книги из ГПНТБ / Быков В.А. Пластичность, прочность и разрушение металлических судостроительных материалов

зывает особое воздействие на масштабный эффект. В коррозионной среде, в отличие от воздушной среды, масштабный эффект прояв­ ляется двояко и его влияние может быть не только отрицательным, но и положительным. В частности, для конструкционных сталей при сравнительно больших напряжениях и небольших числах цик­ лов масштабный эффект сказывается отрицательно, т. е. при увели­ чении размеров поперечного сечения образца предел выносливости в коррозионной среде снижается. При меньших напряжениях и боль­

Существует несколько объяснений снижения циклической проч­ ности под влиянием коррозии. Сторонники более ранней химической теории основной причиной считали образование окислов на поверх­ ности металла, соприкасающегося с коррозионной средой. Но, с дру­ гой стороны, под влиянием переменного напряжения окислы разру­ шаются и поэтому слабее защищают металл от дальнейшей коррозии, чем при постоянном напряжении. Другое, более современное объ­ яснение вытекает из теории электрохимической коррозии. Согласно этой теории поверхность металла, соприкасающегося с раствором электролита, например с водным раствором солей, служит короткозамкнутым многозлектродным гальваническим элементом. Микро­ элементы образуются из неоднородных участков структурных состав­ ляющих материала, обладающих разными электропотенциалами. В напряженном металле при наличии некоторой поверхностной не­ ровности с сопутствующей микроконцентрацией напряжений разность потенциалов увеличивается. При этом ионы металла с анодных участ­ ков переходят в раствор электролита, и эти участки разрушаются. При переменной напряженности и при образовании трещин рас­ смотренный процесс становится интенсивнее, чем при постоянной напряженности.

150

Усиление усталостного процесса при соприкосновении с корро­ зионной средой может объясняться адсорбционной теорией. Согласно этой теории адсорбция поверхностно-активных элементов в местах начальных трещиноподобных дефектов вызывает расклинивание де­ фектов, образование и углубление трещин, в связи с чем понижается сопротивление усталостному разрушению.

Обстоятельное и подробное рассмотрение природы коррозионной усталости металлов дано в работе В. В. Романова [60].

Частота циклов. Зависимость циклической прочности от частоты циклов напряжения оказывается сложной. В разных условиях экс­ перимента влияние частоты может быть противоположным.

Повышение частоты циклов увеличивает скорость деформирова­ ния, что, в свою очередь, вызывает увеличение сопротивления пла­ стической деформации и, следовательно, сдерживает развитие реоло­ гического процесса. Соответственно задерживается накопление по­ вреждений, предшествующее излому от усталости. Поэтому при высокочастотных испытаниях циклическая прочность может ока­ заться больше, чем при низкочастотных.

С возрастанием частоты циклов усиливается выделение тепла, эквивалентное работе внутренних сил, в связи с упругими несовер­ шенствами материала образца и петлей гистерезиса каждого цикла. При неудовлетворительном отводе тепла температура образца может существенно повыситься, что усилит фазовые превращения в мате­ риале, способствующие дисперсионному упрочнению; в случае силь­ ного повышения температуры происходит восстановление свойств (отдых) материала. Преобладание либо фазового превращения, либо отдыха материала в зависимости от температуры нагрева и продол­ жительности испытания может изменять свойства материала в про­

тивоположных направлениях.

В условиях коррозионной среды частота циклов может влиять на усталостную прочность только в одном направлении. При низкоча­ стотных испытаниях пределы выносливости и усталостная долго­ вечность судокорпусных сталей в коррозионной среде, как правило, оказываются меньшими, чем при высокочастотных испытаниях.

По экспериментальным данным X. А. Кулдма [41], полученным при изгибе с вращением круглых образцов из углеродистой и низко­ легированной сталей в воздушной среде при частоте 340, 640 и 3000 об/мин, пределы выносливости на базе 5 -10е циклов оказались одинаковыми для всех трех частот. Для большинства серий образ­ цов линии усталости при частоте 3000 цикл./мин расположились с меньшим наклоном, чем при частоте 340 цикл./мин. С возрастанием перенапряжения линии пересекаются. Пересечение линий усталости обусловлено влиянием на свойства стали нагрева, который оказы­ вается значительным при больших перенапряжениях.

С целью изучения влияния частоты циклов на предел выносливости испытывались на усталость плоские образцы из судокорпусных угле­ родистых и низколегированных сталей при напряжениях изгиба, изменявшихся по симметричному циклу с частотой 16 и 500 цикл./мин [9]. Линии усталости при большей частоте расположились также

151

с меньшим наклоном, чем при меньшей частоте, и пересекались при напряжении, близком к пределу текучести, т. е. тогда, когда проис­ ходит заметный нагрев испытываемых образцов. Из-за длительности низкочастотных испытаний пробег ограничивался 4-105 циклами, и предел длительной низкочастотной выносливости не определялся. При равных циклических долговечностях разница между предель­

ниченной выносливости, при­ мерно равному пределу текучести. Пределы длительной низкочастот­ ной и высокочастотной усталости можно считать одинаковыми.

Коэффициент асимметрии цикла. Пределы выносливости, выра­ женные через наибольшие крайние напряжения цикла, существенно

зависят от коэффициента асимметрии R = °?-|п ■. Представим из-

Чгаах

менение во времени напряжений при некоторых знакопеременных и знакопостоянных циклах и рассмотрим в качестве наиболее кон­ трастных напряжения симметричного цикла (R — — 1) и постоян­ ное напряжение (R = +1) (рис. 105). В указанных случаях предель­ ные напряжения составляют неравенство 0(^=_i) </O(r=0) <

< ог(0<«<1) < °(.R=+1) •

Общеизвестно, что пределы выносливости стали при отнулевом и симметричном циклах связаны зависимостью

Эта зависимос1ь проверена экспериментально [8J при изгибе образ­ цов из судокорпусной стали со сварными соединениями.

На основании инженерной практики и экспериментальных дан­ ных исследователи разрабатывали аналитические зависимости пре­ дела выносливости от характеристик цикла. Еще в 1909 г., используя

152

fe качестве экспериментальной характеристики прочности предел текучести при осевом растяжении, И. Г. Бубнов [6], по практическим соображениям, предложил брать предельное наибольшее напряжение цикла по формуле

Этой формулой до недавнего времени руководствовались корабле­ строители для приближенной оценки прочности корабля с учетом переменности эксплуатационной нагрузки.

По линейному графику, построенному согласно формуле (81) (рис. 106, а), предельные напряжения при разных коэффициентах

153

асимметрии цикла R составляют отношение: ог_х : сг0 : ст+1 -= = 1: 1,5:2. Это отношение характеризует возрастание предельного на­ пряжения с переходом от напряжения симметричного цикла к по­ стоянно действующему напряжению. Изменение предельных напря­ жений представляется также графически зависимостью крайних на­ пряжений цикла от среднециклового напряжения (рис. 106, б) или зависимостью амплитуды напряжения от этого же напряжения (рис. 106, в). По рис. 106, в предельные напряжения несколько умень­ шаются с возрастанием среднециклового напряжения. Согласно за­

Предел выносливости можно представить также в виде зависимости от среднециклового напряжения:

где ф 0,4 — коэффициент влияния среднециклового напряженияЭта формула рекомендована семинаром по усталости, проведенным НТО Судпрома в 1972 г.

Обобщение пределов выносливости. При разных напряженных состояниях пределы выносливости теоретически обобщаются в за­ висимости от главных напряжений. Так, для материалов, обладаю­ щих пластичностью, накопление повреждений, предшествующих раз­ рушению от усталости, можно рассматривать как следствие повторно­ переменной микропластической деформации. Следовательно, для этих материалов есть основание обобщать предел выносливости при разных напряженных состояниях по теориям пластичности. Справед­ ливость такого решения можно проверить, если сравнивать пределы выносливости, например, при линейном и плоском напряженных состояниях, соблюдая равные условия градиента напряжений и мас­ штаба. Как известно, линейное напряженное состояние возбуждается при изгибе узких образцов, в случае которого для растянутого во­

изгибе широких полос, в условиях которого для растянутого во­ локна Yj может достигать значения 1,13. Градиенты напряжений

7

изгиба и кручения могут считаться одинаковыми.

Пределы выносливости исследовались при изгибе и при кручении круглых гладких образцов из машиноподелочных сталей, углероди­ стой и легированной, а также при изгибе узких и широких полос из судокорпусной низколегированной стали [12]. В результате испы­ таний нескольких серий образцов установлена удовлетворительная сходимость пределов выносливости при симметричном цикле в обоб­ щенных напряжениях по теориям пластичности. Об этом свидетель­ ствуют отношения предела выносливости при плоском напряженном

154

состоянии по третьей теории ст_i (III) и по четвертой теории a_i (iv> к пределу выносливости при линейном напряженном состоянии в за­

для образцов в виде широких полос. Сходимость пределов выносли­ вости при плоском и линейном напряженных состояниях оказалась лучшей при использовании на­

сравнимого с пределом выносли­ вости гладкого образца. При этом в качестве экспериментальных

где Kz = KjKMK„ характеризует действие факторов, отрицательно влияющих на амплитудную часть напряжения в связи с концентра­ цией напряжений, масштабным эффектом, состоянием поверхности. Здесь значения Ка, Кы и Кп устанавливаются экспериментально при изменении напряжений по симметричному циклу. В частности, при изгибе, возбуждающем напряжения симметричного цикла (Rи — — 1),

155

найти обобщенное приведенное напряжение по общеизвестной из тео­ рий пластичности формуле

(III, IV) - Г * ■>к. п (III, IV). (83)

Для проверки справедливости изложенных соображений восполь­ зуемся экспериментальными данными Ю. А. Шаманина [70] о пре­ делах длительной выносливости, установленных на круглых гладких образцах диаметром 12 мм. Образцы испытывали напряжения изгиба, изменяющегося по симметричному циклу (Rn = —1) при одновре­ менном действии постоянного крутящего момента (RK = +1). Ис­

107 циклов, а также результаты их аналитической обработки сведены в табл. 9. Пределы выносливости в приведенных напряжениях по третьей и четвертой теориям даны в абсолютных значениях и в про­ центах от предела выносливости при чистом изгибе, при котором воз­ буждалось линейное напряженное состояние. Как показала обра­ ботка рассмотренных экспериментальных данных, с переходом к сложному напряженному состоянию (переменный изгиб и постоян­ ное кручение) пределы выносливости составили от 86 до 97% от предела выносливости при чистом изгибе. Меньшие отклонения по­ лучились у пределов выносливости, полученных по третьей теории. Пз этого можно заключить, что обобщение предела выносливости при сложном напряженном состоянии и при различных коэффициентах асимметрии составляющих напряжений приемлемо для практических решений.

Таблица 9

Предельные напряжения (пределы выносливости) циклического изгиба и постоянного кручения

156

В случае несимметричных циклов сходимость пределов выносли­ вости металлических материалов осложняется циклической неравнопрочностью при растяжении и сжатии. Об этом свидетельствует значительная разница в пределах выносливости образцов с одинако­ выми соотношениями главных напряжений в области концентратора, когда вблизи концентратора в одном случае происходило знако­ постоянное растяжение, а в другом — знакопостоянное сжатие.

§ 38

Образование и распространение трещин усталости

Для усталости, как для необратимого процесса, характерны изменения микроструктуры материала. Под действием переменного напряжения зерна материала испытывают многократное внутрикристаллическое скольжение и в этих зернах возникают сдвиги, обнаруживаемые оптическим микроскопом в виде линий. Используя электронный микроскоп, обладающий еще большей раз­ решающей способностью, исследователи установили, что линии сдвига представляют собой скопления образовавшихся трубчатых дырок диаметром менее 1 мкм. При дальнейшем возрастании числа циклов линии сдвига расширяются в полосы, а при достаточно вы­ соком напряжении на месте полос возникают микротрещины, которые проходят преимущественно по телу зерна. Возникновению микро­ трещин способствуют стыки двойников, а также границы фрагмен­ тов, на которые делятся кристаллические зерна под действием пере­ менных напряжений. В случаях ослабления междузеренных связей металлов трещины усталости развиваются по границам зерен, на­ пример в перегретом при термообработке металле, при повышенных температурах, а для легкоплавких металлов и при комнатной тем­ пературе [55]. Если напряжения ограниченны и не достигают пре­ дельного значения, то изменения, происходящие в материале, могут затухать, т. е. образование микротрещин достигает насыщения. Но в случае циклического перенапряжения развитие микротрещин не останавливается, они срастаются, образуя усталостные макротре­ щины. Последние углубляются, ослабляя изделие или образец и предопределяя излом от усталости.

Поскольку самые благоприятные условия для пластического де­ формирования материала складываются на поверхности деталей или образцов, то поверхность оказывается более уязвимым местом для возникновения трещин усталости, чем внутренние области. С по­ нижением температуры для большинства металлических материалов возникновение трещин усталости сдерживается, а их распростране­ ние происходит медленнее, чем при обычных температурах. Однако на хладноломком металле даже неглубокая трещина может оказаться причиной хрупкого разрушения. По наблюдениям некоторых иссле­ дователей, на гладких образцах в условиях глубокого холода тре­ щины усталости иногда вообще не образуются, а материал либо выдерживает любое число циклов, либо сразу же разрушается. Это

157

объясняется затормаживанием пластической деформации из-за хо­ лода, вследствие чего накопление повреждения не происходит и раз­ рушение утрачивает усталостный характер.

Наибольшее сопротивление разрушению от усталости оказывают гладкие образцы небольших размеров, излом которых наступает лишь при сравнительно высоких напряжениях. Зарождение первич­ ной трещины усталости, вызывающей местные напряжения, ускоряет процесс усталости. Появление трещины усталости можно обнаружить лишь при тщательном наблюдении за поверхностью исследуемого образца или детали. Отчетливо трещина видна на гладком шлифо­ ванном образце; в области надреза трещину заметить труднее; Однако на небольших гладких образцах, испытываемых на быстроходных машинах, от возникновения видимой трещины до излома проходит лишь несколько секунд или минут, что требует особой внимательности наблюдателя. С возрастанием размеров поперечного сечения гладких образцов распространение трещин усталости становится продолжи­ тельнее. Однако скорость распространения трещин при больших размерах образца может оказаться несколько выше, чем при малых. Можно считать, что при испытаниях на усталость гладкие образцы до возникновения трещины выдерживают не менее 90% общего числа циклов, а на распространение трещины с последующим изломом требуется не более 10% циклов. Практически при испытаниях глад­ ких образцов незначительный промежуток времени от появления трещины до излома образца не принимается во внимание, и при рас­ четах число циклов до появления трещины считается равным числу циклов от начала испытания образца до его излома от усталости.

Надрезанные образцы и детали с неизбежной концентрацией на­ пряжений разрушаются от усталости при значительно меньших номинальных напряжениях, чем небольшие гладкие образцы. Как уже отмечалось, первичные трещины усталости в надрезах видны не вполне отчетливо, и для их своевременного обнаружения жела­ тельно пользоваться лупой. Можно поверхность в зоне будущей усталостной трещины покрыть маслом или установить там тензометр. Появление пузырьков на масле и увеличение показаний тензометра будут свидетельствовать о скором появлении видимой трещины [49]. Вследствие сравнительно низкого напряжения, первичная трещина усталости не изменяет очень контрастно условий работы мате­ риала надрезанного образца или детали по сравнению с гладким образцом. Поэтому в низконапряженных надрезанных образцах или деталях, особенно при предельных заострениях надрезов, трещины усталости развиваются медленными темпами и распространение их может затягиваться. Так, например, при изгибе по симметричному циклу пластин из судокорпусной стали со сварными необработан­ ными швами распространение трещин усталости на 3/4 ширины

158