книги / Микропластичность и усталость металлов

ние происходит с высокой скоростью и на поверхности излома это сопровождается возрастанием числа и разме­ ра ямок (область 3). Переход от микропластичности к макропластичности характеризуется отношением Ла/Ат в локальных объемах металла в вершине трещины и сте­ пенью жесткости напряженного состояния в этой области.

При 1>1к и высоких значениях интенсивности сдвиго­ вых напряжений в зоне пластической нестабильности раз­ рушение может происходить путем выкрашивания, хруп­ кого отрыва или среза (область 4). Критическая длина усталостной трещины /к определяется как длина, на ко­ торую трещина может стабильно распространяться без возникновения макропластической нестабильности. Кри­ тическая длина трещины /к слабо зависит от амплитуды напряжения, в то время как значение If с повышением амплитуды значительно понижается (табл. 3).

Таблица 3

Условие перехода от роста усталостной трещины к выкрашиванию при 1=1Кдля малых приращений трещи­ ны в сравнении с ее суммарной длиной может быть вы­ ражено в виде [182]:

Если обозначить ^ Д = ц, тогда получим оконча­ тельно

(436)

где |х — безразмерная теоретическая прочность; тт и ат— теоретические прочности сдвига и растяжения; Е — без­ размерная прочность межатомной связи; G — безразмер­ ный модуль упругости при сдвиге. Из уравнений (43а) и (43в) следует, что величина А представляет универ­ сальную постоянную разрушения и является характери­ стикой материалов. Например, легирование углеродистой стали не изменяет значений Д и р.

Универсальная постоянная разрушения характеризу­ ет спектр критических длин микротрещин при хрупком разрушении с разной жесткостью напряженного состоя­ ния. Критическое значение 1Копределяется из граничных условий приращения длин трещин. Соответствующий спектр энергий пластической деформации, релаксирующих при дискретных уровнях гармонического возбужде­ ния, приведен в работах Бора и Зомерфельда.

Процесс пластической нестабильности, связанный с быстрым увеличением длины трещины, может быть опи­ сан как процесс, протекающий с постоянной скоростью. Закон дискретности критических длин трещин для опи­ санных условий имеет вид [168]:

(44)

и К\с ) являются критическими значениями длины трещины (или интенсивности напря­ жения) перед приращением длины трещины и после не­ го; m — размерный фактор. При скачкообразном распро­ странении трещины в условиях подобия напряженного состояния отношение критических длин является посто­ янной величиной.

<гБезопасное» переменное нагружение. Приложение переменных напряжений при уровнях о<<Ую не вызывает опасного накопления усталостной повреждаемости. В от­ личие от ранних представлений о том, что в этом случае нагрузка не вызывает заметных изменений структуры и свойств, в настоящее время границей циклической чув­ ствительности принято напряжение Owc Нагружение в

интервале рабочих напряжений ow—Owc приводит к

трансформации дислокационной структуры и, прежде всего в поверхностном слое образцов, к возникновению неустойчивых линий и полос скольжений. В условиях, когда параметры циклического нагружения сохраняют­ ся, эти изменения происходят до определенного числа циклов (см. рис. 46, линия 7). При сг^Оо^ циклические

воздействия не вызывают изменений в металлах, однако на кривых внутреннего трения металлов в этой области фиксируется амплитудозависимое рассеяние энергии об­ ратимого характера.

Следует отметить, что большинство эксперименталь­ ных данных подтверждается для отожженных низкоуг­ леродистых сталей. Для других металлических материа­ лов внешние и внутренние параметры усталостных испы­ таний могут существенно изменить или модифицировать модельные представления о развитии процесса.

Кривые усталостной долговечности. Расчет усталост­ ной долговечности на основе учета числа циклов нагру­ жения до излома Nf и амплитуды пластической дефор­ мации гар был выполнен в работах Коффина и Мэнсона. В обобщенном виде это соотношение имеет вид:

где zf —показатель относительного удлинения при

усталости, определяемый экстраполяцией амплитуды пластической деформации на первую половину цикла

в материале имеется выраженное упрочнение или разу­ прочнение, соответствие между расчетными и измерен­ ными коэффициентами значительно хуже.

В практике эксперимента кривые долговечности преимущественно определяют как зависимости ампли­ туды общей деформации гас = гас+гар (где еас и гар — амплитуды упругой и пластической деформации соот­

излома доминирует пластическая часть составляющей

числа циклов до разрушения большее влияние оказы­ вает упругая часть деформации еае, повышающая ло-

говсчности смещаются к более высоким циклам нагруже­ ния.

Очень важным подходом к решению вопросов дол­ говечное™ при повторном нагружении явилась разра­ ботка энергетических критериев. После измерений Ииглиса, который обнаружил понижение энергии раз­ рушения в материале с уменьшением амплитуды на­ пряжения и с увеличением числа циклов до излома, было установлено, что для каждого металла сущест­ вует определенная зависимость между общей погло­ щенной энергией до разрушения и числом циклов не­ зависимо от условий нагружения. Поэтому в настоя­ щее время принято считать, что общая поглощенная энергия является материальной постоянной и не зави­ сит от числа циклов до излома. Между предложенны­ ми энергетическими критериями .наиболее оригиналь­ ное решение принадлежит В. С. Ивановой [96], кото­ рое основано на представлениях об аналогии между разрушением межатомных связей при механическом нагружении металлов и при его нагреве до расплав­ ления, т. е. энергетическим критерием разрушения яв­ ляется количество абсорбированной механической или тепловой энергии. Рассмотрение современных энерге­ тических представлений и дальнейшее развитие проб­ лемы выполнено В. Т. Трощенко.

Для области малоцикловой усталости из уравне­ ний (39) и (45) может, быть получено выражение для рассеянной энергии за цикл колебаний AW (площади

где п" —'показатель, примерно равный 0,15. Если пренебречь изменением Д№ на стадии интенсивного изменения механических свойств материала образцов, то выражение примет вид

На основе многочисленных экспериментальных из­ мерений для разных условий нагружения образцов в работе [185] показано, что с увеличением числа цик­

лов до излома возрастает количество поглощенной энергии и прямые, ограничивающие зону эксперимен­ тальных точек, имеют наклон 1+Ь+с=0,35.

ний принимает соотношение 6/(1+ Ь-\-с) = —1/4 как общее для всех металлических материалов в области

описания усталостной долговечности в области мало­ цикловой усталости, можно определить достаточно просто, когда известны напряжение излома a/ и цик­ лическая кривая деформирования.

Предложенные критерии более надежны для оцен­ ки кривых долговечности, чем параметры, основанные на статических испытаниях механических свойств ма­ териала (предел прочности, текучести или значения твердости). Это соответствует и современным физиче­

раничения этого подхода имеются для области много­ цикловой усталости, для которой пока накоплено ма­ ло экспериментальных данных. Последнее связано с не­

Ых форму кривой долговечности (см. рис. 46) предло­ жено представить в виде

Параметр К равен тангенсу угла наклона, соответ­ ствующему условиям испытания прямой. Результаты испытаний выявили линейную зависимость между

Площадь петли гистерезиса