книги / Циклическая прочность металлов

в некоторых случаях повышается предел прочности, изменяется обычно и предел усталости металла.

В то же время значительно уменьшается работа полной дефор­ мации, так как металл становится более хрупким, не способным вследствие этого воспринимать иногда некоторые виды на­ грузок.

Наконец, пластическая деформация металлов вызывает вместе с наклепом появление остаточных напряжений, в некоторых случаях очень значительных по величине, которые также влияют, и иногда весьма заметно, на прочностные свойства этих металлов.

§ 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЧНОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ МЕТАЛЛОВ, ИХ ЗАВИСИМОСТЬ ОТ РАЗНЫХ ФАКТОРОВ

Основными характеристиками (показателями) прочности метал­ лов являются, как указано было выше, такие величины: предел прочности, предел текучести, предел усталости (вынословости), предел пропорциональности, предел упругости и сопротивление хрупкому отрыву.

Все эти характеристики прочности металлов получаются деле­ нием соответствующих нагрузок на начальную площадь (F0) сечения образца.

Предел прочности является весьма важной характеристикой статической прочности металлов, и только в последнее время в связи с применением в промышленной практике предела теку­ чести значение этой характеристики прочности для пластичных металлов уменьшилось; однако для хрупких металлов и для неме­ таллических материалов предел прочности по-прежнему широко используется.

Пределом прочности (ов, тв) материала называется напряже­ ние (нормальное или касательное), соответствующее той наиболь­ шей внешней силе, которая наблюдается в процессе разрушения этого материала (в образце).

Для пластичных металлов это общее определение предела прочности можно уточнить. Пластичные металлы в про­ цессе испытания на растяжение (в образце), и в стадии малых упруго-пластических деформаций и особенно в стадии больших пластических деформаций находятся под действием двух факто­ ров: упрочняющего фактора в результате перехода металла в наклепанное состояние и разупрочняющего фактора вследствие уменьшения поперечных сечений образца. Вначале преобладает действие первого фактора, затем, за периодом упрочнения, тогда, когда диаграмма растяжения достигает своей верхней точки и когда в образце начинает появляться шейка, действует особенно заметно второй фактор. В это время влияние обоих указанных факторов, очевидно, сравнивается и металл дает наибольший показатель своей статической прочности, называемый пределом прочности.

Заметим, что этот предел прочности материала иногда назы­ вают условным, так как для его определения величину наиболь­

шей внешней силы нужно делить на начальную площадь попереч-

р

ного сечения образца, т. е. ав = — о .

От этой характеристики прочности следует отличать истинный предел прочности материала, который получается делением фак­ тической разрушающей силы (меньшей часто Pm3LX) на фактическую площадь наименьшего поперечного сечения образца в шейке

прочности для всех материалов, в том числе и для пластичных металлов, состоит в том, что он показывает, в каких условиях конструкция обязательно разрушается.

Для одного и того же металла, например для стали одной и той же марки, предел прочности не остается постоянным. Особенно большое влияние, которое приходится обязательно учитывать в производственной практике, оказывает на предел прочности изменение температуры.

Разные металлы ведут себя по-разному с изменением температуры. Например, у мягкой углеродистой стали до темпера­

Зависимость прочностных свойств металлов от температуры представляет большой интерес в тех конструкциях, где металл работает в условиях высоких или низких температур, как напри­ мер: в паровых котлах, газовых турбинах, реактивных двигателях и т. д.

По современному воззрению закон Гука для металлов лишь приближенно отвечает действительности; напряжение, при кото­ ром отклонение от закона Гука достигает определенной заранее обусловленной величины, называется пределом пропорциональ­ ности материала (ор). Это отклонение обычно определяется по уменьшению модуля нормальной упругости материала в пределах 10—30% от начального значения его.

Предел пропорциональности металлов изменяется в большой степени от наклепа и от термической обработки.

Для своего определения он требует весьма точных приборов и изменяется в зависимости от степени точности этих приборов. В связи с этим в практике в настоящее время все чаще и чаще отказываются о^ применения предела пропорциональности как характеристики прочности металлов.

Пределом упругости (сге) материалов называют такое напряже­ ние, при котором пластическая деформация этих материалов достигает определенной заранее обусловленной величины. Этот допуск пластической деформации для предела упругости металлов современными техническими условиями устанавливается в гра-

Фиг. 4. Зависимость предела прочности мягких углеродистых сталей от температуры:

а — при температурах до 500°; б — при температурах от —80 до 40°.

ницах 0,001—0,003% от величины полной деформации их (в образ­ це). Такое определение является условным и не связывается

сфизической сущностью этой характеристики прочности.

Впоследнее время в большинстве случаев для характеристики статической прочности пластичных металлов используют предел текучести, который при условности своего количественного опре­ деления в большинстве случаев часто имеет и физический смысл как начало стадии текучести металлов.

Пределом текучести (от) металла называют такое напряжение, при котором пластическая деформация достигает, как и при пре­ деле упругости, определенной заранее обусловленной величины. Только допуск пластической деформации здесь техническими условиями устанавливается значительно больший, чем для пре­ дела упругости, а именно, если этот допуск техническими усло­ виями специально не установлен, то его принимают обычно в 0,2% от начальной (расчетной) длины образца.

Следует заметить, что эта величина допуска пластической деформации в практике встречает в последнее время большие возражения, основанные на том, что в действительности при эксплуатации даже ответственных частей современных машин и

является наиболее надежным признаком правильности каждой из

Эксперименты со стальными образцами подтверждают выводы третьей и еще лучше четвертой теорий прочности, а потому в настоящее время принимают для сталей

%т= 0,50 сгт— 0,577 От•

Значительный и своеобразный интерес представляет сопроти­ вление металлов хрупкому отрыву как характеристика проч-

ности, показывающая способность металлов оказывать сопроти­ вление разрушению под действием нормальных напряжений как в пределах упругости, так и в зоне упруго-пластических деформа­ ций.

Физический смысл этой величины выясняется из рассмотрения указанного выше условия пластичности Сен-Венана. Это условие показывает, что в любом сложно-напряженном состоянии металл начнет переходить из упругого состояния в пластическое тогда, когда разность главных напряжений достигает предела теку­ чести этого металла, определенного при одноосном растяжении. Очевидно, что одного этого условия недостаточно, так как раз­ ность главных напряжений можно получйть одинаковой при весьма различных абсолютных значениях этих напряжений, напри­ мер: при —о'з = 150—100 = 50 кг/мм2 и то же при — сг3 = = 1500 — 1450 = 50 кг/мм2. Но в первом случае металл с ат =

= 50 кг!мм2,только начнет «течь», а во втором случае он разрушится

ного металла, полностью гарантирующее его действительную прочность в любом сложно-напряженном состоянии, должно состоять из двух частей, а именно:

Ог — <Т8 < От

и

о± < Д(7,

где R — сопротивление металла отрыву, показывающее величину сил сцепления его в пределах упругости, которую и предложено принять за новую характеристику проч­ ности металлов.

Сопротивление отрыву, как характеристику прочности, не сле­ дует отождествлять с хрупкой прочностью, являющейся лишь частным проявлением сопротивления отрыву у хрупких материа­ лов при простом растяжении.

Величину сопротивления отрыву для каждого металла предло­ жено определять простым растяжением цилиндрических образцов с круговыми надрезами определенной геометрии, на дне которых металл приходит в состояние трехосного неравномерного растяже­ ния. Напряжение, при котором образец в этих условиях разры­ вается, дает значение сопротивления отрыву испытываемого ме­ талла, как постоянной по величине характеристики прочности его. Сопротивление отрыву у каждого металла значительно превышает предел текучести и даже предел прочности его, например:

Значение этой новой характеристики прочности металлов, если она войдет в науку, достаточно велико, особенно при проек­ тировании тех многочисленных конструкций, в которых нельзя избежать концентрации напряжений. Создавая в таких конструк­ циях препятствия к их пластическому деформированию, можно, принципиально говоря, при их проектировании и эксплуатации допускать в них значительно более высокие напряжения.

Предложение принять сопротивление металлов хрупкому отрыву за новую постоянную характеристику прочности их было выдвинуто в 1948 г. Г. В. Ужиком (Институт машиноведения АН СССР). Однако это предложение не получило общего призна­ ния и находится пока в стадии дискуссий [86], [87].

Все описанные здесь характеристики: предел прочности, пре­ дел пропорциональности, предел упругости, предел текучести и

Величина б, как видно из диаграммы сг — е, состоит из двух частей: из деформации 6а (отрезок ONJ, равномерно распределен­

длине, приблизительно равной 1,5—2 диаметрам шейки, крайне неравномерно, концентрируясь только более или менее симметрично* по обе стороны от наименьшего сечения этой шейки. Поэтому при­ нятое здесь отнесение этой местной деформации к начальной длине образца 10 лишено физического смысла. Недостатком здесь является также и то обстоятельство, что после появления пласти­ ческой деформации (удлинения) она в дальнейшем развиваете# фактически не на начальной длине образца (Z0), а на непрерывно изменяющейся длине его (/).

Вследствие такого несовершенства величиной относительного удлинения при разрыве (б), как характеристикой пластичности металлов, при подробном изучении пластических деформаций пользуются редко, предпочитая более совершенные характери­ стики.

Одной из таких характеристик является истинное или действи­ тельное удлинение (е), которое составляется как сумма бесконечно малых относительных деформаций образца на переменной длине*

Эта характеристика дает точную оценку величины пласти­ ческой деформации при растяжении.

К сожалению, логарифмическая зависимость этой характе­ ристики создает затруднения при ее числовом определении.

Третьей характеристикой пластичпости металлов является относительное поперечное сужение металла (в образце) при раз­ рыве, исчисляемое в процентах:

Эта характеристика пластичности является тоже приближен­ ной, так как абсолютное окончательное сужение образца в шейко (^0 — ^к) относится к начальному сечению образца, тогда как в действительности сечение его в процессе деформирования ме­ няется все время. Тем не менее эта характеристика достаточно удовлетворительно описывает пластичность металла, особенно в условиях напряженного состояния его в области шейки.

Между величиной поперечного сужения (ф)’образца и величиной соответствующего истинного удлинения (е), которое металл может иметь при условии равномерной деформации, существует зависи­ мость. Для установления этой зависимости примем, что при увели­ чении длины образца I на величину dl поперечное сечение его F уменьшилось на величину dF, а так как объем образца при пластическом деформировании можно принять постоянным, то

Описанные характеристики пластичности металлов, получае­ мые испытаниями на растяжение (в образцах), все же не являются •совершенно точными главным образом вследствие неравномерного распределения пластических деформаций в области, образующейся перед разрывом шейки. Поэтому при изучении пластичности металлов все чаще прибегают к испытаниям на кручение круглых образцов, так как при этих испытаниях деформация даже весьма пластичных металлов сохраняется достаточно равномерной пс длине всего образца вплоть до разрушения. Следует, впроцем, заметить, что и испытания на кручение не свободны от недостат­ ков, так как при кручении круглых сплошных образцов результаты затемняются наличием в них упругой средней зоны, а при кручении трубчатых образцов результаты иногда иска­ жаются из-за потери устойчивости их стенок.

Оценивая характеристики прочности и характеристики пла­ стичности металлов (сталей) с точки зрения конструкторской практики, приходится констатировать, что они, кроме предела текучести и предела прочности, не имеют непосредственного

применения в расчетах конструкций на прочность. В частности, характеристики пластичности не входят ни прямо, ни косвенно в расчетные формулы и являются для этого как бы лишними; они помогают только в выборе наиболее подходящих для проектируе­ мой конструкции материалов (марок стали). Каких-либо крите­ риев взаимной связи между характеристиками прочности и характеристиками пластичности до сих пор не имеется, поэтому в этой области могут быть широкие возможности для совершенно противоположных заключений.

Сравнительно давно было выдвинуто предложение о создании такой характеристики работоспособности материалов (металлов), которая являлась бы одновременно и функцией прочности, и функ­ цией пластичности, связывая соответствующие показатели между собой.

Эта характеристика построена на способности металлов, нахо­ дящихся под действием внешних сил, поглощать энергию в необ­ ратимой форме.

Известно, что каждая внешняя сила, действуя на упруго­ пластичное тело, от начала своего действия до конца, т. е. до разрушения тела, совершает механическую работу. В теле вслед­ ствие этого возникает потенциальная энергия. Считают, что в пре­ делах упругих деформаций эта энергия имеет обратимый характер и может вычисляться по теореме Клапейрона. В пределах упруго­ пластических деформаций, малых и больших, одна часть этой энергии имеет обратимый характер, а другая часть — необрати­ мый и поглощается металлом. Чем больше по величине полная деформация тела, тем меньше по сравнительной своей величине упругая часть энергии и больше неупругая часть ее, поглощаемая в необратимой форме.

При доведении процесса деформирования до разрушения материала вторая часть, которую будем называть энергией разру­ шения, настолько велика по сравнению с упругой частью, чта последнюю при расчетах можно не учитывать.

Удельную энергию разрушения (и) каждого материала при ста­ тическом действии на него внешних сил можно определить как произведение из истинного предела прочности этого материала ( se)

где ф — относительное поперечное сужение образца при разрыве,. вычисляемое по формуле (13).