книги / Циклическая прочность металлов

Усталостные диаграммы всех указанных видов не отобра­ жают всей сложности процесса усталостного разрушения метал­ лов. В частности, на этих диаграммах нельзя показать те основ­ ные стадии (фазы), которые проходит металл (в образце) от начала усталостного процесса до своего разрушения и на которые указывает большинство современных теорий усталостного раз­ рушения металлов.

Чтобы учесть эти стадии, целесообразно усталостную диа­ грамму строить в виде трех линий (фиг. 59):

линии начального упрочнения металла КЕС, отображающей начало разрушения границ кристаллитов;

(стали) в виде трех линий, разграничивающих характерные области усталостного процесса.

линии локальных повреждений кристаллической решетки DEF, отображающей начало разрушения тела кристаллитов;

линии разрушения металла АВС, которая представляет собой обычную усталостную диаграмму в координатах а — ]g N.

Опытами установлено, что при а > ав разрушение происхо­ дит по границам кристаллитов, а при о < ов — по телу их.

Ордината точки С показывает предел усталости металла. Ордината точек Е и В соответствует тому напряжению, при ко­ тором разрушение междукристаллитного типа переходит в раз­ рушение внутрикристаллитного типа.

Эти три линии разграничивают характерные области устало­

В последнее время при определении величины предела уста­ лости металлов начали использовать методы математической статистики. Особенно эффективные результаты эти методы дают при определении предела усталости, металлов по данным испы­ таний, проведенных параллельно на нескольких испытательных

машинах, однотипных или даже разного типа. В этих случаях среднеарифметическая величина предела усталости исследуемого металла оказывается менее близкой к действительности, чем ве­ личина средневероятная, полученная путем статистической об­ работки данных, найденных при испытаниях.

Простой сравнительно метод (см. § 15) получения средневе­ роятных результатов при небольшом числе статистических дан­ ных предложил А. К. Митропольский [56].

Оригинальные статистические методы обработки эксперимен­ тальных результатов при изучении циклической прочности ма­ териалов предложили также Г. С. Леви в 1955 г. [116], а ранее, в 1949 г., Б. В. Вейбулл и В. В. Вейбулл [127], причем послед­ ний, как указано будет ниже, статистическим методом вывел даже аналитическую формулу для величины предела усталости металлов.

§ 12. УСКОРЕННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА УСТАЛОСТИ МЕТАЛЛОВ

Определение величины предела усталости металлов экспери­ ментальным (классическим) методом требует сравнительно боль­ шого количества образцов из изучаемого металла и является продолжительным и дорогостоящим процессом. Поэтому уже давно мысль исследователей была направлена на то, чтобы раз­ работать для этой цели методы более быстрые, менее трудоем­ кие и менее дорогие.

В решении этого вопроса имеется в настоящее время нескольконаправлений.

Одно направление стремится решить этот вопрос созданием

иприменением испытательных машин большой скорости. В связи

сэтим построены в настоящее время испытательные машины,, дающие 10 000 и даже 30 000 циклов в минуту, но такие машины сложны по своей конструкции, дороги по цене и, главное, дают значения предела усталости металлов в условиях (по скорости),, отличных от условий их обычной эксплуатации.

Другое направление стремится ускорить процесс определения величины предела усталости металлов путем одновременного

испытания нескольких образцов или даже сразу целой серии их (6—12 шт.); такие испытания проводят или на нескольких параллельно работающих однотипных машинах, или на одной

машин была описана выше, но все такие машины довольно сложны по своей конструкции. Метод‘одновременного испытания нескольких образцов сокращает время получения нужных резуль­ татов и дает возможность получить величину предела усталости исследуемого металла практически достаточно точную.

Третье направление в решении поставленного вопроса за­ ключается в применении специальных ускоренных методов экс­ периментального определения предела усталости.

О всех таких методах следует сказать, что они могут дать только приближенное значение предела усталости исследуемого металла; в этом заключается существенный недостаток, огра­ ничивающий применение их в практике.

Ускоренных экспериментальных методов к настоящему вре­ мени предложено немало. В основу почти всех этих методов по­ ложено то физическое явление, что при напряжениях, близких к пределу усталости металла, в образце, вследствие большого ко­ личества пластических микросдвигов, наблюдаются повышение температуры, изменение энергии, расходуемой на деформацию металла, изменение перемещений в образце под нагрузкой, не­ которое изменение электрических и магнитных свойств и т. п. Такое состояние металла по аналогии с явлением текучести при •статических испытаниях иногда называют циклической теку­ честью его. В частности, особенно заметным становится нагре­ вание образцов при напряжениях, близких по величине к пре­ делу усталости. На быстроходных испытательных машинах оно бывает иногда настолько велико, что приходится прибегать даже к искусственному охлаждению образцов струей какой-либо хи­ мически нейтральной жидкости.

Установлено, что с увеличением циклических напряжений график изменения температуры, график деформации, график крутящего момента и график затраченной (мощности) дают заметные переломы, и эти переломы соответствуют напряжению, более или менее близкому к пределу усталости, найденному клас­ сическим методом (по Вёлеру).

Для определения предела усталости металлов (стали) разра­ ботаны к применению на практике следующие ускоренные методы [125]:

1) температурный метод (с применением термоэлементов), ос­ нованный на зависимости t° = / (сгтах);

2)метод деформаций, основанный на зависимости v = / ( a max), причем при циклическом изгибе деформация (перемещение) опре­ деляется стрелой прогиба, а при циклическом растяжении — величиной удлинения;

3)энергетический метод (по поглощаемой энергии), основан­

зависимости Мк = / (сгтах);

5)электрический метод, основанный на. изменении электри­ ческого сопротивления образца;

6)метод магнитострик^ного действия, основанный на изме­ нении магнитных свойств металла в образце с изменением его напряженного состояния.

«Лучшие результаты при ускоренном определении предела усталости металлов (стали) дает комбинированный метод на спе­ циально приспособленной для этого испытательной установке, схема которой дана на фиг. 60.

Эта установка дает чистый изгиб образца при вращении. .Обра­ зец 6 круглого поперечного сечения закрепляется в двух захва­ тах 5, с которыми составляет как бы один стержень, опирающийся концами в неподвижных подшипниках 4 и получающий на длине образца чистый изгиб от грузов 2, находящихся на рычаге 2. Вра­ щение образца с захватами происходит от электродвигателя 10, работающего при строго определенном режиме, неизменном в про­ цессе всего испытания. Для уничтожения вредных вибраций образцов установка имеет особые масляные гасители.

Для измерения нагрева образцов имеется специальная термо­ пара в виде разъемной латунной шайбы 7 (кольцевого коллектора) и соответственно градуированного милливольтметра 9.

Фиг. 60. Установка для ускоренного эксперимен­ тального определения предела усталости металлов.

Для измерения прогибов образцов к станине машины прикре­ плены два индикатора 5 и <5, штифты которых упираются в захваты (концы образца) и показывают вертикальные перемещения послед­ них. Для измерения величины крутящего момента в нижней части статора электродвигат1еля имеется свинцовый прилив, а сам ста­ тор может поворачиваться относительно оси вращения ротора. Угол поворота статора, пропорциональный крутящему моменту, отсчитывается по специальной шкале. Энергия, поглощаемая образцом при его вращении, определяется как произведение величины электрического тока на его напряжение. Электродвига­ тель питается от генератора постоянного тока, имеющего строго постоянное напряжение; величина тока, питающего электродви­ гатель, замеряется специальным шунтированным миллиампермет­ ром, а напряжение — вольтметром.

Испытание на этой установке длится до тех пор, пока не насту­ пит стадия циклической текучести образца, при которой его тем­ пература, прогиб, крутящий момент и величина поглощаемой -энергии начнут заметно возрастать при. постоянстве рабочего напряжения.

Результаты такого испытания показаны в виде графиков на фиг. 61. Для определения предела усталости нужно прямуюпервого участка каждого графика продолжить до пересечения с касательной к кривой последнего участка его (в ее правом конце).

Абсциссы точек пересечения (четырех точек) дадут четыре значения для предела усталости. Среднеарифметическую или среднестатистическую величину из этих четырех значений можно

ускоренные методы, как бы тщательно они ни проводились, явля­ ются приближенными и имеющими при изучении циклической прочности металлов только второстепенное значение.

Для приближенного определения предела усталости металла (в образцах) используется иногда диаграмма усталости в коорди-

натах а -----— (фиг. 58, г), которую в этом случае можно построить

по испытанию только трех образцов при разных циклических на­ пряжениях. При прямолинейной экстраполяции этой диаграммы влево до пересечения с осью напряжений, в точке пересечения получается приближенное значение предела усталости исследуе­ мого металла. Это значение обычно бывает несколько завышенным против действительной его величины, полученной классическим

Этот метод позволяет сократить время определения предала усталости металла в каждом отдельном случае до Цесколышх часов [118].*

§ 13. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА УСТАЛОСТИ МЕТАЛЛОВ

До сих пор при исследовании циклической прочности мате­ риалов и, в частности, при иследовании циклической прочности металлов применяются почти исключительно экспершиентальцыа методы, заключающиеся в накоплении экспериментального ма­ териала с последующим интегральным анализом его и обобще­ нием. Экспериментально определяется величина предела уста­ лости каждого металла; экспериментально исследуются вопросы повышения или снижения циклической прочности металлов; Экс­ периментально решаются вопросы влияния на предел усталости металлов механических, технологических, термических и других факторов. Поэтому решение всех этих вопросов почти всегда бывает весьма громоздким и сопровождается продолжительными, трудоемкими экспериментами.

Применение механико-аналитических методов для решения разных задач циклической прочности металлов давно назрела потому, что именно эти методы дадут возможность осветить яв­

методы могут дать возможность предвидеть те или другие явле­ ния в этом направлении, предугадать наступление тех или других обстоятельств, в частности, время и сроки появления признаков усталостного разрушения и т. д. В первую очередь такой метод (или методы) следует разработать, и применить к решению самого главного вопроса в учении о циклической прочности металлов, вопроса об определении величины предела усталости и, в ча­ стности, предела усталости стали.

До сих пор для этого предлагались эмпирические формулы* связывающие предел усталости металлов с разными характери­ стиками их статической прочности. Подобных формул имеется несколько, но каждая из них имеет всегда ограниченное приме­ нение, ориентируясь только на отдельные металлы или группы металлов.

Наиболее известны из таких, эмпирических формул для стали следующие:

сг—1= 0,47 ов

усталости металлов; предварительная проверка показала большую точ­ ность этого метода сравнительно с другими ускоренными методами.

или

cf_i = 0,285 (от + cje) — при симметричном изгибе;

T_i = 0,575 сг_1 = 0,22 ав— при кручении.

Расхождение расчетов, произведенных по этим формуламу сравнительно с эксперимептальными данными достигает в сред­ нем ±10% , но иногда доходит до ±20—30%.

Более близкое совпадение с результатами опытов дают эмпи­ рические формулы М. П. Марковца и С. Л. Жукова [94] для из­ делий из стали:

о_ 1 = 0,35 ав+ 12,2 кг/мм2.

Все эти формулы не являются следствием какого-либо научно* обоснованного механико-аналитического метода. Таких методов не существовало, и попыток в создании таких методов до по­ следнего времени не было, и это потому, что предел усталости каждого металла зависит, как известно, от большого числа факто­ ров, весьма различных по своей природе и трудно учитываемых. И только недавно появилось несколько предложений в этом направлении, достаточно удачных, которые позволяют на ос­ новании сравнительно небольшого экспериментального материала определять аналитическими приемами (вычислениями) величину предела усталости металлов (стали). Из этих методов, полу­ чающих постепенно распространение, можно назвать: 1) метод. Л. В. Муратова и 2) метод В. Вейбулла и И. А. Одинга.

Метод Л. В. Муратова [58], разработанный в лаборатории динамической прочности Куйбышевского индустриального инсти­ тута, основан на том положении, что хотя предел усталости каж­ дого металла по своей величине и зависит от многих факторов: механических, технологических, термических и др., но влияние всех их находит отражение в форме усталостной диаграммы, построенной в координатах о — N. Вследствие этого усталост­ ная диаграмма характерна для каждого испытываемого металла и отражает прочностные свойства этого металла с интегральным учетом факторов, влияющих на них.

Это положение и позволило основанием для разработки аналитического метода определения предела усталости каж­ дого металла принять его усталостную диаграмму в координа­ тах о — N. Каждый металл (сталь) может, как известно, иметь три усталостные диаграммы: диаграмму циклического изгиба, диаграмму циклического растяжения-сжатия и диаграмму цикли­ ческого кручения. Однако все эти диаграммы, построенные в ко­ ординатах о — N или т — N , идентичны, различаясь только ве­ личиной своих ординат. Опыт показывает, что при N = const

циклические напряжения изгиба, растяжения-сжатия и круче­ ния в образцах из одного и того же металла (стали) находятся между собой в соотношении 1 0,7 : 0,58. При разработке описываемого аналитического метода Л. В. Муратовым исполь­ зуется диаграмма изгиба.

Всякая усталостная диаграмма строится, как известно, не ме­ ханически, а вручную, обычно по осредненным данным; поэтому

Аналогичное равенство можно составить для каждой точки диаграммы при а > oVl поэтому его можно считать уравнением усталостной диаграммы испытываемого металла.

Связь между разрушающим металл числом (N) циклов и напря­