книги / Циклическая прочность и ползучесть металлов при малоцикловом нагружении в условиях низких и высоких температур

определять графически по гладким кривым ползучести или рассчи­ тывать с использованием уравнений состояний, основанных на теории упрочнения.

Проиллюстрируем это утверждение на примере сплава ВТ5-1 (см. рис. 112, б). Здесь переход от напряжений 67,5 до 71 кгс/мм2 вы­ полнен при е = 3%. В соответствии с теорией упрочнения остаточ­ ная долговечность на последней ступени составляет по ветви сту­

ность для испытаний по программе 67,5 -> 71 кгс/мм2 соответствует на рис. 112, б величине абсциссы, характеризующей число циклов,

при которых образец разрушился. Фактически Л/“в = 5035 циклов,

циклической ползучести определение остаточной и эквивалентной долговечности при ступенчатом нагружении в области квазистатического разрушения может быть выполнено графически по гладким кривым циклической ползучести. Очевидно, что при прогнозирующих

не будет больше единицы. Необходимо также подчеркнуть, что независимо от уровня максимальных напряжений цикла (выше или ниже напряжений перехода ап) долговечность и кинетика про­ цесса циклической ползучести на первой и промежуточных ступенях циклического нагружения определяется в соответствии с теорией упрочнения величиной накопленной деформации и максимальными напряжениями цикла в пределах А < (0,8 ч- 1). Таким образом, расчет долговечности конструкционных сплавов в малоцикловой области при ступенчатом изменении циклической нагрузки должен основываться как на деформационных подходах (для квазистатической зоны), так и на принципах суммирования относительных дол­ говечностей (для зоны усталостного разрушения). Основываясь на результатах простых одноступенчатых испытаний, с использова­ нием подходов теории упрочнения можно рассчитывать кинетику процесса ползучести при многоступенчатом нагружении с практи­ чески удовлетворительным предсказанием вида разрушения и но­ мера ступени, на которой разрушение произойдет.

ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА МАЛОЦИКЛОВУЮ УСТАЛОСТЬ

Известно, что циклическая прочность металлов и сплавов, оценивае­ мая по результатам испытаний гладких образцов в лабораторных условиях, не всегда реализуется в условиях работы материала в конструкции. Это связано с тем, что в реальных условиях определя­ ющее влияние на прочность деталей и конструктивных элементов чаще всего оказывают различные эксплуатационно-технологиче­ ские факторы. Задача обеспечения достаточной конструкционной прочности элементов машин и сооружений и максимального ис­ пользования в них потенциальной прочности металлов является поэтому задачей первостепенной важности. Ее решение должно основываться на систематическом накоплении экспериментальных данных о влиянии тех или иных факторов на прочность и долго­ вечность.

В данной главе рассмотрены вопросы влияния некоторых экс­ плуатационно-технологических факторов на малоцикловую уста­ лость тонколистовых материалов на основе титана и алюминия при пульсирующем растяжении. Изучено влияние на характер кривых малоцикловой усталости материалов сварных соединений, поверх­ ностных трещин и поверхностной упрочняющей обработки. Некото­ рые обсуждаемые результаты носят качественный характер, однако они позволяют выяснить тенденции и уровень влияния перечис­ ленных технологических факторов на циклическую прочность спла­ вов и на изменение их способности сопротивляться деформированию

иразрушению.

§1. Сварные швы в алюминиевых и титановых сплавах

Наиболее слабые в прочностном отношении места конструкций ча­ ще всего совпадают с зонами сварных швов, в которых, как правило, неблагоприятно сочетаются условия неоднородного напряженного состояния с наличием поврежденного и ослабленного в процессе сварки металла. Если сварное соединение подвергается воздействию циклических нагрузок, то характер разрушения будет зависеть от конфигурации, типа швов и уровня действующих напряжений. При малом числе циклов до разрушения, когда напряжения близки к пределу прочности материала, разрушение может иметь квазистатический характер, и в этом случае долговечность определяется пре-

дельной пластичностью материала и интенсивностью протекания в нем процессов направленного пластического деформирования. При понижении напряжений характер разрушения изменяется от квазистатического к усталостному, при этом долговечность в большей степени зависит от конструкционных и технологических факторов. Для каждого конкретного сварного соединения при условии вос­ произведения реальных силовых циклов области перехода от одного вида разрушения к другому могут быть определены только экспе­ риментально. Малоцикловая усталость сварных швов исследовалась на сплавах титана (ОТ4, ВТ5-1, ВТЗ-1) и алюминия (Д20-1, 1203, АМгб) [177, 179]. Листовые образцы (см. рис. И, а) нагружались по режиму, приведенному на рис. 1, б. Образцы изготавливали та­ ким образом, что сварной стыковой шов находился в центральной части их рабочего участка и располагался перпендикулярно к про­ дольной оси образца.

Швы для алюминиевых сплавов выполняли автоматической аргонодуговой сваркой, при этом использовалась присадочная проволока такой же марки, что и основной металл. Сварка спла­ вов на основе титана выполнялась без присадочной проволоки неплавящимся электродом.

Известно, что прочность сварных швов в конструкции можно с удовлетворительной степенью приближения определить только при испытаниях на соответствующих моделях, если натурные испытания нельзя осуществить. Данные о циклической прочности сварных швов, полученные на небольших образцах, могут быть использова­ ны в основном при качественных оценках. Поэтому наши исследо­ вания имели следующие цели: во-первых, установить взаимосвязь характера (квазистатическое или усталостное) и места (по основному металлу, границе или телу шва) разрушения сварного соединения; во-вторых, определить, как влияют сварные соединения исследо­ ванных легких сплавов на протяженность зон квазистатического и усталостного разрушений и циклическую прочность при двух ви­ дах разрушения; в-третьих, выяснить, каким образом влияет низ­ кая температура на малоцикловую усталость легких сплавов о учетом сварных швов. При испытаниях в комнатных условиях ис­ пользовали два типа образцов: с обработанным до толщины листа сварным швом и необработанным. В первом случае изучалось соот­ ношение между прочностью основного металла, шва и околошовной зоны при повторно-статическом нагружении, во втором — конст­ рукционная прочность сварного соединения в целом в таких же ус­

сварного соединения которого наблюдается существенный рост зерен, приводящий к охрупчиванию, роль конфигурации шва в ограниче­ нии долговечности сварного соединения становится более важной. Прочность необработанных швов заметно снижается по сравнению с обработанными, при этом для образцов второго типа наблюдается существенный разброс результатов испытаний, величина которого зависит от степени несимметричности шва относительно рабочего участка образца и степени воспроизводимости конфигурации (по­ стоянства формы) шва от образца к образцу. В несимметричных швах возникают вызванные внецентренным растяжением дополни­ тельные растягивающие напряжения, которые для малопластичного материала, каким является сплав ВТЗ-1 в зоне шва, не могут быть уменьшены в результате пластического деформирования, как это имеет место в алюминиевых сплавах, и квазистатическое разруше­ ние происходит только в зоне шва. Поэтому, если образцы первого типа из сплава ВТЗ-1 разрушались по шву и основному металлу, то разрушение необработанных образцов в основном происходило в месте резкого изменения формы шва, т. е. в пограничной зоне шва. При усталостном характере разрушения влияние перечисленных факторов еще более существенно как для сплава ВТЗ-1, так и для алюминиевых и титановых сплавов. Трещины зарождаются на границе шва и основного металла в месте резкого изменения конфи­ гурации сварного соединения и развиваются перпендикулярно к оси образца во всех исследованных сплавах: и высокопластичном АМгб и малопластичном ВТЗ-1 (см. рис. 118). При этом долговеч­ ность необработанных сварных соединений по сравнению с обрабо­ танными существенно уменьшается при усталостном разрушении, и это уменьшение особенно четко проявляется для менее пластичных сплавов ВТЗ-1 и Д20-1 (долговечность падает на один порядок) и в меньшей степени — для высокопластичного сплава АМгб.

Таким образом, результаты исследования малоцикловой устало­ сти трех контрастных по своим свойствам легких сплавов показыва­ ют, что с уменьшением пластичности сплавов прочность и долговеч­ ность выполненных из них сварных соединений значительно снижа­ ется по сравнению с основным металлом.

При комнатной температуре в области квазистатического разру­ шения кривые малоцикловой усталости сварных соединений неко­ торых сплавов практически совпадают с кривыми основного ме­ талла (АМгб, ОТ4, ВТ5-1). Это относится к сплавам, разрушение которых локализуется вне зоны сварного шва, и в этом случае дол­ говечность определяется прочностью основного металла. Если зона квазистатического разрушения совпадает с зоной шва, циклическая прочность и долговечность таких сварных соединений, как правило, резко уменьшается (ВТЗ-1, 1203) (см. рис. 117 и 119). При усталост­ ном разрушении сварных соединений трещины всегда зарождаются в зоне шва, и поэтому их циклическая прочность по сравнению с основным металлом также уменьшается, а кривые малоцикловой усталости смещаются в область меньших долговечностей. Следова­

соответствующих кривых основного металла, однако зоны перехода от квазистатического разрушения к усталостному для сварных со­ единений смещаются в область меньших долговечностей и больших напряжений. При понижении температуры прочность сварных соединений легких сплавов, так же как и прочность основного ме­ талла, растет, но их способность сопротивляться усталостному раз­ рушению уменьшается.

§ 2. Поверхностные трещины в алюминиевых сплавах

Поверхностные трещины, так же как и сварные швы, могут оказы­ вать заметное влияние на малоцикловую усталость легких сплавов. Речь идет о трещинах, возникших не в результате малоциклового

развивались в направлении толщины образца 5, равной 2,5 мм (рис. 120), при этом t = 6 мм. Длину трещины фиксировали в про­ цессе испытаний на боковой грани образца с помощью микроскопа МБС-2 с точностью 0,007 мм. Трещины имели фронт, близкий к прямолинейному, и поэтому ошибкой в определении их длины на гранях можно пренебречь.

Испытания при повторно-статическом нагружении проводили на таких уровнях напряжений, которые обеспечивали разрушение образцов с трещиной в области малоцикловой усталости, т. е. при небольшом числе циклов, когда разрушению предшествует макро­

пластическое деформирование материала. Если номинальные напря­ жения в устье начальной трещины с учетом внецентренного растяже­ ния образца несколько меньше предела текучести или равны ему, то в процессе роста трещины их значения увеличиваются и перед разрушением значительно превосходят предел текучести. Поэтому при разрушении трещина раскрывается не только из-за увеличения своей длины, но также благодаря интенсивному пластическому де­ формированию материала в зоне долома. По результатам испытаний малых образцов при таких условиях разрушения нельзя определять критерии разрушения Кс, К\с и б, разработанные для случаев хруп­ кого разрушения, а также для таких случаев, когда протяженность пластической зоны в устье трещины мала по сравнению с размера­ ми образца и ее влияние может быть учтено соответствующей по­ правкой [34]. В образце, приведенном на рис. 120, размеры в направлении развития трещины малы, поэтому между устьем трещины и границей образца промежуточная упругая область может не существовать. Поле пластических деформаций в этом случае распространено от трещины по сечению образца до его свободной границы. При таком состоянии материала между устьем трещины и свободной границей разрушение произойдет после развития пол­ ной пластической неустойчивости.

Необходимо отметить, что пластическое деформирование мате­ риала в малых лабораторных образцах не позволяет судить о его по­ ведении в реальных конструкциях в связи с различными проявле­ ниями масштабного эффекта [84], а расчетные методы для оценки сопротивляемости материала распространению трещин при пласти­ ческой неустойчивости в крупногабаритных конструкциях по ре­ зультатам испытаний малых образцов, так же как и для хрупкого разрушения, еще недостаточно разработаны. Поэтому рассматривае­ мые ниже зависимости долговечности образцов от величины дейст­ вующих с учетом трещины номинальных напряжений и закономер­ ностей роста трещины при различных амплитудах циклических на­ пряжений практически имеют качественный характер. В реальных конструкциях рост поверхностных трещин конечных размеров при упруго-пластическом малоцикловом нагружении может иметь место, если режим работы деталей характеризуется чередованием вибрационных и повторно-статических нагрузок. Зарождение и рост поверхностных трещин до конечных размеров в несколько десятых миллиметра происходит при вибрационном нагружении деталей в местах структурных и технологических дефектов, после чего тре­ щины развиваются вследствие повторно-статического нагружения.

Реализовать условия испытаний, близкие к реальным, на на­ турных изделиях не всегда возможно, поэтому способность материа­ ла с трещинами сопротивляться повторно-статическому нагружению необходимо оценить на малых образцах хотя бы качественно.

Результаты исследования малоцикловой усталости сплавов Д20-1 и АМгб На гладких образцах малых размеров и образцах с трещинами приведены на рис. 121. Кривые /, характеризующие

долговечность гладких образцов, имеют два типичных участка: горизонтальный — квазистатического разрушения и наклонный — усталостного. Полоса разброса малоцикловой усталости 2 образцов

образцы с меньшими начальными длинами расположены возле верх­ ней границы полосы разброса, а с большими — возле нижней. Ха­ рактер роста трещин в исследованном диапазоне напряжений и на­

дии циклирования при таких условиях нагружения, когда сущест­ венно сказывается пластичность материала, заметно отличается (и особенно для высокопластичного сплава АМгб) от характера их развития в условиях хрупкого разрушения [89, 227].

При полностью или частично упругом деформировании материала в устье трещины конечной длины ее рост начинается при первых циклах малоциклового нагружения. У трещин с большой зоной пластической деформации, соизмеримой или равной размеру между устьем трещины и свободной границей образца, наблюдается стадия