Таблица 6

ПОСТОЯННЫЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ПОДОБИЯ М И КРИТИЧЕСКИХ ДЛИН ТРЕЩИН / к ДЛЯ МЕТАЛЛОВ [170]

Разные энергетические уровни

гиба 'кривой усталости при испытаниях модельного об­ разца); а™ах — максимальный предел усталости. Соот­

ветствующие соотношения, необходимые для расчета, приведены в монографии'[170].

Экспериментальные исследования, выполненные на образцах железа и стали, подтвердили зависимость меж­ ду пределом усталости и -критической длиной трещины в условиях локального подобия напряженного состояния ^= 0,58 [256]. Экстраполяция прямолинейных зависимо­ стей на оси .координат дало максимальные значения ( = 1 1 0 0 МПа и /к = 3 мм.

Принципы прогнозирования поведения материала в изделии по данным испытаний лабораторных образцов с использованием теории локального подобия представля­ ются наиболее перспективными. На этой основе была разработана универсальная диаграмма циклической прочности для железа и углеродистой стали [170], -кото­ рая объединяет основные параметры конструкционной усталостной прочности: длину трещины, пороговое раз­ рушающее напряжение и критическое значение коэффи­ циента интенсивности напряжения. Анализ диаграммы показал, что легирование железа вызывает понижение

/к от 3 до 0,013 мм для высокопрочной стали с порого­

вым напряжением 1100 МПа (Л!=0,58). Для таких ста­ лей в жестких условиях нагружения (например, цилинд­ ры прокатных станов) при М = 0,33 металлургическая несплошность с размером 0,013 мм может быть причиной разрушения изделия при напряжении 1100 МПа. Умень­ шение значений /к ограничивает возможность упрочнения сплавов на основе железа до величины предела текучести ~ 1900 МПа или предела усталости 1100 МПа (при М =

можно существенно увеличить предел прочности стали до 3000—3500 МПа и выше, реализовать эту прочность в из­ делиях, работающих на усталость, не удается.

В целом достигнуть полной сопоставимости условий испытаний для лабораторных образцов и крупногабарит­ ных изделий чрезвычайно сложно. Для масштабного фактора условия локального подобия выполняются дале­ ко не всегда по напряженности у вершины распростра­ няющейся трещины. Большие трудности встречает пере­

несение результатов лабораторных усталостных испыта­ ний на истинные детали при наличии в них внешних концентраторов напряжений.

4. НЕКОТОРЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛОВ

Оптимальное использование резервов усталостной прочности конструкционных материалов связано со спо­ собом их получения, структурным состоянием после тер­ мической, механической или комплексной обработок, ле­ гированием ;и методом поверхностного упрочнения. Не­ прерывное накопление усталостной повреждаемости при циклическом нагружении связано с локализацией де­ формации в микрообъемах, что требует создания дисло­ кационных структур с высоким сопротивлением возник­ новению остаточной микродеформации. Эффективным методом повышения долговечности работы изделий яв­ ляется создание слоистых или волокнистых материалов. Например, за счет создания высокопрочного поверхност­ ного слоя при химико-термической обработке удается повысить предел усталости стали примерно до 1700 МПа. Наряду с этим резервы прочности должны обеспечивать­ ся оптимизацией технологии и конструкции деталей ма­ шин с точки зрения повышения их надежности при пере­ менном нагружении. Принятые способы производства, обработки ;и изготовления металлических изделий в то же время должны быть экономически оправданными для их использования в народном хозяйстве.

Способ .металлургического производства стали и сплавов оказывает существенное влияние на их устало­ стные характеристики. Наличие мнкропор, неметалличе­ ских включений, выраженной текстуры и других очагов концентрации напряжений может значительно снизить предел усталости или долговечность деталей или конст­ рукций. Различные методы очистки стали — электронно­ лучевой, вакуумно-дуговой и электрошлаковый перепла­ вы являются эффективным способом улучшения структу­ ры сплавов, особенно с точки зрения снижения вредных примесей, уменьшения количества неметаллических включений, повышения их дисперсности и плотности ма­ териала.

Сталь вакуумной плавки или после вакуумного пе­ реплава содержит более дисперсные включения, имеет

пониженное содержание газов и большую плотность [257]. Вакуумная плавка способствует повышению пре­ дела усталости высокопрочных сталей и мало влияет на усталостный процесс для низкоуглеродистых сталей. На рис. 84 показано влияние выплавки в вакууме по срав­ нению с плавкой на воздухе на предел усталости для ста­ лей с разной исходной прочностью [258].

Положительный эффект повышения предела устало­ сти высокопрочных сталей и сталей со средней прочно­ стью в виде проволок или ленты оказывают электрошла-

6WtMfia

Рис. 84. Зависимость предел усталости — предел прочности для образоцов вы' сокопрочиой стали (258] цилиндрических (/) и плоских (2):

а — стали, выплавленные в вакууме; б — на воздухе; l — o w J<j в =0,5; //--0.35

ковый переплав и вакуумно-дуговая плавка. Однако эти методы получения стали значительно повышают ее стои­ мость. В. С. Иванова и В. Ф. Терентьев считают [170]', что использование этих энергетических и дорогостоящих способов выплавки дает нужный эффект только для ме­ таллов с а«?>700 МПа или для ав>1400 МПа. Рафини­ рование высокопрочных сталей значительно улучшает их способность к образованию локальной области пластиче­ ской деформации в вершине усталостной трещины.

Усталостная долговечность металлов и сплавов силь­ но зависит от состояния и свойств поверхностного слоя образца или детали. Все типы поверхностной обработки (пластическая, термопластическая или химико-термиче­ ская) влияют на протяженность стадии зарождения ус­ талостного разрушения. Качество механической поверх­ ностной обработки, определяющей микрорельеф поверх­ ности и, следовательно, концентрацию напряжений в ме­ стах надрезов, уменьшают стадию зарождения трещин в общем цикле усталостного процесса.

Микроскопические остаточные напряжения в поверх­ ностном слое возникают при любом виде поверхностной обработки. Растягивающие остаточные напряжения спо­ собствуют интенсивному образованию усталостных тре­ щин в то время, как сжимающие оказывают противопо­ ложное действие., Фазовый и химический состав по­ верхностного слоя оказывает положительное влияние на усталостные характеристики лишь в случае, когда уп­ рочненный поверхностный слой оказывает большее со­ противление воздействию циклической деформации, чем внутренние слои детали. Поэтому деформационное упроч­ нение поверхностного слоя, повышающее сопротивление протеканию циклической пластической деформации, — принятый способ повышения предела усталости железа и стали. Однако эффект может быть заметно уменьшен за счет циклического разупрочнения образцов в процессе нагружения.

Повышения уровня предела усталости деталей с ост­ рыми конструкционными надрезами достигают с помощью технологических обработок, прежде всего поверхностных участков. Наиболее часто используют механические, тер­ мические или химико-термические способы. Обработку проводят так, чтобы наряду с упрочнением поверхностного слоя материала в нем возникли сжимающие напряжения, которые компенсировали бы действие вредных растяги­

вающих напряжений во внутренних областях. Следует учитывать, например, что при циклическом кручении роль упрочненной поверхности максимальна в то время, как при растяжении — сжатии необходимо учитывать внутренние макроскопические деформации в объеме об­ разца или деталей. Известные технологические приемы увеличения предела усталости лабораторных образцов возможно использовать как базу для разработки методов упрочнения реальных изделий. Примером удачных реко­ мендаций может служить дробеструйная обработка по­ верхностных слоев деталей машин в потоке падающих на поверхность с большой скоростью стальных шариков. В этом случае достигается поверхностное упрочнение и образование сжимающих остаточных напряжений по­ верхностных участков. Соответствующее повышение пре­ дела усталости для различных металлических материа­ лов достигает около 20%. В отдельных случаях предел усталости после дробеструйной обработки оказывается ниже, чем после полировки образцов. Дробеструйная об­ работка эффективна для деталей с грубо обработанной поверхностью или .после ее предварительного обезуглеро­ живания. Когда необходима гладкая поверхность детали после дробеструйной обработки, то проводят тонкое шлифование (^0,1 мм), что сохраняет повышенный уро­ вень предела усталости.

При раскатке вследствие воздействия сжимающих напряжений возможно достичь значительного упрочнения и уровня остаточных напряжений при сохранении глад­ кой поверхности изделия, что позволяет повысить предел усталости на 20—80%. Эта обработка эффективна и для надрезанных изделий с внешними концентраторами на­ пряжений. Повышение предела усталости, полученное механическими способами упрочняющей обработки ста­ ли, возможно снизить или устранить последующим на­ гревом до 200—300°С, за счет снятия внутренних напря­ жений и разупрочнения поверхностного слоя.

Поверхностная закалка вследствие мартенситного превращения вызывает упрочнение поверхностного слоя и значительные остаточные сжимающие напряжения. Эти факторы повышают предел усталости как гладких, так и сложных по форме деталей до 90%. Однако поверхност­ ную закалку используют ограниченно для симметричных деталей с относительно простой формой. Очень высокий уровень упрочнения поверхностного слоя достигается при

химико-термической обработке металлических изделий (азотировании, цементации, нитроцементации и т. д). Повышение усталостных характеристик сопровождается увеличением сопротивления износу деталей машин. Ус­ талостные трещины 'при химико-термической обработке обычно зарождаются в подповерхностных слоях; повы­ шение aw от 5 до 97% в зависимости от характера напря­ женного состояния и глубины обрабатываемого поверх­ ностного слоя.

При восстановлении изношенных деталей или для увеличения сопротивления износу и коррозии изделий ча­ сто проводят их металлизацию такими металлами, как, например, кадмием, оловом, цинком и т. д. Эти покрытия мало влияют на величину ow, но электрохимическое на­ несение слоя хрома или никеля сильно понижает предел усталости (до 25%). Этот эффект вызван растягивающи­ ми внутренними напряжениями в слоях хрома или нике­ ля, что возможно устранить предшествующей дробест­ руйной обработкой или раскаткой.

Повышение предела выносливости можно получить после нанесения слоя пластических масс на поверхности деталей. После их отвердения затрудняются условия за­ рождения усталостных трещин в поверхностном слое металла. Нам представляется, что имеются определен­ ные неиспользованные возможности повышения сопро­ тивления материала циклическому воздействию за счет подавления зарождения усталостных трещин.

К конструкционным проблемам следует отнести про­ ектирование усталостных деталей машин с максимально возможным уменьшением концентраторов напряжений (надрезов, перепадов сечений, в узлах конструкций и т. д.). Важное значение при создании конструкций имеет сварочная технология, которая может вызывать трещи­ ны или дефекты в местах сварки* высокие внутренние на­ пряжения и значительное изменение свойств в зоне тер­ мического влияния. Сварочные работы следует выпол­ нять качественно, а места сварки подвергать тщательно­ му контролю.

Надежность работы деталей машин и конструкций при усталостном нагружении может быть снижена за счет таких эксплуатационных факторов, как локальная или общая перегрузка, возникновение резонанса, непредви­ денное влияние коррозионной среды, быстрая смена тем­ ператур и др. Для устранения неожиданных катастрофи­

ческих разрушений при усталости необходим системати­ ческий контроль поверхности изделий с целью обнару­ жения трещин (визуально, методами «порошка», флюо­ ресценции, вихревых токов, ультразвуковыми и магнит­ ными, по жесткости и собственной частоте колебаний и т. д.). В последнее время широко используют метод аку­ стической эмиссии, который позволяет при удачном рас­ положении датчиков и фильтров обнаружить места за­ рождения трещин и их распространение.

Г Л А В А IV.

ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА И МОДЕЛИ УСТАЛОСТНОГО ПРОЦЕССА

Рассмотрение процесса накопления усталостной по­ вреждаемости и разрушения с единых позиций атомно­ кристаллического строения металлов и сплавов в настоя­ щее время практически невозможно. С одной стороны, перспективная теория усталости должна быть микроско­ пической, характеризующей кинетику и динамику пла­ стического течения с учетом структурной неоднородно­ сти строения твердых тел, с другой, — должна учитывать макроскопические аспекты механики разрушения. В том

ив другом случае имеются многие трудности и ограни­ чения. На различных этапах разрушение изучают мето­ дами физики твердого тела, статистической механики структурно неоднородных тел и механики деформиру­ емых тел, не имеющих микроструктуры. Между ними су­ ществуют границы, определяемые особенностями вы­ бранных подходов для решения проблемы разрушения в целом. Существующие теории и механизмы усталости отражают современные представления о природе явления

ипредлагают в аналитической или количественной фор­ ме описание известных экспериментальных фактов. К таким теориям можно отнести дислокационные Орована

иЕкоборн, вакансионную И. А. Одинга, статистическую Н. И. Афанасьева, локального разрушения В. С. Ивано­ вой, механические и геометрические теории Фрейденталя — Вайнера, Шэнли, Вуда и др.

Вданной главе сделана попытка просуммировать рас­ смотренные ранее представления об отдельных этапах и

закономерностях накопления усталостной повреждаемо­ сти и представить общую феноменологическую карти­ ну этого сложного процесса. Основными факторами, оп­ ределяющими кинетику и динамику накопления повреж­ даемости, являются амплитуда напряжения (или дефор­ мации) п количество приложенных циклов нагружения. В условиях, когда нормированы такие факторы, как на­ пример, способ нагружения, температура, частота на­ гружения, тип материала и форма образцов и др., осно­ ву рассмотрения может составлять диаграмма усталости. На рис. 85 и 86 приведены схемы изменений различных характеристик и диаграммы усталости применительно

Рис. 85. Диаграмма усталости (Л) и схемы изменения некоторых структур­ ных и механических характеристик металлов в зависимости от величины

для условий усталостных испытаний низкоуглеродистой стали при растяжении — сжатии. Показаны характерные изменения структуры и свойств с повышением напряже­ ния аа при фиксированном числе циклов (см. рис. 85) и с повышением числа циклов нагружения N для выбран­ ной амплитуды напряжения (см. рис. 86).

На рис. 85 показаны основные дислокационные, структурные и поверхностные изменения при повышении рабочих амплитуд напряжений на участке стабилизации

где Nf — число циклов до разрушения при заданной ам­ плитуде напряжения. Воздействие амплитуд напряже­ ний в интервале до oW/ не вызывает необратимых изме­

нений дислокационной структуры металлов. В железе и стали имеют место обратимые локальные колебания

дислокационных сегментов между местами их закрепле­ ния примесными атомами, сегрегациями или выделения­ ми (D) или свободных концов дислокационных петель на поверхности или границах раздела. Остаточных струк­ турных или поверхностных явлений на этом участке выя-

Рис. 86. Диаграмма усталости (А) и схемы изменения некоторых структурных и механических характеристик металлов в зависимости от числа циклов на­ гружения при фиксированных значениях оа {а—е):

В и С — логарифмический декремент колебаний и его стабилизированное зна­ чение 6 S ; D — дислокационная структура, £ — развитие полос скольжения и

трещины на свободной поверхности; F — поверхностный рельеф; G — субструк­ турные изменения; Н — доля циклически деформированных зерен (заштрихо­ вано); / ( — петли гистерезиса; 5 — источник генерации дислокаций. Схемы В—К соответствуют амплитуде напряжений, соответствующей точке d на диаграмме усталости А

вить не удается (Е, F). Достаточно строго можно при­ нять выполнимость закона Гука при нагружении, что подтверждается наличием весьма малых закрытых пе­ тель гистерезиса (К) и амплитуднонезависимым участ­ ком внутреннего рассеяния энергии колебаний в мате­ риале испытуемого образца (В). Форма циклической кривой деформирования близка к линейной (С); остают­ ся неизменными также плотность и распределение дис­

локаций (G).

Увеличение амплитуд напряжений в диапазоне oa,l=:awc вызывает в отдельных микрообъемах металла протекание неоднородной пластической деформации (Я), связанной с отрывом дислокаций от мест их слабого за-