книги / Микропластичность и усталость металлов

Армстронг [249] показали три разных зависимости предела усталости от размера зерна. Когда aw> a T, предел усталости не зависит от размера зерна и может быть определен по сдвиговой прочности монокристал­ лов:

Для армко-железа с размером зерна от 0,04 до 0,1 мм при ою»!0.т выраженный перелом между линиями огра­ ниченной долговечности и линией предела усталости на кривой Велера не наблюдается. Для мелких зерен, когда ow<(.тт — результаты испытаний хорошо описыва­ ются уравнением Холла — Пстча. Зависимость уста­ лостной прочности металлов с о.ц.к. решеткой от разме­ ра зерна является следствием легкого протекания процессов поперечного скольжения. Возникновение и распространение циклической пластической деформации

ляющим фактором и поэтому уравнение Холла — Петча может не выполняться.

Имеющиеся экспериментальные данные свидетельст­ вуют о том, что размер зерна влияет на усталостную прочность и относительно мало изменяет скорость рас­ пространения трещины на втором этапе развития уста­ лости. Усталостная долговечность образцов и деталей машин сильно зависит от состояния структуры поверх­ ностного слоя толщиной от одного до трех зерен. В. С. Иванова и В. Ф. Терентьев показали, что физиче­ ский предел усталости является функцией образовавше­ гося поверхностного слоя на первых этапах процесса циклического деформирования. Нагружение при G= OW вызывает в этом слое возникновение усталостных тре­ щин, но их величина не превышает размера зерна вследствие барьерного эффекта границ зерен.

Структурные состояния металлов. Процесс зарожде­ ния и распространения усталостных трещин так же, как и общая усталостная долговечность, сильно зависит от химического состава и структурного состояния метал­

лов,

Влияние исходного аустенитного размера зерна на усталость сталей неоднозначно. Для высокопрочной кремнемарганцовистой стали обнаружено [250], что раз­ мер аустенитного зерна от 0,041 до 0,0237 мм не влияет на процесс распространения трещины, но заметно влияет на их зарождение (рис. 79,а). Для крупных зерен ус­ талостные трещины зарождаются по границам исход­ ного аустенитного зерна, что связано с адсорбцией углерода в приграничных областях исходного зерна.

Рис. 79. Влияние величины аустенитного зерна высокопрочной стали на по­ ложение линий зарождения усталостных трещин (я) [250] и зависимость ow

от размера исходного аустенитного зерна 0,327 (!)\ 0,100 (2); 0,059 (3) и 0,41 мм (4) для стали с различным содержанием остаточного аустенита, (б) [420], в количестве 5 (/), 6,5 (2) и 9,5% (5)

При закалке в этих местах образуется остаточный аустенит, способствуя образованию усталостных трещин при переменном нагружении. Кроме того, при прочих сравнимых условиях увеличение размера аустенитного зерна способствует при закалке повышению объема остаточного аустенита, что понижает характеристики усталостной долговечности при минимальном изменении статических характеристик прочности и пластичности. Отпуск стали устраняет различие свойств в пригранич­ ных и внутренних объемах и основными факторами, влияющими на усталостные показатели, становятся температура аустенитизации и скорость закалки. Для стали с мартенситной структурой размер аустенитного зерна не влияет на усталостные свойства, для перлит­

6,32% Si) содержание углерода и марганца не влияет на статическую и усталостную прочность. На предел усталости в основном влияние оказывает размер ис­ ходного аустенитного зерна по механизму, указанному выше. На рис. 79,6 показано изменение предела уста­ лости для стали с разным размером исходного аусте­ нитного зерна и содержанием остаточного аустенита в структуре. Усталостные свойства сталей зависят от раз­ меров карбидных выделений при аустенитизации. В гру­ бодисперсных системах размер зерна аустенита понижается и после охлаждения возрастает содержа­ ние структурно свободного феррита, что уменьшает ста­ тическую и усталостную прочность стали.

Предшествующая пластическая деформация изменя­ ет структуру металлов и их усталостные свойства. В практике предварительное упрочнение может осуще­ ствляться перед усталостным нагружением, например при правке сварных деталей или трубопроводов, при холодном прессовании деталей машин и т. д. Наклеп может возникать уже в первой четверти или половине нагружающего цикла, как в гироскопах, трубопроводах высокого давления, обшивке реакторов, или при случай­ ных перегрузках в результате циклического деформиро­ вания.

Естественно, что циклическая пластическая деформа­ ция не является простым продолжением процесса пред­ варительного упрочнения металлов. Оба процесса имеют самостоятельное значение для формирования усталост­ ной прочности. Экспериментальное изучение влияния предварительного Деформирования металлических образ­ цов и изделий на Величину предела усталости не дает од­ нозначных рекомендаций. Неоднозначность результатов часто вызвана различным' способом предварительного деформирования, Неравномерностью протекания дефор­ мации по сечению детали и в локальных ее участках, методикой подготовки лабораторных образцов при вы­ резке их из изделия и условиями усталостных иммитнрующих испытаний.

В целом, наиболее изученными для конкретных мате­ риалов факторами, влияющими на долговечность при циклическом нагружении, являются степень предвари­ тельной деформации, остаточные микроискажения и мик­ роструктура при ННклепе .металлов и прежде всего по­ верхностных слоев образцов или деталей машин. Очевид­

но, что если при деформировании металлов возникают поверхностные микротрещины, усталостная долговеч­ ность деталей понижается. Когда предыдущая пластиче­ ская деформация разрушает локальные связи на грани­ цах зерен, то процесс зависит от характера последующего накопления повреждаемости во внутренних областях зе­ рен: будет ли трещина распространяться по границам пу­ тем слияния микротрещин или за счет образования полос скольжения во внутренних областях. Макроскопическим проявлением внутренних микроструктурных повреждений является наклон кривой усталостной долговечности, как это показано для стали ЧСН 11523-1 (ЧССР) (рис. 80,а).

женной стали ЧССР 12013 (а) и хромоникелевого сплава (б). Пунктирные

После 5%-ной деформации наклон кривых достаточно мал, т. е. формирование полос скольжений при циклировании в зернах со следами статических полос скольжения при om<jw дает одинаковый эффект, как и процесс облег­ ченного распространения трещин по границам зерен при нижнем уровне долговечности. Влияние предыдущей де­ формации для сталей с ферритно-перлитной основой свя­ зано с исходным размером зерна. Если 4,5 %-ная дефор­ мация вызывает повышение предела усталости крупнозер­ нистой стали, то для мелкозернистой стали он понижает­ ся. Значительную роль играет легирование сталей таки­ ми элементами, как хром, марганец, кремний и никель. Хром и марганец способствуют образованию твердых и

Хрупких карбидов, «которые дисперсно распределяются в структуре; хром, марганец, кремний и никель понижают эвтектоидную концентрацию углерода и поэтому в стали с относительно низким содержанием углерода можно об­ наружить ледебурит [252]. В этих условиях вторичный цементит выделяется в основном по границам зерен аустенита. Также стали после предшествующей пласти­ ческой деформации снижают величину предела устало­ сти.

Предшествующая пластическая деформация и нагрев могут вызвать охрупчивание материалов. Деформацион­ ное старение способствует повышению ow\ дополнительно могут развиваться процессы динамического старения при циклическом нагружении (см. гл. II). Важной является скорость предварительного и циклического пластического деформирования.

В случае локального наклепа, например в вершине надреза, пластическая деформация изменяет коэффи­ циент концентрации напряжений. На его величину боль­ шое влияние оказывает знак напряжения в первой чет­ верти первого цикла нагружения. Предварительная де­ формация в области надреза сильно затормаживает ско­ рость распространения усталостной трещины и повышает долговечность деталей.

После значительной направленной холодной пласти­ ческой деформации металлы приобретают анизотропию механических и физических свойств. Для гладких образ­ цов, вырезанных в направлении, параллельном главной оси текстуры, предел усталости aw\\ выше, чем для об­ разцов, вырезанных перпендикулярно этому направле­ нию {aw± )• Отношение величин пределов усталости учи­ тывается показателем (O= Gw± /ашц В зависимости от содержания углерода в стали и от условий формоизмене­ ния величина со достигает значений до 0,55. Для сопоста­ вимых условий деформирования для углеродистой стали с пределом прочности 900 МПа, со=0,85; для хромонихелевой стали сгв=1800 МПа, со= 0,73 и для сплавов алю­ миния (дюраль) 0,85 [240]. На рис. 80,6 приведены зна­ чения w для хромоникелевой стали с пределом прочности 1000 МПа для гладких и надрезанных образцов [254]. Чувствительность к надрезу образцов с осями, парал­ лельными направлению прокатки, значительно выше, чем для образцов, вырезанных перпендикулярно этому на­ правлению.

lg Oa — средние квадратичные отклонения lg Nf и lg oa\ r — коэффициент корреляции. На основания коэффици­ ентов корреляционного уравнения можно определить по­ казатель m = roa\g Nf/oaig оа- Этот метод дает возмож­ ность оценить разброс результатов испытаний и устано­ вить действительную границу безопасности для любого уровня нагружений в заданном интервале; 3) построение кривой распределения долговечности по результатам ис­ пытаний на усталость достаточно большого числа образ­ цов при заданных значениях амплитуды среднего или ми­ нимального напряжений цикла. Кривую распределения долговечности строят на вероятностной сетке (по оси ор­ динат — вероятность в масштабе логарифмического нор­ мального закона распределения, распределения Вейбулла, Стъюдента и т. д., по оси абсцисс — lg Р).

Кривая усталости, соединяющая точки Р lg A^/= const,

ствляется достаточно просто на логарифмически вероят­ ностной бумаге.

При напряжениях, близких к пределу выносливости а,г, часть образцов не разрушается до базы испытания. В таких случаях проводят статистическую обработку данных с учетом неразрушенных образцов, для чего ис­ пользуют специальные методы. Для построения кривой распределения предела усталости и его значений приме­ няют методы «лестницы», «пробитов» и Др. [63]. Повы­ шение частоты нагружения способствует большему раз­ бросу результатов вследствие возрастания среднего уров­ ня усталостной долговечности испытуемых образцов. Сравнение параметров рассеяния при равных средних значениях долговечности особого влияния частоты нагру­ жения на результаты испытаний не выявило. Повышение концентраций напряжений в изделиях снижает разброс данных при равных номинальных напряжениях.

Для определения реакции конкретных деталей маши­ ны на воздействие переменной нагрузки используют ре­ зультаты измерений, полученные на лабораторных об­ разцах. Возможность такого перехода к оценкам устало­ стных характеристик реальных конструкций основана на теории подобия. При механических испытаниях должны соблюдаться условия геометрического, механического и физического подобия. Одновременное выполнение таких

критериев подобия часто весьма затруднительно, что приводит к созданию более сложных комплексных кри­ териев.

Многие трудности устраняются при использовании принципов локального подобия нагружения, развивае­ мых в работах В. С. Ивановой и др. Основной идеей яв­ ляется положение о том, что локальное напряженное со­ стояние у фронта деформации или трещины определяет изменение механических свойств при различных условиях испытаний. Для применения теории локального подобия к анализу механических свойств важно выявление ста­ дий, соответствующих стабильному развитию процесса (например, с того момента усталостного процесса, когда возникла трещина стартовой длины, т. е. способная к стабильному росту в качестве магистральной трещины). При использовании методов локального подобия подра­ зумевается выполнение условий автомодельности процес­ са деформации и разрушения, т. е. автоматическое «ис­ ключение» возможных отличий в локальных объемах металла.

Эти положения наряду с представлениями о дискрет­ ности критических длин трещин послужили основой для установления критериев и констант подобия хрупкого разрушения [170]. Величина Af= A1/m соответствует ус­ ловиям геометрического подобия критических длин и трещин и щ=\кх!т— условиям подобия локального на­ пряженного состояния в вершине трещины модели и из­ делия (локальная жесткость нагружения). Для железа

исплавов на его основе выполняется соотношение

=1^М. Если известно значение циклической вязкости раз­ рушения К\с , то нетрудно рассчитать и весь спектр, соот­ ветствующий условию автомодельности .процесса разру­ шения.

На рис. 82 представлена зависимость разрушающего напряжения от критической интенсивности напряжения для условий автомодельности процесса разрушения ста­ ли 20. Исходной точкой для построения диаграммы явля­ ется критическая длина трещины /к, которая соответству­ ет возникновению при пороговом напряжении в% пла­

стической нестабильности в вершине трещины (/к может быть измерена непосредственно на усталостном изломе модельного образца). Вертикальные линии / — VI (см. рис. 82) соответствуют энергетическим уровням при скачкообразном росте трещины (соответствующие им

значения р* характеризуется практически полным зату­ ханием приращения энергии на единицу длины трещины с ростом ее длины. Значения константы подобия М для

Рнс. 82. Зависимости разрушающего напряжения ог критической пости напряжений для стали 20 [170]:

/ _ Af=0,94; 2 — 0,88; в — 0,70; 4 — 0,58; 5 — 0,33; 6 — 0,11

различных металлов в зависимости от жесткости локаль­ ного напряженного состояния (энергетического уровня) приведены в табл. 6.

Когда определена критическая интенсивность разруше­

ния Kic, определяющая начало возникновения макропластической нестабильности при заданном уровне поро­ гового .напряжения, то возможно расчетным путем оце­ нить характеристики усталостной прочности реальных изделий. На рис. 82 горизонтальными прямыми пока­

заны значения пороговых напряжений при К°\ с =const и соответствующие значения константы геометрического подобия: GO — минимальное повреждающее .напряжение; аш1п — минимальный предел усталости для крупногаба­

ритного образца без надреза; — предел усталости

модельного образца; GD — критическое напряжение уста­ лости (характеризующее напряжение разрыва или пере-