книги / Циклическая прочность металлов

на стальных образцах, наклеп в которых был создан наружным протягиванием. Результаты этого исследования представлены в виде графиков на фиг. 66. Как видно из этих графиков, с углублением от поверхности интенсивность наклепа (в изделиях) быстро надает, причем особенно резко это падение происходит в более наружных слоях металла.

J Значение наклепа в механизме изменепия циклической проч­ ности большинства металлов большое, и оно не зависит от харак­ тера причин или вида обработки металла, породивших наклеп. Но это значение наклепа у разных металлов различное; наиболее резко наклеп проявляется у стали; у дуралюмина он почти не наблюдается.

При изучении вопроса о характере влияния наклепа па предел усталости металлов (стали) следует различать все три вида на­ клепа: сплошной (по всему поперечному сечению), поверхностный

Фиг. 67. Графики зависимости предела усталости разных сталей от интенсив-

усталости его в нормализованном состоя­ нии;

1 — для углеродистой стали с ав = 3 1 кг/мм2',

4—лдя хромоникелевой стали ов =77 кг/мм2.

и наклеп от перенапряжений циклическими нагрузками. Сплош­ ной наклеп металла всегда повышает предел усталости, и это по­ вышение находится в прямой зависимости от интенсивности на­ клепа; обычно наблюдается, что вначале с возрастанием интен­ сивности наклепа предел усталости повышается быстро, в даль­ нейшем этот процесс несколько замедляется; в отдельных случаях наблюдается даже, что после некоторой интенсивности наклепа, оптимальной для данного предела усталости, дальнейшая интен­ сификация наклепа начинает давать понижение циклической прочности. Графики на фиг. 67 дают наглядное подтверждение высказанным положениям [28 ].

Поверхностный наклеп стальных изделий, получающийся при разных способах обработки их поверхности, также оказы­ вает положительное влияние на циклическую прочность, повы-

тая, и часто в высокой степени, предел усталости. Наибольшее повышение циклической прочности поверхностный наклеп дает у металлов, обладающих метастабильной структурой, распадаю­ щейся в процессе пластического деформирования. В табл. 16 приведены данные о большом влиянии на предел усталости стали поверхностного наклепа, создаваемого точением, обкаткой по­ верхности роликами и обдувкой ее дробью [105].

Таблица 16

Влияние поверхностного наклепа на предел усталости при разны х видах обработки образцов

Циклические нагрузки на металл (сталь) при напряжениях, превышающих его предел усталости, должны тоже вызывать наклеп. Однако это воздействие, как показывают исследования, дает результаты совершенно противоположные предыдущим; та­ кой «динамический» наклеп снижает предел усталости и иногда весьма значительно. В табл. 17 приведены экспериментальные данные, полученные в лаборатории динамической прочности Куйбышевского индустриального института, подтверждающие это обстоятельство.

Таблица 17

Влияние «динамического» наклепа от циклических нагрузок на предел усталости стали

Особенно катастрофически падает предел усталости стали тогда, когда циклические напряжения равны или превышают

предел текучести ее.

Причину резкого снижения циклической прочности от динами­ ческих перенапряжений нужно искать в том, что при этом про­

повышать. Диаграммы на фиг. 72 схематически иллюстрируют этот процесс.

Более правильным, однако, следует считать, что изменение пре­ дела усталости металлов (стали) зависит от совместного действия и наклепа, и остаточных напряжений. По-видимому, относительные роли остаточных напряжений и поверхностного наклепа в установлении величины предела усталости находятся в зависимости от разных внешних факторов, как-то: от вида пластического деформирования, от характера концентрации напряжений и др. Например, в опытах Тума [30] со стальными надрезанными образ­ цами, сплошными и полыми, удалось установить, что повышение предела усталости при изгибе зависило на 75% (приблизительно) от остаточных сжимающих напряжений, и на 25% — от поверх­ ностного наклепа; при кручении же повышение предела усталости этой стали было объяснено почти исключительно влиянием поверхностного наклепа.

В развитие этого положения некоторые исследователи [76] считают, что у высокопластичных сталей главным фактором в по­

значение последним в надрезанных образцах, когда на дне надрезов наблюдается

высокая степень концентрации благоприятных остаточных на­

пряжений [33].

В последнее время считают, что большие напряжения, и цик­ лические и статические, при высоких и даже при обычных ком­ натных температурах вызывают в металлах, особенно высоко­ прочных, непрерывно протекающие внутренние процессы. Эти процессы дают перераспределение напряжений с течением времени, чаще всего в направлении, благоприятном для работы конструкции [67]. В этой связи полагают, что и поверхностные слои наклепанного металла с течением времени становятся не­ устойчивыми; могут изменяться также и остаточные напряжения по величине и по характеру своего распределения; в некоторых

случаях они могут даже совсем исчезать, например, при длитель­ номзагружении конструкции циклическими напряжениями, близкими по величине к пределу усталости.

Кривые на фиг. 73 поясняют схематически высказанную мысль: кривая 1 показывает распределение остаточных напряжений в стальных образцах сразу после термообработки; кривая 2 показывает распределение и величину остаточных напряжений в тех же образцах после работы на изгиб в течение 8 10е циклов при су = ±30 кг/мм2 [30].

По-видимому, этот процесс носит различный характер и зави­ сит от разных факторов, особенно от вида напряженного состоя­

бенно это вероятно в тех машинах и конструкциях, металл которых имеет примеси, существенно влияющие на температуру рекристаллизации их.

§ 19. ВЛИЯНИЕ МИКРОПРОФИЛя ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЙ

Следующим после наклепа и Вну­ тренних остаточных напряжений физическим фактором, с помощью которого механические, термические

и другие методы обработки металлов влияют на циклическую проч­ ность их, является микропрофиль обработанной поверхности Изде­

лия.

Изучению микрогеометрии профиля изделии из метцдла (стали) посвящено сравнительно много работ; поэтому Здесь остановимся на этом вопросе только вкратце, чтобы выяснить, какое имеет значение микропрофиль обработанной поверхцости металла (в изделиях) в механизме изменения циклической проч­

ности.

Микропрофиль состоит, как известно, из впадин и выступов, более или менее ритмично чередующихся между собой. Величина этих впадин и выступов зависит от многих причин: от парамс-jpQjj процесса резания, от пластической и упругой деформации обра­ батываемого металла, от величины обрабатываемой поверхн0стИ1 от жесткости системы «станок — инструмент — изделие» и д Исследованиями установлено, что влияние двух последних ирИ_

чин на микропрофиль обрабатываемой поверхности в большинстве случаев весьма мало.

Особо следует сказать о влиянии на микропрофиль поверх­ ности упругой деформации металла при резании; известно, что перед резцом и под резцом вместе с пластической деформацией происходит упругое сжатие, которое после прохода резца исчезает. Если бы величина упругого восстановления впадин и вы­ ступов была одинакова, то весь профиль поверхности изделия после прохода резца поднялся бы, не изменяя своего очертания. Но ТРУДН0 предположить, чтобы это явление происходило таким образом; вероятнее всего, что в одном и том же профиле вер-

Фиг. 74. Действительный (2) условный (1) микропро­ фили поверхности стальных изделий.

шины одних выступов поднимаются больше, чем дно впадиИ, вершины других меньше; вследствие этого относительные вели­ чины выступов и впадин изменяются; изменяется в связи с этим и микропрофиль всей поверхности; однако это явление сравнительно незначительное, и его обычно при расчетах не учи­

лов значительное влияние; из них наибольшее влияние оказывает продольная подача резца при токарной обработке изделия.

О микрогеометрии всякой обработанной поверхности судят по ее профилограмме или по числовым отметкам; такое суждение весьма приближенное, так как разные приборы дают разные результаты и с одной и той же поверхности можно снять разные профилограммы.

Причина влияния микропрофиля обработанной поверхности металла на величину его циклической прочности заключается в том, что каждая впадина на этой поверхности является кон­ центратором напряжений, нормальных или касательных. Поэтому при изучении влияния микропрофиля на предел усталости ме­ талла главное внимание должно быть сосредоточено на концентра­ ции напряжений в местах микрогеометрических впадин поверх­ ности.

Общепринятой методики исследований в этом направлении пока не имеется; большинство изучающих этот вопрос действи-

глубины надреза предел усталости в интервале малых значений

отношения когда ^ 0,1 , быстро уменьшается, а дальше,

при -g -> 0,1 , практически от этой причины почти не изменяется.

Другой обобщенный график cr__i = / изображенный

на фиг. 77, показывает, что при t = const и б = const увеличение радиуса закругления на дне надреза вызывает сравнительно быстрое повышение предела усталости металлов (стали) в интер­ вале

0 < -J -< 0 ,4 ,

но при

этот предел от указанной причины уже почти не изменяется.

и изменение предела усталости от величины внутреннего угла 6 острого надреза. Из графиков видно, что в интервале 30— 120° изменение величины этого угла у надреза почти не влияет на величину коэффициента концентрации напряжений, а следо­ вательно, и на величину предела усталости металлов [30], [114].

Рядом расположенные надрезы значительно изменяют влия­ ние каждого из них на величину концентрации напряжений. Совместное действие таких рядом расположенных, так называ­ емых «разгружающих» надрезов вызывает перераспределение и некоторое выравнивание напряжений при снижении их пико­ вых значений; вследствие этого предел усталости металлов может значительно повыситься по сравнению с тем его значением, какое определяется действием одиночного такого надреза. Данные табл. 18 подтверждают это положение [88].

При использовании данных по влиянию параметров искус­ ственно сделанных надрезов у стальных образцов на предел