книги / Микропластичность и усталость металлов
..pdfRON», «AMSLER», «SCHENCK», «MTS» в научных и заводских ла бораториях используют большое количество машин и приборов специального назначения или различные типы динамических вибра торов и возбудителей.
Высокочастотный пульсатор «AMSLER HFF-42J4» позволяет оп ределять сопротивление усталости пружин и деталей машин с боль шой упругой деформацией. Испытательная машина «AMSLER-2000 HFF-423» допускает комбинацию нагружения на изгиб и кручение. Для испытания тел с большими поперечными размерами пригодна установка типа УП-200, разработанная в ЦНИИТмаше (габариты деталей 200X300 мм, длина 150 мм, переменный симметричный изгиб).
Ряд современных испытательных установок позволяет приме нять не только периодическое или непериодическое нагружения, но и при помощи управляющей вычислительной машины реализу ют сложные случайные стационарные или нестационарные воздейст вия. Усталостная машина «SCHENCK PBVN» имеет два источника динамического возбуждения. Нижние уровни нагружения осуществ ляются электрической резонансной системой, высшие — гидравличе ски. Простое программирующее устройство позволяет выполнить подбор нескольких уровней амплитуд с разным числом нагружаю щих циклов.
Для постепенного регулирования уровня нагружения удачным
является использование |
для управления перфорированной |
ленты, |
как это выполнено в резонансном п^лкгятопе «SCHENCK PVQ» и |
||
чехословацкой установке |
«INOWA EDYZ» с гидравлическим |
при |
водом. |
|
|
Более сложной группой пульсаторов являются системы, кото рые позволяют воспроизводить случайные ходы или статистически обработанный спектр истинных циклов нагружения. Эти системы построены на принципе обратной связи, которая осуществляется электронными и гидравлическими элементами машин. К этой груп пе установок относятся машины «INOVA EDYZ», «SCHENCK HYDROPULS PCW» и пульсаторы «MTS», которые имеют встроен ную цифровую вычислительную машину для управления электрогидравлической системой в процессе испытаний.
При усталостных испытаниях крупногабаритных деталей и кон струкций (например, лопаток роторов водных турбин, конструкций мостов, кранов, крупногабаритных рам и т. д.) используют гидрав лические силовые установки. Такой системой гидравлических на гружающих элементов оснащены пульсатор «AMSLER РА31» и ма шина «ZDM». Энергетически и конструкционно весьма выгодно ис пользование вибраторов, которые работают на принципе неравно весных поворачивающихся масс. Их применяют при усталостных испытаниях осей железнодорожных вагонов, роторов и лопаток вентиляторов, частей стальных конструкций зданий, обрабатываю щих установок и т. д.
При определении стойкости сложных детален против усталостного разрушения часто используют механические и электромагнитные воз будители колебаний.
При гармонических циклах нагружения на обыкновенных ис пытательных установках имеет важное значение возможность из менять частоту нагружения, например от 0,5 Гц до 1Q0 кГц. Для
высоких частот нагружения эффективно применение ультразвуко вых испытательных устройств [51].
Необходимость накопления знаний о реакции материалов на воздействие переменного нагружения требует выполнения усталост ных испытаний в различных условиях. Электрические печи и крио генные аппараты с заданной стабильностью поддержания темпера туры в месте закрепления образца позволяют выполнять экспери ментальные исследования при температурах от —180° до 1100°С.
К комплектующим устройствам испытательных установок при надлежат также вакуумные камеры, установки для испытаний в жидких средах и газах с разной температурой и агрессивностью. Коррозионно-усталостные измерения выполняют в разных жидко стях, например в маслах, в морской воде, в различных коррозион ных средах. Некоторые вспомогательные устройства позволяют осу ществлять нейтронное облучение и применять электронный или ла зерный пучок.
Весьма важными элементами испытательных машин или стан ций являются регистрирующие и измерительные приборы. Сюда вхо дят устройства для определения величины нагружающей силы с необходимой точностью, приборы для регистрации стабильности нагружения и выполнения заданной программы, аппаратура для точной дозировки нагружения с большим числом параметров и по вторяемостью деформаций и напряжений в нагруженном объекте. Необходимы также измерения числа выполненных циклов с заданной амплитудой и изменений суммарной деформации в зависимости от чис ла циклов нагружения. Некоторые испытательные установки («INSTRON», «SCHENCK», «MTS») позволяют прямую регистра цию петель гистерезиса при повторном нагружении. Отдельные ма шины комплектуют оптическим микроскопом для изучения поверх ностных явлений при нагружении образца или образец помещают прямо в сканирующий электронный микроскоп [52]. Для измере ния температуры разогрева образцов в ходе усталостного нагру жения используют термопары, покрытия жидкими кристаллами и цветные фотографии. Некоторые конструкции датчиков позволяют регистрировать скорость распространения усталостной трещины. Высокоскоростная киносъемка дает информацию о динамике по верхностных явлений и распространения усталостных трещин.
Обыкновенное (многообразцовое) определение характеристик усталости. Результаты усталостных испытаний зависят от точно сти испытательных установок и регистрирующей аппаратуры, а так же от многих других факторов. Например, существенную роль иг рают способ вырезки образца из крупногабаритного изделия, чис ло, форма и размеры испытуемых образцов, качество их поверх ностной обработки, принцип закрепления образцов в установке, характер усталостных испытаний, принятая база циклов для опре деления предела усталости, наличие перерывов в нагружении и т. д.
Для сравнения результатов усталостных испытаний материа лов необходим учет всех этих факторов, которые регламентируются соответствующими стандартами. В СССР ГОСТ 2860—45 и ЧССР ЧСН 420363 предусматривают основные условия усталостных ис пытаний материалов и способы определения предела усталости. Когда условия измерений не соответствуют стандарту, разрабаты ваются специальные положения, учитывающие согласованность эк сперимента и натурных испытаний.
Для приближенного определения формы кривой Велера необ ходимы испытания 8—12 образцов (минимально). Вследствие боль шого рассеяния величин долговечности (рис. 18) при определенной амплитуде напряжения для надежного определения кривой уста лости минимально необходимо 25 образцов, а при статистической
6а, МПа
Рис. 18. Полная кривая Велера алюминиевого сплава, полученная по результатам испытаний 321 об разца (длина отрезка — рассеяние
величин |
долговечности; цифры — |
|
число |
испытанных |
образцов при |
разных |
амплитудах |
напряжений) |
[87] |
|
|
обработке результатов при определении распределения долговечно сти требуется несколько сотен образцов [53]. В области усталост ной долговечности образцы нагружают определенным числом цик лов N при принятых стабильных уровнях амплитуды напряжения оа до разрушения. Статистическая обработка результатов испыта ний, полученных при выбранных уровнях нагружения, определяет ход кривой долговечности.
Обработка результатов в области предела усталости ступенча тым методом значительно отличается от описанных ранее испыта ний и обработки результатов при определении усталостной долго вечности. В результате использования ступенчатого метода образ цы испытывают при определенных уровнях нагружения с постоян ным интервалом между двумя соседними уровнями последователь но один за другим. Если первый образец разрушится до отработки базового числа циклов, то следующий испытывают при более низ ком напряжении. Поэтому для каждого следующего образца напря жение увеличивают или уменьшают на величину принятого интер вала в зависимости от результата испытания предыдущего образца. Обработка результатов таких испытаний позволяет определить среднюю величину предела усталости, границу надежности этой величины и коэффициент вариации [88]. Для статистической обра ботки результатов усталостных испытаний используют и другие методы [63].
Ускоренные методы усталостных испытаний. Целью таких ис пытаний является сокращение времени и объема испытуемых образ цов при определении предела усталости и ограниченной долговеч ности. Метод Лера основан на том положении, что при напряже ниях, близких пределу усталости, всегда возрастает температура разогрева образцов, величина деформации и внутреннее рассеяние энергии в материале [91]- Метод дает хорошие результаты для структурно однородных материалов и низкоуглеродистых сталей. Однако для цветных металлов и многих сплавов возможности при менения этой методики ограничены.
В практике эксперимента используют также метод Прота. Он основан на постепенном увеличении амплитуды напряжения при
нагружении каждого образца с постоянной скоростью [56]. Испы тания отдельных образцов различаются скоростью увеличения ам плитуды нагружения. В области усталостной долговечности точки кривой Прота лежат выше соответствующих точек кривой Велера. Построение диаграммы в координатах <та—а 0’5 и экстраполяция полученной прямой на ось ординат позволяют получить предел ус талости материала1. Недостатком метода является невозможность получения информации в области ограниченной долговечности, меньшая надежность результатов измерений и необходимость испы тания большого числа образцов.
Некоторые авторы стремятся определить предел усталости по результатам испытаний материалов при статическом растяжении [57]. Например, Хейвуд для сталей с пределом прочности прибли
зительно 1100 МПа |
получил эмпирическую зависимость в виде [58] |
|||
aw — 0>5 сгв ± |
70, |
|
(9) |
|
где ‘СГш— предел усталости; |
сгп — предел прочности. Для сталей с |
|||
прочностью от 500 до 1500 МПа в работе [59] |
было получено сле |
|||
дующее выражение: |
|
|
||
ow = 0,35 |
сгв . |
|
|
(9а) |
Различная |
физическая |
природа накопления |
повреждаемости |
при переменной и статической нагрузках делают эти соотношения только ориентировочными.
Ускоренные методы испытаний при определении усталостных характеристик, развиваемые В. С. Ивановой и Л. В. Муратовым, базируются на представлениях о так называемых номинальных на пряжениях, трактовка которых с физической точки зрения недостаточно ясна. Для этих методов необходимо определение не скольких экспериментальных постоянных при долговременных ис пытаниях образцов. По их значениям в результате экстраполяции определяют предел усталости. Данные получают по диаграммам, связывающим ц логарифмических координатах значения разности амплитуд деформаций и число циклов до разрушения при выбран
ных |
уровнях |
амплитуды |
деформации. |
Анализ, выполненный |
В. Т. |
Трощенко [37], показал, что описанная ранее методика мо |
|||
жет |
быть использована при |
определении |
предела усталости глад |
ких образцов и образцов с надрезом при растяжении, изгибе и кру чении.
На основе гипотезы о линейном накоплении усталостной по вреждаемости Локати [60] предложил метод испытаний, при ко тором проводится нагружение образцов с постепенно возрастаю щей амплитудой нагружения. Для использования этого метода не обходимы три исходные кривые с различными значениями предела усталости и хода кривых долговечности (рис. 19). Кривые /, 2 на рис. 19 ограничивают область, в которой расположена истинная кривая долговечности оа—Nf (кривая 3). Излом соответствует условиям, когда
Показатель а в соотношении |
= orw+i4<x0,5 определяют экспс |
римситально. |
|
|
|
( 10) |
где rii— число циклов нагружения при амплитуде |
напряжения |
a ai; |
Nfi — суммарное число циклов до разрушения при |
достижении |
ам |
плитуды icr(и. Программа испытания образца или детали осуществ ляется так, чтобы график ступенчатого увеличения нагрузки совпа дал с принятыми ранее условными кривыми усталости. Метод Локати применяют главным образом для образцов и деталей из мате риалов, имеющих физический предел выносливости (усталости).
/У— -
Рис. 19. Схема ускоренного способа определения предела усталости по Локатн [С>0]
Ступепчатое нагружение осуществляют в диапазоне напряже ний, определенном условными кривыми долговечности с заданным числом циклов п для каждого уровня амплитуды напряжения. Пос ле достижения разрушения (см. рис. 19,а) результаты оценивают с использованием соотношения (10) для каждой кривой долговечно сти отдельно и обобщают в виде диаграммы, показанной на рис.
19,6. Величина |
предела усталости aw получается в |
результате ин- |
|||
|
|
к |
|
|
|
терполяцни |
соответствующих значений ^ |
(n l ^ / ) i ~ |
1. Неточности |
||
метода связаны |
£ = \ |
кривых |
долговечности, |
||
с приближенностью выбора |
|||||
а также с тем, |
что соотношение Минера (10) дает при |
увеличении |
|||
амплитуды |
напряжения значение 2 (n/iV/), = а, где а > 1 . |
Это озна |
чает, что определенная величина предела усталости выше, чем его истинное значение. Величина а имеет различные значения для. раз ных типов нагружения и материалов, что также искажает получен ные результаты.
Для ускоренного определения предела усталости эффективно использование высокочастотного нагружения при симметричном растяжении—сжатии [61]. Если определено взаимное соотношение
между |
величинами предела усталости при обыкновенной |
частоте |
|||
нагружения |
(10—300 Гц) a w и при |
высокой |
частоте нагружения |
||
а,г, то |
при |
постоянной температуре |
испытаний |
(например, |
комнат |
ной) выполняется соотношение |
|
|
|
||
|
|
сУц>= т |
|
|
(П ) |
55
где т — экспериментальная постоянная (для низкоуглеродйстой стали m=0,71 ,[61,]). При изменении размера зерна, величины пред шествующей пластической деформации материала и шероховатости поверхности фактор т не изменяется. Экономия времени при ис пользовании этого подхода очень велика. Для построения полной
кривой усталости необходимо примерно 8—10 ч работы |
установ |
ки. Рассеяние величины предела усталости составляет ~7% . |
|
Диаграмма циклического деформирования. Методика определе |
|
ния долговечности образца без его разрушения основана |
на уче |
те неупругих деформаций. При стационарном циклическом нагру жении величина неупругой деформации за цикл зависит от уровня действующих напряжений и числа циклов нагружения. При напря жениях, близких к пределу выносливости, величина неупругой де формации за цикл изменяется только в первоначальный момент на гружения, оставаясь практически неизменной почти до разрушения. Эти значения неупругой деформации названы стабилизированными. Долговечность образцов, испытанных при различных уровнях на пряжений, можно оценить по стабилизированному значению неуп ругой деформации за цикл. С достаточно высокой точностью пре дел усталости может быть найден как циклический предел пропор циональности по диаграмме деформирования, построенной для ста дии стабилизации процесса неупругого деформирования [37].
При сокращенных испытаниях в области малоцикловой уста лости используют один образец [62], который ступенчато нагружа ют в течение такого числа циклов, при котором внутреннее рассе яние энергии в материале стабилизируется.
Диаграмма циклического деформирования \оа—еар описыва ет пластическую реакцию материала на переменное нагружение в большой области усталостной долговечности. Проведенное в рабо те [37] сравнение пределов циклической пропорциональности и ус талости показало их хорошее соответствие. По нашему мнению цик лический предел пропорциональности в первом приближении соот ветствует пределу неупругости, т. е. моменту перехода от необра тимых процессов деформации к обратимым. Более подробно эти вопросы рассмотрены в гл. II.
Рис. |
20. Сравнение пределов уста |
|||
лости, |
определенных |
из цикличес |
||
ких |
кривых |
напряжение — дефор |
||
мация |
и из |
кривых |
Велера для |
разных материалов [64]. Цифры у кривы*— марки стали по стандар ту ЧССР
Физическая обоснованность такого подхода при изучении уста лостных процессов была подтверждена в работах Лукаша, Клеснила и Полака [64]. Из циклических кривых напряжение—деформа ция ими были получены величины пределов усталости разных ста лей в,го которые сопоставляли с их значениями при обычных ис-
пытаннях (рис. 20). Для материалов с разной металлографической структурой и механическими характеристиками между значениями Owe и Ow найдено весьма хорошее соответствие. Этот метод испы таний перспективен в теоретическом и техническом направлениях.
Условия затормаживания усталостных трещин. Когда в теле имеются микроили макротрещины, они распространяются в поле действующих напряжений. За счет снижения уровня рабочих на пряжений этот процесс можно остановить. Таким способом находят граничные условия, при которых распространение трещин заторма живается.
Использование параметров и методов механики разрушения позволило сделать заключение, что скорость распространения уста лостной трещины есть однозначная функция фактора интенсивности напряжения. Для условий повторяющегося нагружения для обозна чения этого фактора используют Ка. Этот подход позволяет исклю чить такие факторы, влияющие на усталостный процесс, как форма тела, его размеры и схема нагружения. Зависимость скорости рас пространения усталостной трещины от фактора интенсивности на пряжения материалов одинакова для разных форм образцов.
Важным является определение критического значения фактора интенсивности напряжений Кар, который соответствует критической длине усталостной трещины при заданной амплитуде напряжений оа <[641]. Образец с острым радиальным надрезом подвергают сим метричному растяжению—сжатию с постоянной амплитудой напря жения (KQt), что способствует возникновению усталостной трещи
ны определенной длины. После этого значение фактора интенсивно сти напряжения (К0г ) понижается на величину, при которой рас
пространение трещины не происходит при нагружении в течение 107 циклов. Затем значение Ка медленно повышают и проводят ис пытание на базе 107 циклов. Постепенное увеличение фактора Ка осуществляют до того момента, когда вновь регистрируется изме нение длины усталостной трещины (Кар). Экспериментальную об работку зависимости Ка—Кар проводят в логарифмических коор динатах f[65]. Более низкое граничное значение фактора интенсив-, ности напряжения KaVz принимают за базисное при оценке уста лостной прочности.
Величину Карг возможно экспериментально определить следу ющими способами:
а) в результате отжига образца или детали с усталостной тре щиной снимают остаточное напряжение. После этого при перемен ном нагружении с возрастающим значением фактора интенсивно сти напряжения Ка определяют момент, когда трещина начинает распространяться (Ka = KaPZ);
б) после возникновения усталостной трещины с длиной, кото рая соответствует величине Ка, значение фактора Ка медленно по
нижают |
до полного затормаживания распространения |
трещины |
|
(Ка = |
Карг)', |
их экстра |
|
в) |
с |
помощью построений зависимости Ka—KnpZ и |
поляций в точке пересечения на ось Кп (Кп= Карт).
Для некоторых марок сталей эти методы оценки усталостных характеристик дали хорошие результаты. Наиболее перспективны методы обработки, указанные в п. «а» и «б». Вследствие необходи мой графической экстраполяции метод, указанный в и. «в», дает менее точные результаты.
Г Л А В А II
МЕХАНИЗМ МИКРОПЛАСТИЧНОСТИ В МЕТАЛЛАХ
Одной из особенностей деформации поликристалличеоких материалов является неоднородность ее проте кания по микроскопически малым объемам [21, 66—67]. Элементарный акт пластической деформации, вызван ный движением дислокации по определенным системам
скольжения, |
является локальным по |
своей природе. |
Локализация |
пластической деформации |
проявляется и |
в том, что движущиеся в определенных |
микро- и суб |
микрообъемах дислокации в них же и затормаживают ся, образуя скопления у барьеров (или препятствий). Таким образом возникают области с высокой концент рацией напряжений, часто превышающих макроскопи ческие значения прочности сплава. Релаксация возни кающих опасных пиковых напряжений возможна либо в результате «прорыва» барьеров и возникновения но вых очагов микропластичности в смежных объемах, либо за счет образования зародышей хрупких трещин в результате ухода дислокаций в полость образующей ся трещины. Микроструктурная пластическая неустой чивость в кристаллах отражает одно из важнейших кол лективных свойств дислокационных ансамблей.
Характер распределения очагов деформации, а так же уровень ее неоднородности определяются различной ориентацией смежных объемов (блоков, зерен), их уп ругими и прочностными свойствами, направлением и уровнем приложенной нагрузки, видом напряженного состояния и многими другими факторами. В промыш ленных деталях машин и конструкциях концентраторы напряжений (надрезы, резкие переходы сечений и др.) также способствуют созданию пиковых напряжений и локализации деформации. Поэтому при определении расчетных параметров, связанных с оценкой предель ных напряжений и деформированных состояний, осо бенно для таких сложных случаев, как усталость, дол жны быть учтены статистические модели и схемы взаи модействия структурных составляющих. Последнее воз можно на основе изучения физических механизмов пла стической деформации в материалах.
Механизмы микропластичности в металлах и спла
вах прежде всего определяются наличием структурных дефектов разного типа, их перераспределением и взаи модействуем под нагрузкой при различных температу рах. Наиболее полно э т о отражается при развитии ус талости в металлах. В определенных условиях IK уста лостному разрушению приводит активизация точечных дефектов в поле действующих напряжений: возникно- 1вение полос скольжений в разрыхленных участках в результате выделения большого числа вакансий, обра зование макроскопических концентраторов экструзий и интрузий у мест выхода полос скольжения на поверх ность образца (у л и детали). Не меньшее влияние на развитие усталости оказывают дислокационные меха низмы зарождения и роста трещин: у концов затормо женных линий сдвига, при скольжении в неоднородно изогнутой решетке, на уступах дислокационных стенок, при объединении встречных дислокационных скоплений и др. Размер, форма и распределение зерен, металло графическая структура и фазовый состав сплавов—так же важные компоненты, оказывающие влияние на не однородность развития процессов пластической дефор мации в микрообъемах.
1. СТРУКТУРНАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ МЕТАЛЛОВ
Закономерности движения дислокаций в кристал лах в значительной степени определяются способностью к преодолению барьеров различной природы [68]: 1) точечных препятствий (когерентных частиц выделений, комплексов точечных дефектов и т. п.), радиус взаимо действия которых с дислокацией соответствует меж атомному расстоянию; 2) геометрических барьеров (некогерентных частиц выделений, пластинок выделившей ся фазы, макроскопических пор и включений и т. д.), блокирующих движение дислокаций через занимаемый
ими объем кристалла; |
3) «полевых» барьеров — пиков, |
||
холмов и хребтов в |
рельефе |
внутренних |
напряжений |
вдоль поверхности, по которой |
движется |
дислокация. |
Существующие методы позволяют определить дейст вующие в кристалле внутренние напряжения практиче ски при любом расположении дефектов. Результаты анализа распределения внутренних напряжений при случайном расположении дислокаций и точечных де фектов приведены на рис. 21. Так как соответствующие расчетные корреляционные функции существенно раз-
лпчаются, то рельеф поля внутренних напряжений, выз ванных случайно расположенными точечными дефекта ми, имеет характер, отличающийся от такового для ан самбля дислокаций.
(Создаваемые дефектами кристаллической решетки поля внутренних напряжений разделяют на близкодей ствующие и дальнодействующие [67]. К первым отно сятся напряжения Пайерлса, напряжения, создаваемые отдельными примесными атомами, лесом дислокаций, зонами Гиньс-Престона, центрами радиационных пов реждений; ко вторым — скопления примесных атомов, выделения второй фазы, взаимодействие дислокаций в параллельных плоскостях и др. Соответствующие ком поненты эффективного напряжения т* -и г* определяют части внешнего напряжения, необходимого для опреде ления соответственно близко- и дальнодействующих по лей внутренних напряжений при движении дислокации. Во многих случаях значению т* придают смысл стартово го атермического напряжения, необходимого для мак роскопического перемещения дислокации. Рис. 22,а ил люстрирует медленно изменяющуюся протяженность
GO