книги / Микропластичность и усталость металлов

На рис. 75 приведены результаты измерений плоских образцов низкоуглеродистой стали ЧСН 12010 (ЧССР) для различных уровней амплитуды напряжения аа, по­ казателя асимметричности Р и числа циклов N> необхо­ димого для развития усталостной трещины от началь­ ной длины /0 = 25 мм до конечной /к= 20 мм. Выражение (71) вполне удовлетворительно описывает процесс рас­ пространения трещины при циклическом нагружении.

Надрезы и концентраторы напряжений. Концентра­ ция напряжений может значительно влиять на харак­ теристики усталостной прочности и долговечности реальных металлических изделий. Повышение напряже­ ний в месте надреза обычно оценивается соотношением

а = огшах/оп, где (Jmax — максимальное напряжение в месте надреза, ог1— номинальное напряжение. Нейбер выполнил комплексный анализ напряженности в местах надрезов и определил коэффициент концентрации на­ пряжений для глубоких а п и мелких av надрезов [231]. Оказалось, что усталостная прочность меньше зависит от наличия надреза, чем от коэффициента концентрации напряжений а, обусловленного остротой и формой над­ реза. Эффективный показатель концентрации напряже-

ний (так называемый показатель надреза р) определя­ ется для длительной усталостной долговечности отношением $ = o whwn, где aw и аЮп — пределы усталости для гладкого тела и тела с надрезом соответственно. Для области ограниченной долговечности $='ва1вап

где оа и оа — амплитуды напряжения для гладких образцов и образцов с надрезом при постоянном числе циклов Nf до конечного разрушения.

Величина показателя надреза р в области высоко­ цикловой усталости и прежде всего вблизи предела усталости зависит от масштабного фактора, градиента напряжений в поверхностном слое и от фактора v* Величина р тем больше, чем меньше радиус надреза. В области ограниченной долговечности вследствие плас­ тического деформирования в острие надреза показатель Р зависит от пластичности материала образцов. Когда в вершине надреза образуется усталостная трещина, то влияние надреза становится менее существенным. Об­ разовавшаяся трещина распространяется при a=iQn так, как это происходило бы в гладком теле. С учетом градиента напряжений соотношение коэффициентов а и Р может быть определено выражением [237]:

Р° W

метр образца. Приведенные соотношения выполняются на цилиндрических телах с радиальным надрезом. При известных значениях а и р выражение (72) позволяет ошредслить предел усталости тела с надрезом oWn

Расчетные значения были проверены для разных мате­ риалов [237].

В области ограниченной долговечности для пластич­ ных материалов развивающаяся деформация в вершине надреза понижает коэффициент концентрации напряже­ ний a a и повышает концентрацию суммарной деформа­ ции, что может быть учтено соответствующими зависимостями. Немец и Пухнер сделали попытку дать

где a;„j) — эффективный коэффициент концентрации на­ пряжений, учитывающий влияние пластической дефор­ мации в вершине надреза, размер тела и относитель­ ность градиента напряжений; q — чувствительность к надрезу, связанная с механическими характеристиками металлов: и — показатель, учитывающий влияние числа циклов до конечного разрушения.

Состояние поверхностного слоя. Поверхность образ­ цов и деталей машин является основным местом зарож­ дения усталостных трещин при циклическом нагруже­ нии. Поэтому состояние и характеристики поверхност­ ного слоя имеют важное значение при развитии уста­ лости. Чем грубее обработка поверхности, больше количество и эффективность микронадрезов, тем ниже предел усталости материала. Это учитывается коэффи­ циентом влияния геометрического качества поверхности тела т]р, который оценивают как отношение пределов усталости реального o'w и полированного ow изделия,

т. е. T\P = O 'W lo w

Поверхностный слой во многих случаях наиболее нагруженный и в нем максимально проявляются оста­ точные эффекты от предыдущей технологической и термической обработки. Эффективное влияние токарной обработки и шлифования на усталостные характеристи­ ки металлических образцов и деталей машин связано с разрушением поверхностного слоя. Влияние микроско­ пических надрезов размером 10_3—10-1 мм сложно учесть расчетным путем и показатель i]p находят экспе­ риментально. Для термически обработанных сталей глубина микроскопических надрезов менее 10~3 мм уже не влияет на предел усталости, однако общая чувстви­ тельность изделий из термически упрочненных сталей на неровности (шероховатость) поверхности выше, чем для отожженных. Поверхностная обработка влияет больше на усталость при среднем положительном напряжении, чем при пульсирующем цикле нагружения.

Процесс шлифования влияет на усталостную долго­ вечность во всем диапазоне рабочих амплитуд напря­ жений при переменном воздействии, однако знак эффекта зависит от режима обработки. Шлифованный деформированный слой образцов железа или низкоуг­ леродистой стали имеет характерную ячеистую дислока­ ционную структуру. Размер ячеек и степень их разориентации соответствуют большим степеням наклепа.

при АЭХШ тонкой структуры и свойств поверхностного слоя образцов за счет поляризации в электролите, а также с формированием в поверхностном слое остаточ­ ных сжимающих напряжений [239]. Глубина трансфор­ мированного слоя достигает 200—250 мкм, что значи­ тельно превосходит соответствующую величину при гид­ родробеструйной обработке (50—100 мкм).

Условия нагружения. Детали машин и конструкций в определенных временных диапазонах нагружения могут подвергаться воздействию напряжений, больших предела усталости. Способность материала сопротив­ ляться разрушению при перегрузке в течение опреде­ ленного числа циклов характеризует линия Френча (кривая F на рис. 77,а). Для построения кривой Френча используют участок диаграммы Велера (кривая W).

Образец нагружают амплитудой напряжения оа\ в тече­ ние JV OI ц и к л о в и затем напряжение снижают до вели­ чины предела усталости ow. Если образец разрушается в этих условиях, это означает, что перегрузка (<т0ь Мн) вызвала возникновение трещины надкритического раз­ мера, которая способна распространяться при а = а ш и вызывать конечный излом. Для последующих образцов

амплитуда напряжения постепенно понижается и после циклирования в течение N0i циклов испытания повторя­ ются при а=Оу>. При достижении некоторого напряже­ ния ааь, которое при числе циклов N01 не вызывает образования излома при последующем нагружении на пределе усталости, определяется точка линии Френча. Аналогично проводят определение других точек этой кривой. Чем больше кривая Френча приближается к участку долговечности, тем длиннее стадия зарождения трещин в усталостном процессе и тем менее чувстви­ телен материал к перегрузке. Если она соответствует короткой стадии зарождения трещин, то это означает, что далее кратковременная перегрузка может вызвать разрушение образца или изделия, как это показано для стали на рис. 77,6.

Кратковременная перегрузка в отдельных случаях может вызвать повышение предела усталости [240], что связывают в некоторых работах с адаптацией материа­ ла. Например, повышение предела усталости низкоуг­ леродистой стали было обнаружено при амплитудах (Та=1,1 аш, в то время как при аа=1,25 aw перегрузка снижает предел усталости стали SAE 1020 (ЧССР).

Для большинства материалов нагружение ниже пре­ дела усталости не влияет на его значение. В некоторых сталях предварительное циклирование при a = a w при­ водит к его увеличению. Это явление объясняется пред­ варительным упрочнением ферритной составляющей, что повышает сопротивление материала зарождению уста­ лостных трещин.

С точки зрения распространения трещин необходимо учитывать воздействие амплитуд напряжений, значения которых ниже значения предела усталости, так как для этого процесса важна история нагружения. Например, циклирование образцов серого чугуна при а<о„, повы­ сило его предел усталости при дальнейшем нагружении на 20% [241].

Размер зерна. Известно, что величина зерна— один из основных структурных факторов, влияющих на фи­ зико-механические характеристики материалов. Резуль­

Интерпретация факторов а1Ш и Кс аналогична, как и для коэффициентов уравнения Холла — Петча, с учетом, что указанные характеристики используют для цикли­ ческого нагружения. Из данных, приведенных в табл. 5, видно, что параметры уравнения (74) зависят от типа материала, частоты нагружения, температуры испыта­ ния и т. д.

Таблица 5

*' Содержит 0,05% С.

Форсайт [242] предложил двустадийную модель раз­ вития трещины (рис. 64,а). Она была использована Форрестом [243] для объяснения влияния размера зер­ на на предел усталости. На рис. 78 кривая 1 соответст­ вует циклическим напряжениям, необходимым для рас-

Рнс. 78. Характер распределения сил, действующих на усталостную трещину на первой (/) и второй (2) стадиях ее развития [243]:

а — напряжение распространения трещины через первую границу зерна, боль­ ше напряжения, необходимого для распространения трещины на второй ста­

на второй стадии ее роста. Пунктирные линии — граница зерен

йространения усталостной трещины под действием касательных напряжении в пределах одного зерна (ста­ дия /). Кривая 2 характеризует уровень циклических напряжений, необходимых для движения усталостной трещины после перехода границы зерна (стадия II). По Форресту, усталостная трещина на первой стадии роста может распространяться при напряжениях ниже преде­ ла усталости (а). При переходе через границу зерна напряжение, необходимое для распространения трещи­ ны, возрастает в виде различной ориентации соседних зерен и барьерного действия границы зерна. Когда это напряжение превысит уровень, требуемый для распро­ странения трещины на стадии II процесса, то трещина начинает распространяться. Изменение размера зерна мало влияет на распространение усталостной трещины на стадии //, но вследствие уменьшения критической длины трещины при уменьшении размера зерна предел усталости увеличивается, что подтверждено экспери­ ментально.

На основании предложенной схемы была выдвинута гипотеза, что предел усталости плоского образца равен напряжению, необходимому для распространения уста­ лостной трещины через границу зерна. Однако автор работы [243] указывает на другие микроструктурпыс факторы, которые ограничивают применимость гипоте­ зы к реальным материалам.

В металлах с г.ц.к. решеткой влияние размера зерна на характеристики усталостной прочности определяется величиной дефекта упаковки и характером дислокаци­ онного скольжения в материале. Например, для меди,

значение дефекта упаковки, плоский характер скольже­ ния) выявлено сильное циклическое упрочнение по мере уменьшения размера зерна [165, 244]. Сильно отличает­ ся и формирующаяся при циклическохМ деформировании структура этих материалов — ячеистая в первом случае и полосы дислокаций — во втором. Некоторые авторы отмечают, что на начальных стадиях циклического на­ гружения определенная повреждаемость интенсивнее накапливается в металлах с большим размером зерна. Для меди и латуни общее число трещин, подсчитанных на продольных шлифах после излома, нс зависит от

исходного размера зерна, но средняя их глубина для латуни является функцией этого параметра [245].

Скорость распространения усталостных трещин на стадии II для разных металлов и сплавов (например, алюминия, меди, сплавов Си—Ni, низкоуглеродистой стали) с изменением размера зерна сохраняется, в то время как результирующая долговечность металлов сильно различается. Повышение усталостной прочности при уменьшении размера зерна обнаружено также для металлов с гексагональной кристаллической решеткой [414]. Однако в специальной литературе имеются и про­ тивоположные сведения.

Для материалов с о.ц.к. решеткой влияние размера зерна на циклическую прочность хорошо выражено. На­ пример, уменьшение ферритного зерна в низкоуглеро­ дистых и углеродистых сталях повышает предел уста­ лости на 18—20%. Понижение среднего размера зерна феррита в перлите способствует повышению усталост­ ной прочности. Размер ферритных областей в перлите оказывает такое же воздействие, как и ферритные зерна на циклическую прочность [247, 248]. Для усталостных характеристик металлов важен способ, которым было получено мелкое зерно. Например, при сравнимых зна­ чениях размеров зерен усталостные свойства металлов после деформации и рекристаллизации значительно ниже, чем после термической обработки [247].

Величина зерна влияет на кинетику формирования линий скольжения в металлах. В отожженной низкоуг­ леродистой стали с малым размером зерна линии скольжения образуются только в отдельных зернах. Ко­ личество и плотность линий скольжения постепенно по­ вышаются и к окончанию испытаний на долговечность в процесс вовлекаются все зерна. В грубозернистой структуре линии скольжения возникают уже в начале нагружения в большом числе зерен, но после окончания испытаний только 70% общего числа зерен имеют следы циклической пластической деформации. Увеличение раз­ мера зерна способствует смещению линии Френча к более низким долговечностям. Поэтому этап распрост­ ранения усталостной трещины в мелкозернистом мате­ риале имеет большую протяженность, чем в грубозер­ нистом.

Обсуждая опубликованные результаты испытаний для железа и иизкоуглеродистой стали, Филлипс и