книги / Микропластичность и усталость металлов

том по микродеформацни. Крутильный маятник являетсй простей­ шей колебательной системой для изучения внутреннего трения и упругих свойств металлов в этом диапазоне частот (включая опы­ ты но упругому последействию). Первые удачные установки этого типа созданы Т. Ке, Ю. IB. Пигузовым и -В, С. Постниковым^ Даль­ нейшим развитием измерительных схем было создание конструкций обратного и компаунд маятников. На рис. 13, а приведена схема

ряют визуально или полуавтоматически с применением счетчика колебаний; при значительном затухании О6>0,05) используют фо­ торегистрирующую приставку. Релаксатор позволяет применять об­ разцы длиной 50—120 мм круглого или прямоугольного сечения в диапазоне частот колебаний от 0,2 до 100 Гц и температур нагрева до 2500°С. Интервал рабочих амплитуд деформации составляет от 10“6 до 10_3. Фон установки < 1 0 -4 единиц внутреннего трения. Возможны измерения в постоянных магнитных полях до 40000 А/м. На основе базовой модели РКМ ТПИ созданы измерительные го­ ловки с узлом деформирования, сверхпластпческого нагружения п для условий воздействия агрессивных сред.

Для опытов по микропластичности и усталости наибольший ин­ терес представляют амплитудные зависимости внутреннего трения

(АЗВТ). Погрешности, связанные с методами определения внутрен­ него трения и обработки данных, применительно к температурным н частотным зависимостям внутреннего трения обсуждались доста­ точно подробно. К сожалению, изучению погрешностей АЗВТ, несущих информацию о развитии и механизмах микропластичности в металлах и сплавах, внимание практически не уделялось. Статическая обработ­ ка результатов АЗВТ с целью определения доверительных интервалов для фона затухания 60, критических амплитуд деформаций начала АЗВТ екр1(укр1) и возникновения микропластичности 8|ф2(укр2), ин­

тенсивности затухания а, определяемой по углу наклона АЗВТ при 8>екр1(у > /укр1), выполнена в работе [40]*. Обработка данных про­

ведена по результатам массовых испытаний затухания колебаний образцов на низкочастотных установках типа РКМ — ТПИ.

Поскольку амплитудные зависимости декремента колебаний из­ меряют в широком диапазоне деформаций, охватывающем два — три порядка амплитуд, на всех участках должна быть обеспечена равноточность измерений.

Проверка гипотезы об однородности дисперсий при равном числе параллельных измерений во всех интервалах измеряемых амплитуд возможна по критерию Кохрена. На рис. 14, а представлена АЗВТ, построенная по данным 25 параллельных измерений (по оси ординат

i'int ; ^ мплитуАНая зависимость внутреннего трения отожженной стали 25Х2НМФА и зависимость дисперсии S2 и коэффициента вариации v декре­ мента колебаний от выбранного интервала измерений

отложены средние значения декремента); на рис. 14, б показана зависимость дисперсии определения среднего интервального значе­ ния декремента от интервала амплитуд по полупрозрачной шкале. Хорошо виден рост рассеяния результатов с увеличением амплиту­ ды деформации. Для серии параллельных измерений (см. рис. 14, а)

сделана проверка равноточности измерений, которая показала, что точность определения затухания во всех амплитудных интервалах неравноценна. Обычно полагают, что точность измерения внутрен­ него трения при не слишком большом затухании и визуальном ме­ тоде измерения составляет 4—5%. Область коэффициентов вариации разделена на две части: при о>5% и и=^5% (горизонтальная пунк­ тирная линия на рис. 14, б). Проверка однородности дисперсий для области, где v <5%, показала, что равноценность дисперсий может быть принята для узкого интервала амплитуд. В материалах с более высоким уровнем демпфирования (б> 10“2) неравноточность изме­ рений декремента будет усугубляться^, а интервал амплитуд, в кото­ ром наблюдается равенство дисперсий, сужается.

Параметр интенсивности затухания а, определяемый как тангенс угла наклона амплитуднозависимой части затухания к оси деформа­ ций, целесообразно оценивать методом наименьших квадратов. Практически всегда необходима проверка гипотезы линейности АЗВТ. Если повторные измерения не проведены, то данные наносят на график и исследуют его визуально. Приведем пример ненадеж­ ности такого подхода.

Были поставлены измерения АЗВТ на образцах чистого железа [0,007% С (по массе)[| в вакууме 0,13 Па и в магнитном поле на­ сыщения одним исполнителем на одном образце без демонтажа его из релаксатора. Выполнено 15 измерений АЗВТ в интервале ампли­ туд деформаций от 0,5 до 7,3 *10“6 через интервалы между изме­ рениями не менее 4 ч. Визуальный анализ отдельно взятых АЗВТ не вызывал сомнения в ее линейном характере. Расчеты показали, что отношение дисперсий значительно больше табличного значения F0t0 и что гипотеза линейности должна быть отброшена.

Для воспроизводимости метода поставлены специальные серии экспериментов на базе 20—25 параллельных измерений. Полученные данные предварительно проверяли на равноточность и для дальней­ шей статистической обработки выбирали интервалы амплитуд,'для которых наблюдалось равенство дисперсий и выполнялась гипотеза о линейности затухания. Коэффициент вариации при определении фона затухания на серии из 25 разных образцов, деформированных волочением на 5% (нестабильное структурное состояние), составил 5%. Коэффициент вариации при определении фона на одном отож­ женном образце на серии из 25 параллельных измерений, выполнен­ ных без демонтажа образца, около 3% (v = 2,97%). Точность оп­ ределения фона затухания достаточно высокая (затухание составля­ ло в первом случае — 28• Ю"”4 и во втором — 8 -10~4) . На разных образцах после их деформации на 5% волочением коэффициент ва­ риации определения параметра интенсивности составил 30% (серия из 20 образцов). Столь большую вариацию в определении интенсив­ ности затухания следует учитывать при обсуждении результатов из­ мерений АЗВТ в структурно нестабильных материалах/

Имея эмпирическое уравнение регрессии, полученное методом наименьших квадратов для АЗВТ и зная уровень фона, легко оп­ ределить значение критических амплитуд начала АЗВТ и возникно­ вения микропластичности в металлах. Коэффициент вариации

определенный на серин из 20 параллельных измерений на предвари­ тельно деформированных волочением образцах, составил примерно 15%. Для стабильного состояния после отжига в серии из 20 па­

раллельных измерений на одном образце погрешность определения для укР1 не превышала 5%, для укр2 — 9%.

Полученные результаты свидетельствуют о необходимости авто­ матизации измерений внутреннего трения. Автоматизацию установок типа крутильного маятника осуществляли при помощи обратной свя­ зи при соответствующей фазовой коррекции для получения автоко­ лебаний исследуемого образца с постоянной амплитудой. Основная трудность при создании таких устройств заключается в разработке датчика малых перемещений для получения сигнала, пропорциональ­ ного угловой скорости колебаний маятника. На рис. 13, б представ­ лена схема измеоительной головки автоматического релаксатора РКМ-ТПИ-А |[41;]. Прибор позволяет проводить непрерывную реги­ страцию при измерениях внутреннего трения. Автоматическая си­ стема создания режима автоколебаний посредством отрицательной обратной связи снабжена компактным фотоэлектрическим преобра­ зователем механических колебаний и не требует фазовой коррекции. Рабочие параметры установки те же, что и у базовой РКМ — ТПИ. Чувствительность прибора к относительным изменениям внутреннего трения достаточно велика (0,05%), максимальный диапазон изме­ ряемых величин декремента колебаний составляет 2 *10-2.

Другим направлением автоматизации измерений в низкочастот­ ных установках является применение высокоточных дискриминато­ ров, определяющих число затухающих колебаний при уменьшении амплитуды в п раз, или таймеров, измеряющих время между двумя уровнями колебаний. Выходные сигналы приборов, пропорциональ­ ные декременту колебаний, времени и температуре, регистрируются на лентах цифропечатающих машин или выводятся после аналогоцифрового преобразования на ЭЦВМ. Запись затухающих колебаний возможна с помощью ЭВМ [42]. Для исследований, проводимых систематически в больших объемах Институтом кибернетики и Ин­ ститутом проблем прочности АН УССР, предложена система полной автоматизации определения АЗВТ при 'б ^ Ы О -2 [43].

Имеется ряд интересных решений по созданию низкочастотных методик исследования внутреннего рассеяния энергии при про­

ные или продольные колебания стержней. Однако их более удобно разделять по способу возбуждения — приема колебаний: пьезоэлек­ трический, электростатический и электромагнитный. Высокочастот­ ные установки позволяют проводить измерения внутреннего рассея­ ния энергии в материалах при больших амплитудах и изучать ме­ ханизмы проявления микропластичности при малых деформациях.

Дж. Маркса). Автоматические системы этого класса используют ав­ токолебательное возбуждение, измерение вводимой мощности для поддержания постоянной амплитуды колебаний образца и автома­ тическую регистрацию внутреннего трения на самописцах. Метод по­ лучения высоких амплитуд деформаций в металлических образцах и измерения в этих условиях внутреннего трения и дефекта модуля в настоящее время значительно усовершенствован и позволяет оп­ ределить Q -1 и AM при значениях последних 10"4 — 0,2 в диапазоне амплитуд деформации 10~7—10-2. В работе [44] описана система

из двух четвертьволновых стержней различной площади. На торце ступенчатого концентратора в узловой точке закреплен ообразец осо­ бого типа. При измерении внутреннего трения такой концентратор З1меет существенные преимущества, так как при большом коэффидиенте усиления амплитуды, равном 625, большая часть рассеяния энергии в преобразователе вызывается импедансом образца. Погло­ щение энергии преобразователем и концентратором может быть из­ мерено отдельно и вычтено из общей величины рассеяния энергии. Экспоненциальный концентратор (рис. 15, б) обладает преимуще­ ством в том случае, когда затухание в образце достигает высоких значений. Форма образца дает дополнительное увеличение дефор­ мации почти в пять раз и поэтому, если выдержит образец, то мож­ но получить деформацию ~ 1 0 “2. Обычно резкое возрастание рас­ сеяния энергии или появление усталости в образце происходят рань­ ше, чем достигается это значение деформации.

Приборы с электростатическим (или электродинамическим) воз­ буждением обладают высокой точностью, благодаря отсутствию воз­ действия аппаратных потерь на затухание в бесконтактной системе возбуждения (приема) колебаний. В этих приборах рассеяние энер­ гии измеряют методом вводимой мощности или по затуханию коле-

электрод; 4 — ступенчатый концентратор

баний. Имеются приборы, обеспечивающие непрерывную регистрацию зависимостей внутреннего трения от температуры или обработку дан­ ных на ЭЦВМ [73]. Для АЗВТ установок такого класса мало. Элек­ тромагнитное возбуждение колебаний нашло широкое применение благодаря большим возможностям варьирования таких параметров, как температура нагрева, амплитуда деформации, время выдержки, длительность тренировки и т. д., а также аппаратурной простоты. Имеются дистанционные установки для измерения внутреннего тре­ ния и модулей упругости с автоматической записью кривой АЗВТ в дискретном режиме. Разработан прибор для автоматической ре­ гистрации энергии и модулей упругости при изгибных или крутиль­ ных колебаниях стержней в диапазоне частот 0,5—5 кГц, амплитуд деформаций 10-7—10-4 и температур —196— 1-600°С [36]. В Туль­ ском политехническом институте С. А. Головиным, А. А. Морозюком и др. создана установка, использующая дифференциальную схему

измерений и позволяющая регистрировать разность сигналов от об­ разца-эталона и измеряемого образца (рис. 16). Это значительно повысило разрешающие возможности установки. Однако высоко­ частотные установки двух последних классов интересны для изу­ чения усталости металлов как косвенные методы. Прямые измере-

Имя упругих й неупругих характеристик в ходе процесса развития усталости пока весьма ограничены.

Те же ограничения характерны н при использовании ультразву­ ковых установок, работающих в диапазоне от десятков килогерц до согек мегагерц. Однако в последние годы появились оригинальные приборы и устройства, позволяющие регистрировать поглощение ультразвука в металлических образцах при статическом или цикли­ ческом деформировании [45—47]. Ультразвук позволяет выделить остаточный эффект от локальной пластической деформации 10-5— 10“6, что дает возможность изучения самых разных стадий разви­ тия микропластичности при нагружении.

Развитие микропластичности в процессе циклического нагруже­ ния стали можно зафиксировать, измеряя время достижения задан­ ных пределов по нагрузке, если нагружение образцов проводить при постоянной скорости [48]. Если время т необходимо для заверше­ ния полуцикла, то неупругие эффекты приводят к его увеличению на величину Ат. При образовании незамкнутых петель гистерезиса для разгружения требуется время меньше, чем т+Дт. Регистрация времени, необходимого для нагружения и разгружения в процессе повторяющихся циклов, позволяет наблюдать кинетику перехода от упругости к микро-, а затем и к макропластичностн. Для низкоуг­ леродистой стали (0,17% С) обнаружены пиковые изменения микро­ деформации, вызванные выходом дислокаций на свободные поверх­ ности и эффектом Баушингера в микрообъемах. Однако количест­ венный анализ неупругих эффектов при использовании метода «контроля времени» весьма затруднителен.

При изучении развития пластической деформации ферромагнит­ ных материалов на начальных стадиях нагружения необходимо из общей деформации исключать деформацию, обусловленную магни­

3. ХАРАКТЕРИСТИКИ УСТАЛОСТИ И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

' Процесс усталости характеризуется накоплением повреждаемоcm и специфическим разрушением образцов, деталей машин и кон­ струкций при повторном механическом нагружении. На кинетику и механизм процесса оказывает влияние большое количество факто­ ров. Характеристики циклической прочности зависят от типа и спо­ соба нагружения, параметров и возможностей испытательных ма­ шин, а также измерительной аппаратуры.

Критерием устойчивости материала против воздействия повтор­ ных нагружений в настоящее время принят предел усталости, т. е. наибольшая амплитуда напряжения, при котором материал выдер­ живает бесконечно большое число циклов (или заданную базу циклов), не разрушаясь. Диаграмма Велера хорошо иллюстрирует область ограниченной долговечности и предел усталости при про­ должительных массовых испытаниях образцов. Естественным явля­ ется стремление разработки ускоренных методов испытаний, позво­ ляющих с достаточной достоверностью определять характеристики циклической прочности. В соответствии с современными представ­ лениями о физической природе усталостного процесса возможно

использовать в качестве критерия усталостной прочности диаграм­ мы циклического деформирования. Перспективным является так­ же подход, при котором оценивают условия торможения усталост­ ной трещины без конечного разрушения детали. Методы и оборудо­ вание для проведения длительных и ускоренных испытаний метал­ лов, деталей машин и механизмов при переменных нагрузках в ус­ ловиях воздействия среды, температуры и других факторов весьма разнообразны. Упрощенная схема методов усталостных испытаний приведена на рис. 17.

Характеристики повторного нагружения. Деталь или конструк­ ция при эксплуатации может быть механически нагружена законо­ мерно или случайно. В первом случае имеется возможность пред­ сказать ход воздействия нагрузки из определенных математических соотношений. Такое воздействие нагрузки может быть периодиче­ ским с медленно изменяющимся средним напряжением, гармониче­ ским, сложно периодическим или непериодическим (квазинепрерывным или переходным).

Когда деталь нагружена случайно, реализуется стационарное или нестационарное нагружение. При нестационарных колебаниях изменение амплитуды напряжения, среднего напряжения или их совместное изменение зависят от времени нагружения.

В работе [49] на основе статистической обработки данных по эксплуатации деталей машин и конструкций получены следующие соотношения реализуемых в практике типов нагружения: 2 % — с постоянными амплитудными значениями напряжений при синусо­ идальной форме цикла: 5 % — с постоянной амплитудой нагруже­

ционарное случайное нагружение (спектр амплитуд и средних ве­ личин напряжений); 13%— переходное нагружение (удар и зату­ хание); 5% — случайное нагружение.

Отсюда следует, что только приблизительно 20% всех рабочих нагружений соответствует постоянной амплитуде. Именно при та­ ких условиях проводят большинство экспериментов и испытаний лабораторных образцов и деталей машин. Это упрощение значи­ тельно ухудшает возможности использования результатов, получен­ ных в условиях лабораторных и стендовых испытаний, для оценки усталостной прочности реальных деталей машин и конструкций.

Приближение условий эксперимента к реальному рабочему на­ гружению конкретных деталей или конструкций трудоемко и требу­ ет больших затрат. Примером такого подхода является создание комплексной регистрационной установки с выводом на ЭВМ, опи­ санной в работе [50].

При выборе метода испытаний следует учитывать его соответ­ ствие спектру рабочих циклов нагружения. Поэтому образец, деталь или конструкцию подвергают воздействию нагрузки по заданной программе с определенным числом циклов при вполне определен­ ных условиях эксперимента. Достаточно чувствительная аппарату­ ра позволяет оценить следствия такого нагружения. Для этого не­ обходимы высокая точность измерения амплитуд деформаций, сдви­ га фаз и частоты нагружения. Возможность искажения спектра ис­ тинного нагружения при эксперименте и недостаточная точность его воспроизведения на испытательной машине затрудняют ис­ пользование метода. Однако именно этот подход представляется

I1 нс. 17 (л.ома MI' го;

наиболее важным и перспективным. Часто сложность И случай­ ность эксплуатационного нагружения учитывают с помощью коэф­ фициента, в то время как предел усталости образца или детали определяют при гармонический колебаниях.

Определение усталостных характеристик проводят при таких простых способах нагружения, как одноосное растяжение — сжатие, плоский изгиб, чистый изгиб при вращении или повторном круче­ нии. Кроме симметричных циклов нагружения часто реализуется сложное нагружение, которое характеризуется максимальной и ми­ нимальной амплитудами напряжения стл и iOd, амплитудой напря­ жения цикла «То, средним напряжением <тт и показателем асиммет­ рии цикла R. Взаимное соотношение величин хорошо известно в виде O a = ( ( J h —<Jd)l2, i(Jm = (Ол+ Od)/2, /?=<7<*/<7л.

Когда —1 < R < 0 , циклическое нагружение характеризуется положительным средним напряжением. При знакопостоянном цикле

= —с». Для переменного нагружения с отрицательным средним напряжением —оо< / ? < —I.

Различные комбинации простых способов нагружения и пока­ зателя асимметрии цикла позволяют реализовать более сложные схемы, например двухосное растяжение пли сжатие, растяжение или сжатие с одновременным изгибом, растяжение или сжатие с кручением, изгиб и кручение, двухосное растяжение при внутрен­ нем давлении, растяжение—сжатие с одновременным кручением и внутренним давлением; плоский изгиб с кручением и растяжени­ ем и т. д. В специальную группу испытаний входят измерения кон­ тактной поверхностной усталости.

{ Установки и оборудование для усталостных испытаний. Для воспроизведения основных характеристик нагружающего цикла из­ делия или для выполнения экспериментальных задач выбирают та­ кую испытательную машину, которая позволяет нагружать образец пли деталь с заданной программой. Для принятого размера микро­ образца, образца, детали или конструкции и исходных свойств ма­ териала подбирают параметры динамической силы, амплитуды на­ пряжения, размаха захватов и т. д.

Испытательная установка должна обеспечивать жесткое и ста­ бильное закрепление цилиндрических или плоских образцов, прово­ лок, полых тел, конкретных деталей или конструкций и их дефор­ мирование (деформация нагружающих устройств должна быть ис­ ключена). Для резонансных усталостных машин форма и размеры образцов должны соответствовать резонансным условиям при вы­ бранной частоте нагружения. Для композиционных, металлокерами­ ческих пли волокнистых материалов часто необходимо конструи­ рование специальных типов закреплений.

Нагружение в испытательных установках достигается разными способами: механическим приложением нагрузки, воздействием пружины, вращением неравновесных масс, электрическим, электро­ магнитным, гидравлическим, пневматическим, резонансным и др. Некоторые приборы и устройства позволяют нагружать образцы постоянной амплитудой напряжения или постоянной суммарной амплитудой деформации с высокой стабильностью избираемого ре­ жима нагружения. Совместно с универсальными испытательными установками производственных марок «ZDiM», «ZWICK», «INST-