материалов с характер­ ным плоским скольжением после их предварительного пластического деформирования. Разрушению предшест­ вует образование шейки на образце; излом — статиче­ ского типа с выраженной частью усталостного разру­ шения.

На участке CD кривой усталости накопление цик­ лической пластической деформации более медленное. Петля гистерезиса после определенного числа циклов закрывается и с увеличением числа циклов ее пло­ щадь не изменяется. Разрушению образцов предшест­ вует возникновение и распространение усталостных трещин. Этот процесс наиболее выражен для цикли­ чески упрочняющихся материалов, для которых уча­ сток ВС не проявляется (см. рис. 47, кривая 4).