книги / Разрушение при малоцикловом нагружении

d,Ml\a

Рис. 5.21. Кривые статического раетшкешш при 20° С (я: 1 — АД-33, 2 — сталь ТС, 3 — сталь 22к) и п диапазоне температур сталей Х18И10Т {б), ТС (я), 22к (б - г )

мать некоторое изменение ого сечения при пересчете па «здоровый» материал [15] под действием циклических и односторонне накоп­ ленных деформаций).

При статическом растяжении металлические материалы также в зависимости от структурного состояния ведут себя неодинаково.

Если об упрочнении пли разупрочнении судить по изменению условных напряжений, величина которых зависит от истинного

201

Рос. 5.22. Изменение ширины петли пластического гистерезиса сталей Х18Н10Т, ТС и 22к о зависимости от температуры испытания

сечения образца, то для циклически упрочняющихся материалов при статическом нагружении с измерением поперечных деформа­ ций, контролирующих изменение сечения при деформировании, практически до момента разрушения наблюдается рост условных напряжений (кривая 1 па рис. 5.21, а), т. е. упрочнение матери­

ала за счет пластической деформации протекает более интенсив­ но, чем разупрочнение за счет уменьшения сечения. У разупрочняющихся материалов большая доля накопления деформаций (еь <С < 0,5 е0ощ, где гъ — деформация, соответствующая пределу прочности аь) при статическом нагружении сопровождается па­ дением условных напряжений (кривая 2 на рис. 5.21, а). Для циклически стабилизирующегося материала (кривая 3 на рис. 5.21, а) имеют место практически равные участки упрочне­

ния (роста напряжений) и разупрочнения (падения напряжений), т. е. еь = 0,5 е0бщ. Причем, как и при циклическом деформиро­

вании, начальная стадия статического растяжения у всех типов материалов характеризуется упрочнением (ростом напряжений до оь).

Условия нагружения, как правило, изменяют характер по­ ведения материала. Циклически стабильные материалы при ис­ пытании при повышенных температурах склонны к упрочпепию, как это можно видеть по кривым на рис. 5.21, б и 5.22, а для

аустенитной стали Х18Н10Т, являющейся циклически стабиль­ ной при комнатной температуре (кривые 1 на рис. 5.21, б и 5.22, а).

Увеличение температуры испытания этой стали резко увеличи­ вает значение равномерной деформации еь па кривых статическо­

го растяжения вправо. Причем длительность периода упрочне­ ния увеличивается с повышением уровня температуры (T$60° > > ПГ > rtf0 > "Ль0 ). Увеличение Т1Ь с ростом температуры

202

Таким образом, длительность стадий циклического упрочне­ ния, разупрочнения и стабилизации для металлических мате­ риалов может быть оценена по кривым статического растяжения, представленным в координатах условное напряжение—стати­ ческое повреждение т| = е/евсщПри этом длительность стадии

т. е. длительность стадий упрочнения, разупрочнения и стабили­ зации определяется тем, как сильно т]ь отличается от 0,5.

Следует отметить, что разделение материалов на циклически упрочняющиеся и разупрочняющиеся является условпым и от­ мечает лишь преобладающий характер поведения. В тех случаях, когда материалы характеризуются по истинным напряжениям и деформациям, такое разделение материалов может оказаться неправомерным [109].

Если длительность стадий зависит от величипы равномерной деформации при статическом растяжении т]ь, то интенсивность упрочнения, как было показано в разд. 5.2, определяется пласти­

тем интенсивнее упрочняется материал. Например, для стали Х18Н10Т величина (о^, — <JP)/сгь равна приблизительно 1,5, а дли алюминиевого сплава АД-33 только лишь 0,25, т. е. значении (оь — ор)1аь отличаются в 6 раз (соответствующие кривые 1 на

рис. 5.21, а, б). Вместе с тем АД-33 является материалом упрочня­ ющимся (т|Ь= 0,9), а сталь Х18Н10Т — циклически стабильным (“Ль = 0,5). С изменением условий нагружения (температуры испытания) отношение (аь — ар)/сгь также изменяется, а вместе ними изменяется и интенсивность упрочнения.

Тип материала определяет характер накопления поврежде­ ний при циклическом нагружении [43, 44]. Если Np < 103 цик­

лов, то при жестком нагружении накопление повреждений с ростом числа циклов может быть описано (см. гл. 4) в виде

оо

где б — ширина петли пластического гистерезиса; Np — раз­

рушающее число циклов; е — деформация при статическом раз­ рыве, которая может быть и удлинением на базе измерения цикли­ ческих деформаций [65]; для материалов и условий нагружения,

204

Рис. 5.23. Характер образования шейки при статическом разрыве образца разуирочняющейся (а) и упрочняющейся (б) стали

Рис. 5.24. Характер кривых статического растяжспия упрочняющегося, разупрочняющегося и циклически стабилизирующегося материалов (а) и изменение циклических свойств (б)

жеыие при статическом разрушении); Ае — односторонне накоп­ ленная деформация.

В зависимости от типа материала величина е может отличаться как от еист, так и от епст/2. В связи с этим различными авторами

Такое различное толкование е = С связано, по мнению ав­ тора, прежде всего с особенностями разрушения различных ти­ пов материалов па заключительной стадии статического дорыва. Как показывает эксперимент, материалы, у которых заключи­ тельная стадия статического разрушения сопровождается обра­ зованием шейки (рис. 5.23, а), прп испытании на малоцикловую

205

усталость показывают е < eJtCT. Если развитая шейка отсутству­ ет (рис. 5.23, б), е = еПСтКривая; статического растяжения для материалов, у которых шейка образуется по типу рис. 5.23, а,, как правило, имеет вид кривой 1, представлеипой на рис. 5.24.

При нагружении такого материала несущая способность образца исчерпывается в точке S , когда начинается динамический дорыв образца с образованием шейки по типу рис. 5.21, а. Такой тип

разрушения характерен для разупрочияющихся высокопластич­ ных материалов (например, сталь ТС). При динамическом дорыве интенсивное шейкообразовапие вносит существенный вклад в e„CT и для большинства сталей (для которых выполняется зависимость Коффина) е оказывается равной половине еИСтПри таком обра­ зовании шейки ответственной за несущую способность образца (в том числе и при малоцикловом нагружении) является истинная деформация, определенная на стадии начала динамического до-

оказывается отличной от е„ст/2. Для упрочняющихся материалов обычно разрушение при однократном разрыве носит хрупкий характер (по типу рис. 5.23, б) без образования развитой шейки (по типу рис. 5.23, а), и тогда уравнение Коффина лучше выпол­ няется, если принять е = б „ ст . Наличие локализованной шейки (рис. 5.23, а) не так сильно сказывается на величине удлинения.

Поэтому в тех случаях, когда испытание на малоцикловую уста­ лость осуществляется с измерением продольной деформации, зависимости (4.52) и (4.53) хорошо выполняются, если в них в качестве е принять удлинение при статическом разрыве, опре­ деляемое на базе измерения циклических деформаций.

В связи с тем что истинная деформация енот в шейке сильнолокализуется (деформация, возникающая в момент спонтанного дорыва в момент исчерпания несущей способности образца), не удается связать между собой механические свойства и харак­ теристики пластичности (рис. 5.25). Однако если такое сравнение сделать по удлинению, для которого вклад деформации, лока­ лизованной в шейке, не столь существен, то видно (рис. 5.26), что между механическими характеристиками (от и оь) и удлине­

нием отдельных классов материалов паблюдается определенная связь. Причем чем выше предел текучести, тем ниже удлииениег и для низкопрочных состояний (состояния с низкими пределами: текучести, например после отжига) существует предельное зна­ чение для данного класса материалов предела текучести, которое определяется, по-видимому, свойствами матрицы в чистом состоя­ нии (например, a -железа для сталей), а удлинение при этом мо­ жет отличаться за счет разных уровней равномерного удлинения.

Следует отметить, что при статическом разрушении точке &

на диаграмме разрушения (рис. 5.24) соответствует стадия, когда участок равномерной деформации па рабочей базе образца прак­ тически полностью исчезает и деформация пачинает локалпзо-

206

Рис. 5.25. Зависимость механических и пластических свойств кон­ струкционных материалов

JZs

Рис. 5.27. Единая кривая усталости металлических материалов при жест­ ком нагружении

ваться в малом объеме. На рис. 3.14 показано, что при стати­ ческом деформировании образца с ростом величипы деформации размер равномерно деформирующегося участка уменьшается. При увеличении деформации в момент сближения точек, огра­ ничивающих участок с равномерной деформацией, происходит исчерпание несущей способности образца и начинается его спон­ танный дорыв, деформация на котором в зависимости от типа материала может вносить существенный вклад в истинную де­ формацию, определяемую по поперечному сужению, измеряемо­ му после разрушения образца. Деформация (истинная, если испытание при циклическом нагружении осуществляется с из­ мерением поперечных деформаций, или удлинение, если изме­ рение производится поперечпым деформометром) в момент ис­ чезновения участка с равномерной деформацией и начала спон­ танного разрушения и является ответственной за сопротивление циклическому разрушению и должна, как показывает экспери­ мент, приниматься в качестве расчетной при определении долго­ вечности по зависимостям (4.52) и (4.53). Деформация дорыва, но-видимому, имеет лишь существенное зпачение для техноло­ гических операций (ковка, штамповка, прокатка и т. д.).

Ранее было показано (см. гл. 4, рис. 4.16 и 4.17), что если принять за еСт удлинение в уравнениях (4.52) и (4.53), то дапные Коффина (а также и наши) лучше соответствуют эксперименту, чем при е = 0,5 е,1СТ.

209

Рис. 5.28. Единая кривая малоцикловой усталости стали ТС (га = —1) при различных температурах мягкого нагружения

1 — 20° С, 2 — 270е С, Л — 350" С , 4 — 450е С, S — 550° С

Как следует из зависимости (4.21), при малом числе циклоп нагружения сопротивление разрушению определяется преиму­ щественно пластическими свойствами, и для всех материалов при Np 103 циклов может быть построена единая кривая усталрсти в координатах б/е — Np (рис. 5.27).

При мягком нагружении для материалов одного и того же класса или для одного и того же материала при различпых темпе­ ратурах (за исключением интервала, температур интенсивного деформационного старения) также может быть построена едипая

ческому разрушению определяется не только пластическими,

При сравнительном выборе материала в случае одинаковых исходных пластичностей (удлинений) важно также знать, каким образом (прогрессирующее у разупрочняющихся и с убыванием для упрочняющихся материалов) эта пластичность реализуется (исчерпывается). Темп исчерпания пластичности будет зависеть также и от уровня действующего напряжепия (деформации) в цикле.

Таким образом, как вытекает из зависимости (4.53), наиболь­ шее сопротивление малоцикловому разрушению оказывают ма­ териалы, у которых больше пластичпость на стадии потери устой­ чивости пластической деформации (точка S на рис. 5.24) и наи­

большие сопротивлепия деформациям при циклическом и ста­ тическом нагружениях, т. е. наибольшие предел текучести и пластичность. Те материалы, у которых больше пластичность (е в точке S, рис. 5.24) и предел текучести, лучше сопротивля­

ются малоцикловому разрушению. В связи с этим материалы мо­ гут быть охарактеризованы величиной энергоемкости, опреде­ ляемой как оте.

210