книги / Физика прочности и механические испытания металлов.-1

Тема 8. УСТАЛОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Вопросы по теме

1.Понятие об усталости и циклах нагружения.

2.Характеристики сопротивления усталости. Проведение испытаний.

3.Влияние различных факторов на сопротивление усталости.

4.Стадии усталостного разрушения. Фрактографические особенности усталостных изломов.

5.Влияние структурных факторов на сопротивление усталости.

6.Пути повышения усталостной прочности сталей и сплавов.

8.1. Понятие об усталости и циклах нагружения

Усталостью называют разрушение под действием циклически повторяющегося напряжения, много меньшего предела текучести. Термин «усталость» впервые был введен в 1839 г. французским инженером Ж.-В. Понселе, который отмечал снижение прочности чугунных и стальных конструкций при периодическом воздействии растягивающих и сжимающих напряжений.

Деталями, которые традиционно разрушаются от усталости, являются все узлы подвижного железнодорожного состава: вагонные рамы, оси колеса, сцепки, а также железнодорожные рельсы. Усталостному разрушению подвержены валы двигателей, валышестерни, компрессорные лопатки и т.п. Иногда проявление усталости является неожиданным. Так, по причине усталости разрушаются провода высоковольтных ЛЭП из-за раскачивания их ветром.

До этого мы всегда имели дело с монотонным нагружением. Для характеристики напряжений при циклическом (усталостном) нагружении недостаточно знать только σmax. В данном случае не менее важным является то, как изменяется напряжение за цикл нагружения. Циклом нагружения называют множество значений напряжения за один период его изменения Т. Параметрами цикла нагружения являются: максимальное напряжение цикла σmax; ми-

161

нимальное напряжение цикла σmin; коэффициент асимметрии цикла

1

R = σmin / σmax; среднее напряжение цикла σm = 2 (σmax + σmin) и ампли-

туда цикла, т.е. максимальное отклонение от среднего σa = 12 (σmax –

– σmin). В графическом виде все эти параметры показаны на рис. 8.1.

σ

σmax σa

σm

σmin

τ

Т

Рис. 8.1. Цикл нагружения и его характеристики

Для полного описания цикла нагружения из этих пяти характеристик достаточно знать любые две, остальные можно рассчитать.

Наиболее часто в лабораторной практике встречаются симметричный и отнулевой положительный циклы. При симметричном цикле σmin = –σmax, тогда R = –1, σm = 0, а σa = σmax. Такой цикл наиболее легко создать и поддерживать во время испытаний, поэтому он очень популярен у механиков.

При отнулевом положительном цикле: σmin = 0, тогда R = 0, σm = σa = 12 σmax. Такой цикл наиболее часто используют металло-

веды, поскольку при таком цикле влияние структуры наиболее значительно. Кроме того, для них важным является то, что в таком цикле сохраняется микрорельеф поверхности разрушения. Это дает возможность ее последующего изучения с помощью сканирующего электронного микроскопа.

162

8.2. Характеристика сопротивления усталости. Проведение испытаний

Проведение испытаний на усталость регламентируется ГОСТ 25.502–79 и ГОСТ 25.504–82.

Оборудованием для усталостных испытаний являются специальные усталостные машины, которые отличаются большим разнообразием. По характеру нагрузок их делят на следующие типы: машины на растяжение-сжатие, изгиб, кручение, машины для испытаний повторными ударами, испытаний в условиях сложного напряженного состояния, испытаний на контактную выносливость. В пределах каждого из указанных типов возможно дополнительное деление в зависимости от конструкции нагружающих механизмов: машины с нагружением непосредственно грузами, машины с рычажными устройствами, машины с кривошипными или кулачковыми механизмами, машины с гидравлическим, пневматическим и электромагнитным нагружением. Самыми прогрессивными, безусловно, являются машины с электромагнитным нагружением, которые могут обеспечивать нагружение с частотой в несколько десятков килогерц и, таким образом, позволяют проводить не только мегацикловые, но и гигацикловые испытания.

Все эти машины обеспечивают нагружение по двум вариантам:

–мягкому (σ = const, ε = var);

–жесткому (σ = var, ε = const).

Образцы для испытаний на усталость также весьма разнообразны, вплоть до использования в качестве образцов небольших отрезков готовой металлопродукции – железнодорожных рельсов, арматуры, рессорных полос и т.д.

Наиболее простой машиной для усталостных испытаний, и поэтому одной из самых первых, была машина для испытаний на изгиб с вращением (рис. 8.2): в суппорт токарного станка устанавливают образец, который представляет собой половинку разрывного образца, нагружают фиксированной нагрузкой, приводят образец во вращение и ждут, когда образец разрушится, фиксируя при этом число циклов до разрушения.

163

По мере снижения напряжения число циклов N до разрушения увеличивается, и при некотором значении напряжения разрушение не происходит вообще. Вот такое максимальное напряжение, под действием которого разрушение не происходит за сколь угодно большое число циклов нагружения, и называют пределом выносли-

вости σR.

Минимальным или базовым числом циклов нагружения, после которого неразрушившийся образец снимают с испытаний, считают

N = 107.

Оказывается, что диаграмму, внешний вид которой показан на рис. 8.3, имеют далеко не все материалы, а только железо, титан, магний и сплавы на основе этих металлов. Эти материалы называ-

ют материалами с физическим пределом выносливости. Все осталь-

ные материалы, в том числе и неметаллические, имеют диаграмму, показанную на рис. 8.4.

Предел выносливости у таких материалов условный: для его определения необходимо задаться условием, а именно – числом циклов, при котором разрушение гарантированно не произойдет.

165

Если рабочее число циклов N1, то допустимый уровень напряжения σ1, если же число циклов N2, то напряжение должно быть значительно ниже и не превышать σ1.

8.3. Влияние различных факторов на сопротивление материалов усталости

Влияние температуры. Если изменение температуры не сопровождается фазовыми превращениями, то с понижением температуры сопротивление усталости возрастает, и при температуре жидкого азота предел выносливости примерно в 1,5–2,5 раза выше, чем при комнатной температуре:

σ−R196 /σ+R20 ≈ 1,5...2,5.

Влияние частоты нагружения. С увеличением частоты нагружения наблюдается небольшое, не более чем на 5–10 %, увеличение предела выносливости. Правда, при очень высоких частотах могут начать сказываться другие факторы, например разогрев образца.

Окружающая среда. Окружающая среда влияет исключительно сильно. Так, для меди предел выносливости в вакууме примерно в 10 раз выше, чем в сухом воздухе. Во влажном воздухе предел выносливости падает еще примерно в 2 раза. Переход к жидким средам еще в несколько раз снижает сопротивление усталости (случаи так называемой коррозионной усталости).

Состояние поверхности. Состояние поверхности играет особую роль, поскольку в абсолютном большинстве случаев усталостное разрушение начинается именно на поверхности. Наличие на поверхности мелких, часто микроскопических, неровностей, царапин, подрезов и т.п. снижает предел выносливости на несколько десятков процентов.

Масштабный эффект (не путать с масштабным фактором). В начале 30-х гг. прошлого века было замечено, что предел выносливости зависит от размеров образцов, деталей или конструкций, и чем больше сечение объекта, тем, при прочих равных условиях,

166

ниже предел выносливости. Объяснение данного явления заключается в том, что статистически присутствие более крупных дефектов в более массивных деталях или образцах более вероятно.

8.4. Стадии усталостного разрушения. Фрактографические особенности усталостных изломов

Усталостное разрушение происходит в три стадии: первая стадия – это постепенное накопление микроповреждений до появления трещины, вторая стадия – это собственно распространение усталостной трещины, третья стадия – долом (рис. 8.5).

lgN

Рис. 8.5. Стадии усталостного разрушения: область слева от линии 1 – накопление усталостных микроповреждений, область между линиями 1 и 2 – рост усталостной трещины, область между линиями 2 и 3 – долом

Этим стадиям усталостного разрушения на поверхности усталостного излома соответствуют три зоны (рис. 8.6): зона 1 – зона очага, которая располагается обычно на поверхности или вблизи поверхности в зоне действия какого-либо концентратора напряжений; зона 2 – зона собственно усталостного роста трещины; зона 3 – зона долома, которая не является усталостной, а чаще всего представляет собой область окончательного хрупкого разрушения.

Концентраторы напряжений могут быть конструкционные, монтажно-эксплуатационные и структурные или внутренние. К конструкционным концентраторам можно отнести резьбу, шпо-

167

ночные пазы, отверстия и т.п. К монтажно-эксплуатационным концентраторам обычно относят различные риски, царапины, подрезы, возникающие при сборке или эксплуатации.

3

2

Рис. 8.6. Зоны на поверхности усталостного излома: ПК – поверхностный концентратор напряжений в виде паза под шпонку; 1 – очаг

(очаговая зона); 2 – собственно усталостная зона; 3 – зона долома

Внутренние (структурные) концентраторы – это скопления неметаллических включений, различные дефекты микроструктуры, например обезуглероженный слой.

Зона роста усталостной трещины на поверхности усталостного излома отличается равномерным блеском, типа шлифовочного, который получается в результате многократного контакта берегов трещины в полуциклах сжатия, а также наличием концентрических дуг, показывающих места остановок фронта усталостной трещины. В микромасштабе характерной рельефной составляющей усталостного излома являются усталостные бороздки.

При достижении усталостной трещиной критического размера она меняет механизм роста и превращается в хрупкую трещину, которая практически мгновенно проскакивает оставшуюся часть живого сечения детали или конструкции, окончательно разрушая деталь и формируя при этом зону 3 – зону долома.

168

8.5.Влияние структурных факторов на сопротивление усталости

На рис. 8.7 представлена диаграмма, показывающая взаимосвязь предела прочности закаленных и отпущенных конструкционных сталей с их пределом выносливости. Кроме того, на поле диаграммы нанесена карта структурных состояний.

σ–1, МПа

800

600

Ф+П

400

Тотп Мотп

200 Сотп

σв, МПа

Рис. 8.7. Диаграмма, показывающая взаимосвязь предела прочности закаленных и отпущенных конструкционных сталей с их пределом выносливости

Из анализа диаграммы следует, что с повышением предела прочности с 300 до 1000 МПа уровень предела выносливости возрастает, составляя примерно половину предела прочности. Максимальным уровнем усталостной прочности обладают стали, которые после закалки отпущены на структуру троостита отпуска и имеют

169

прочность от 1000 до 1400 МПа. У сталей со структурой мартенсита отпуска с повышением уровня прочности сопротивление усталости начинает падать. Самым низким сопротивлением усталости обладают стали с феррито-перлитной структурой. Вот почему у деталей, работающих на усталость, недопустимо появление обезуглероженного, т.е. – ферритного, слоя.

Объяснение подобному изменению сопротивления усталости нужно искать в стадийности усталостного разрушения. Длительность стадии зарождения усталостной трещины тем больше, чем выше сопротивление пластической деформации тонкого поверхностного слоя детали. В данном случае мартенсит – самая лучшая структура. Стадия роста усталостной трещины тем больше, чем легче и полнее проходят процессы релаксации в вершине трещины, т.е. в данном случае наилучшая структура – это сорбит отпуска.

Поэтому в сталях со структурой мартенсита трещина долго зарождается, но очень быстро растет; в сталях со структурой сорбита отпуска, наоборот, трещина быстро зарождается, но медленно растет. В сталях со структурой троостита отпуска трещина и достаточно медленно зарождается, и достаточно медленно растет.

Также весьма важным моментом является рассмотрение влияния степени холодной пластической деформации на предел выносливости низкоуглеродистых строительных сталей после отжига, нормализации или горячей прокатки (рис. 8.8).

При очень небольших степенях ХПД сопротивление усталости таких сталей заметно снижается. Это можно объяснить появлением дополнительного количества ничем не закрепленных дислокаций в ферритной составляющей. При дальнейшем увеличении степени ХПД до 20–25 % предел выносливости заметно возрастает, что является следствием упрочнения феррита этих сталей (см. рис. 8.7) за счет появления ячеистой дислокационной субстуктуры. При еще больших степенях деформации начинается растрескивание феррита, и предел выносливости падает.

170