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

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

Для трещин многоцикловой усталости характерно их распростра­ нение по главным площадкам. Например, при повторно-переменном изгибе излом стальных осей от усталости распространяется по по­ перечному сечению (рис. 109, а). На участке вала, испытывающего повторно-переменное кручение, излом от усталости распространяется по косому сечению — тоже по главной площадке, которая составляет угол 45° с образующей (рис. 109, б). Распространение трещин уста­ лости по главным площадкам свидетельствует о том, что, несмотря на пластическую природу накопления повреждения, образование трещины происходит, видимо, в результате отрыва.

Рис. 109. Расположение трещин усталости на круглых деталях.

Разработка строгой аналитической''зависимости, характеризую­ щей скорость распространения трещин усталости, желательна для оценки ресурса эксплуатационной долговечности переменно-напря­ женных деталей. Однако эта разработка встречает трудности из-за влияния на скорость распространения трещин одновременно несколь­ ких факторов. К ним относятся: значение напряжения, вид напря­ женного состояния, способ нагружения (заданная сила или заданная деформация), температура, внешняя среда, свойства материала. В зависимости от этих факторов, при одних условиях трещина рас­ пространяется на большую глубину, а при других, менее благо­ приятных условиях лишь небольшая трещина предшествует остаточ­ ному излому. Иногда трещина распространяется неравномерно, с ускорениями и остановками. По многим наблюдениям, первичная трещина усталости сначала распространяется сравнительно быстро, затем движение ее замедляется и может оказаться равномерным с нарастанием числа циклов. С приближением к излому скорость развития трещины снова возрастает. Поэтому практически иногда принимаются в расчет средние скорости распространения трещин усталости.

Приведем данные экспериментального исследования распростра­ нения трещин усталости на образцах толщиной 2,6 мм, шириной 305 мм из листов алюминиевого авиационного сплава [44]. Посере­

160

дине ширины образцов находилось отверстие с боковыми надре­ зами, вызывающими местное напряжение при теоретическом коэф­ фициенте концентрации аа — 7,4. Образцы испытывались при ком­ натной температуре осевой силой. Напряжения изменялись по сим­ метричному циклу. На рис. ПО, а представлено увеличение длины трещин усталости /тр с возрастанием циклического пробега. Из ри-

Рис. ПО. Появление и скорость распространения трещин устало­ сти в зависимости от числа циклов и напряжения.

с/нка видно также, что с переходом к более высоким напряжениям развитие трещин от длины 5,1 мм до размера, вызывающего разру­ шение, происходит при меньшем числе циклов.. Характерным яв- л ется и неравномерное распространение трещин, которое ускоряется с приближением к излому от усталости. Распространение трещин усталости исследовалось также И. А. Разовым и Л. Ф. Художниковой [12] на плоских образцах с центральным отверстием, имеющим боковые надрезы, изготовленных из судокорпусных сталей марок 15ХСНД (СХЛ-1) и 10ХСНД (СХЛ-4), подвергавшихся осевому на­ гружению при напряжениях симметричного цикла (рис. 110, б). Представленные данные свидетельствуют о более высокой скорости распространения трещин в начальной и конечной стадиях их раз­ вития. Такие же выводы относительно развития трещин усталости получили С. Л. Маневич и М. Я. Шашин [46] в случае изгиба по

симметричному циклу плоских образцов с центральным отверстием из стали 10ХСНД.

Интересные данные о скорости распространения трещин уста­ лости в зависимости от номинального напряжения получены Г. Н. Всеволодовым на плоских образцах со скругленным концентра­ тором напряжений [17]. Образцы изготовлялись из свариваемой судокорпусной стали повышенной прочности (ав = 75 кгс/мм2, ф = 62%) и испытывались при напряжениях симметричного цикла

то, что материалы с низкими модулями, при прочих равных условиях, накапливают большую потенциальную энергию дефор­ мации, чем материалы с высокими модулями. Накопление большой потенциальной энергии деформации способствует раскрытию тре­ щин усталости и ускоряет их распространение. Это подтверждается экспериментальными данными Л. Демера, приведенными Р. Форре­ стом [67] для двух легких сплавов: одного■магниевого 1 (Е — = 4000 кгс/мм2), другого алюминиевого 2 (Е = 7000 кгс/мм2) — и для мягкой стали 3 (Е — 20 000 кгс/мм2) (рис. 111). В той же публикации указывается, что доля числа циклов, приходящаяся на распростра­ нение трещин усталости, оказывается больше для высокопластичных материалов, чем для материалов, склонных к хрупкости. Многие исследователи стремились выразить аналитически скорость распро­ странения трещин усталости как приращение длины трещины, от­ несенное к соответствующему приращению числа циклов напряже­ ния. Для материалов с заданными свойствами такая зависимость приближенно связывалась нелинейно с номинальным напряжением и с коэффициентом интенсивности напряжений в зоне трещины уста­ лости. Однако пока не появилось уверенности в справедливости вытекающих решений. ' .

162

В результате анализа и обсуждения многочисленных практи­ ческих и экспериментальных данных о неразрушающих и разрушаю­ щих повреждениях, у специалистов сложилось представление о су­ ществовании двух независимых стадий трещинообразования. Пер­ вая стадия представляет собой зарождение трещины, вторая стадия — распространение трещины, приводящее к излому, поэтому рас­ сматриваются раздельно сопротивления материала зарождению тре­ щины и ее распространению,

Предполагается, что, в случае усталости, с заострением надрезов и усилением концентрации напряжений сопротивление зарождению

имели надрезы разной остроты, вследствие которых теоретический коэффициент концентрации напря­

жений аа мог повышаться до 15. По ординатам, в зависимости от аа, отложены напряжения (пределы выносливости), соответ­ ствующие полному разрушению образцов от усталости (кривые 1), а также напряжения, при которых у дна надреза зарождались нераспространяющиеся трещины усталости (кривая 2). Кроме того, нанесена нисходящая кривая 3 расчетного напряжения, полученного путем деления предела выносливости гладких образцов <т_1гл на теоретический коэффициент концентрации напряжений аа, кото­ рое должно было бы вызывать усталостное повреждение после достижения величины аа значения, превышающего a ffKp. В действи­ тельности же этого не получилось (отсутствие горизонтального уча­ стка). При значениях a a > «акр заострение концентратора напря­ жений не влияет на предел выносливости (см. кривую /, горизон­ тальный участок). Но заострение надреза служит причиной образо­ вания нераспространяющихся трещин усталости, которые, однако, не снижают разрушающего напряжения. Таким образом,' при a<j>a<jKp сопротивление зарождению трещины меньше сопротивле­ ния распространению трещины.

§ 39

Влияние остаточных напряжений на предел выносливости

Остаточные напряжения, возникающие после пластического изгиба (см. § 19), например при выпрямлении сталь­ ного проката, обычно не превышают половины предела текучести и не имеют объемного характера. Эти напряжения изменяют крайние напряжения цикла и не влияют на значение и амплитуду сга. По экспериментальным данным, указанные остаточные напряжения не

Значительные остаточные напряжения возникают вследствие осе­ вой пластической деформации в области концентраторов. Например, после первоначального пластического сжатия надрезанного образца (см. рис. 67) вблизи надреза возникают остаточные растягивающие напряжения (рис. 114, а, области между кривыми 1 и 2). В случае повторно-переменного отнулевого сжатия напряжение у дна надреза оказывается знакопеременным (рис. 114, б, кривая 3) и обусловливает образование трещин усталости. В центре образца напряжение знако­ постоянное (кривая 4). Гладкие образцы, даже при больших напря­ жениях, превышающих предел текучести, не разрушаются от уста­ лости при отнулевом сжатии.

Остаточные же напряжения сжатия возбуждаются в результате поверхностной пластической деформации после обкатки деталей ро­ ликом или шариком, а также после дробеструйной обработки. Эти остаточные напряжения действуют в тонком поверхностном слое наклепанного металла. Они положительно влияют на циклическую прочность деталей, препятствуя образованию и раскрытию трещин

164

усталости. В судостроительной промышленности поверхностному упрочнению путем обкатки подвергаются гребные валы, гребные винты и другие детали, что обеспечивает значительное повышение их циклической прочности и долговечности.

Рис. 114. Отнулевое пластическое сжатие круглого образца с надрезом: а — рас­ пределение напряжений по сечению образца; б — изменение напряжений при цик­ лическом сжатии.

1 — напряжение при сжатии; 2 — напряжения, снимаемые при разгрузке; 3 — изменение напряжений на поверхности надреза; 4 — изменение напряжений в центре образца,

§ 40

Циклическая прочность при нестационарных параметрах цикла

Представленные ранее кривой вероятностного распределения по частотам (см. рис. 91) эксплуатационные напря­ жения конструкций фактически нестационарны во времени. В не­ которых случаях рассеяние эксплуатационных напряжений незна­ чительно. Но многие конструкции при эксплуатации могут иметь недогрузки и испытывать сильные перегрузки, в связи с чем возбу­ ждаемые напряжения колеблются в значительных пределах. За по­ следние годы внешним силам и их вероятностному анализу уделяется большое внимание [5], [28], [37].

В результате научных разработок к настоящему времени сло­ жились методы оценки статистических распределений переменных нагрузок на корпус судна за исключением области их экстремальных значений. На основе существующих представлений о нагрузках становятся возможными решения задач по усталостной долговечности конструкций. Однако создание оборудования для эксперименталь­ ных исследований усталостной прочности отстает от современных требований и далеко не обеспечивает приближения механического режима эксперимента к практическим режимам нагружения кон­

струкций. При таком положении усталостная прочность экспери­ ментально исследуется при произвольном назначении переменного напряжения. На основе сказанного можно заключить, что наиболее распространенные испытания образцов на усталость при постоянном синусоидальном изменении напряжений не обеспечивают механи­ ческого подобия между условиями эксплуатации и эксперимента. В целях приближения к механическому подобию целесообразно про­ водить эксперименты при нестационарной циклической напряжен­ ности образцов, задаваясь чередованием уровней напряжений. В частности, получило некоторое распространение испытание по двухступенчатому режиму напряженности, для которого характерны первоначальная неразрушающая циклическая перегрузка и после­ дующее, завершающее испытание при некотором предельном напря­ жении для выявления признака усталостного повреждения. Таким признаком может служить изменение сопротивления гладких образ­ цов завершающему статическому растяжению с неблагоприятным

ное повреждение оценивают по изменению петли гистерезиса при циклическом нагружении, используя деформационный и энергети­ ческий критерии. Не менее целесообразно проводить экспери­ менты на надрезанных образцах, подвергая их первоначально циклической перегрузке, а после повреждения испытывать на статический или ударный излом с определением разрушающего усилия или энергопоглощения, а также критической темпера­ туры хрупкости, что дает основание оценивать усталостное повреж­ дение по снижению способности материала деформироваться пла­ стически.

В качестве признака усталостного повреждения образцов, пер­ воначально подвергавшихся неразрушающим циклическим пере­ грузкам, можно рассматривать уменьшение предела выносливости материала этих образцов. Соответствующий эксперимент склады­ вается из следующих последовательных этапов. Сначала часть образ­ цов испытывается серийно на усталость общеизвестным методом, строится линия усталости 1 (рис. 115) и устанавливается предел вы­ носливости на базовом числе циклов. Далее другая часть образцов подвергается кратковременной неразрушающей перегрузке на не­ скольких уровнях напряжений сгн при неразрушающей циклической долговечности пи циклов. Затем последняя часть образцов испы­ тывается при напряжении, равном пределу длительной выносливости,

шихся образцов наносятся аналогичные точки, характеризующие циклическую тренировку и приспособляемость материала к пере­ грузке. По точкам проводится линия повреждаемости 2, ниже которой располагается область неповреждающих перегрузок. Между линиями повреждаемости и усталости перегрузки оказываются по­ вреждающими.

166

В качестве меры накопления повреждения при заданном пере­ менном напряжении можно рассматривать неразрушающую цикли­ ческую долговечность п, отнесенную к числу разрушающих циклов N. При линейном суммировании повреждений, накопленных, напри­ мер, при напряжениях начальном сгн (долговечности пи и NH) и ко­ нечном сгк (долговечности пк и NK), формула будет иметь вид

Сложение накопленных усталостных повреждений удобно предста­ вить графически в координатах nH/NH, nK/NK (рис. 116). Диагональ Л

указанное условие далеко не всегда существует. В одних случаях

гласно кривой В значение ^ < 1, что характеризует разупрочне­

ние материала, вследствие первоначальной перегрузки под напря­ жением он при пн циклов.

При нестационарных параметрах циклического нагружения при изгибе и вращении круглых образцов, исследованиями по усталости, выполненными на сталях и сплавах титана, установлено, что факти­ ческие значения суммарной относительной долговечности находятся

в пределах неравенства 0,3 < " ^ -^ -< 1 Ю [12]. В частных случаях

можно подобрать благоприятные циклические перегрузки, способ­ ствующие значительному упрочнению материала; на рис. 116 этому будет соответствовать линия Б.

167