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

Оценка накопления усталостного повреждения при нестационар­ ном режиме нагружения посредством линейного суммирования от­ носительных пробегов, по мнению некоторых исследователей, физи­ чески не обоснована и принята по произвольным соображениям. В частности, при такой оценке не учитывается влияние на [развитие усталостного повреждения очередности высоких и низких ступеней

ного суммирования повреждений по фор­ муле (84) в случаях многоступенчатого циклического нагружения.

Стремясь к физическому совершенствованию метода сумми­ рования усталостных повреждений А. В. Гурьев и В. В. Козуб обратили внимание на деформационный и энергетический критерии в связи с петлей гистерезиса, обусловленного упругими несовершен­ ствами материала. Используя указанные критерии, эти исследова­ тели предложили рассматривать в качестве признака усталостного повреждения скольжение в отдельных микрообъемах и эксперимен­ тально установили на образцах из стали справедливость линейного

суммирования накопления повреждений по формуле = 1,где

т — число зерен на участке поверхности с полосами скольжения при неразрушающем повреждении под влиянием циклического пере­ напряжения, а М — число зерен на том же участке поверхности образца при разрушении его от того же перенапряжения.

168

Таблица 10

Пределы выносливости образцов, кгс/мм2, неповрежденных

и с трещинами усталости от предварительной перегрузки

Как уже излагалось в § 38, при кратковременных перегрузках сопротивления возникновению и распространению трещин усталости имеют одинаковые значения. Если же остановить перегрузку при

с весьма существенным повышением сопротивления распростране­ нию трещины усталости. Так, например, в одном исследовании [8] испытывались плоские образцы из сталей Ст. 3 и 10ХСНД при воз­ буждении в них напряжений чистого изгиба, изменяющихся по сим­ метричному циклу с частотой 1500 цикл./мин. Ширина образцов составляла 50 мм, толщина 10 мм, боковые надрезы глубиной 8 мм, возбуждающие концентрацию напряжений, уменьшали ширину ослабленного сечения до 34 мм. На одних образцах надрезы пред­ ставляли собой щели с просветом 0,3 мм, а на других — дно надрезов скруглялось радиусом 1 мм. Помимо обычных испытаний на уста­ лость, образцы циклически перегружались, сначала для получения первичных трещин усталости после 10—20 мин, а затем испытыва­ лись серийно до разрушения. На рис. 117 представлены кривые усталости для неповрежденных и поврежденных образцов из стали 10ХСНД. Установленные по кривым усталости пределы выносливости приведены в табл. 10. Оказалось, что вызванные кратковременными перегрузками первичные трещины усталости, несмотря на предель­ ную остроту, слабее снижали циклическую прочность, чем надрезы, сделанные режущим инструментом. Такая «приспособляемость» ма­ териала к неблагоприятным условиям переменных напряжений сви­ детельствует о значительном деформационном упрочнении его и о на­ личии предположительно полезных остаточных напряжений, воз­ никающих вблизи надрезов при первоначальном кратковременном перенапряжении. Меньшая чувствительность материалов к усталост­ ной трещине, чем к надрезу, объясняется тем, что в случае знако­ переменного напряжения трещина при сжатии не срабатывает как концентратор из-за захлопывания. Поэтому амплитуда знакопере­ менного напряжения при трещине меньше, чем при надрезе.

169

§ 41

Влияние накопления усталостного повреждения на механические характеристики материалов и на хрупкую прочность сталей

Для усталостного повреждения характерно не только образование трещин усталости, но и неблагоприятное измене­ ние свойств материалов в результате действия повторно-перемен­ ного напряжения. Если значение циклического напряжения ниже предела выносливости, то действие такого напряжения не вызывает накопления большого повреждения и существенного изменения меха­ нических свойств. Но под влиянием циклического напряжения выше предела выносливости может несколько снизиться модуль упру­ гости, заметно измениться прочностные характеристики и способ­ ность материалов деформироваться пластически.

Рассмотрим изменения некоторых механических характеристик под влиянием усталостного повреждения по экспериментальным данным А. М. Затипякина для сталей и сплава титана [31 ]. Накопле­ нию повреждения подвергались круглые образцы при напряжениях симметричного цикла от изгиба или кручения. Переменные напря­ жения на образцах большинства серий превышали предел вынос­ ливости, но были ниже предела текучести, а на образцах некоторых серий составляли 95% от предела выносливости.

Повреждающие циклические пробеги п при напряжениях выше предела выносливости составляли (0,2н-0,8) N (N — число разру­ шающих циклов); при напряжениях ниже предела выносливости циклические пробеги имели значения от 1 до 10 млн. циклов. После накопления повреждения образцы испытывались на статическое кру­ чение до разрушения, в результате чего определялись модуль сдвига, предельные напряжения и максимальный относительный сдвиг.

Для оценки усталостного повреждения были вычислены отно-

Тповр —

шения механических характеристик —---- = т исследованных ма­

териалов в поврежденном и исходном состояниях.

При напряжении выше предела выносливости от статического кру­ чения (рис. 118) наблюдались сложные изменения относительных

пределов пропорциональности тпц и текучести т0,3 в зависимости от относительного числа циклических пробегов, свидетельствующие

о взаимодействии процессов упрочнения и разупрочнения материала

вусловиях повторно-переменного деформирования. Предел теку­ чести взят по ГОСТ 3565—58 как напряжение при 0,3% от остаточ­

ного сдвига.

На рис. 118, а приведены экспериментальные данные для стали марки 20. Верхние границы областей тпц и т0,3 соответствуют отно­ сительным циклическим пробегам при напряжениях 1,1т_х— при кручении и 1,05а_! — при изгибе, а нижние границы — при напря­ жениях ЕЗт.! и 1 ^Зсг^ соответственно. На рис. 118, б представлены те же характеристики для стали 09Г2С: 1 — материал нормализо­ ванный; 2 — материал перегретый; циклический пробег происходил

170

при напряжении, равном 1,2о_г. Рис. 118, в относится к образцам из сплава титана: циклический пробег — при напряжении кручения, равном 1,4т.! (кривые 1) и 1,2г_г (кривые 2). Как видно из рис. 118, а — в, изменения предельных напряжений протекали по-разному

в зависимости от относительного числа циклических пробегов при пере­ менных напряжениях выше предела выносливости.

для различных материалов, причем предел пропорциональности из­ менялся заметнее предела текучести.

Изменение относительного модуля сдвига G = _„пов— в зависи-

жений изгиба или кручения, составляющих от 1,05 до 1,2 предела выносливости. С возрастанием числа циклов модуль сдвига сни­ жался, примерно асимптотически приближаясь к 0,98—0,92 перво­ начального значения, что свидетельствовало о некотором ослабле­ нии связей атомно-кристаллической решетки материалов в процессе

171

циклического деформирования. Наиболее заметно модуль сдвига изменялся при циклических пробегах п < 0,4N.

Под влиянием повторно-переменного деформирования проис­ ходило непрерывное изменение способности материалов деформиро­ ваться пластически перед разрушением. Об этом свидетельствует

у неповрежденного. Заштрихованная площадь представляет собой потерю способности поврежденного материала к энергопоглощению.

При переменных напряжениях, составляющих 0,95 предела вы­ носливости (рис. 120), возрастание циклических пробегов до 4-10® отрицательно влияло на значения исследуемых механических харак­

172

пряжении кручения. Пробеги выше 4• 106 циклов не вызывали даль­ нейшего изменения механических характеристик.

Об отрицательном влиянии циклического перенапряжения на способность материалов деформироваться пластически свидетель­ ствовали некоторые данные инженерной практики. Такое проявление накопленного усталостного повреждения вызывало беспокойство тех­ нических кругов и побудило специалистов развернуть соответствую­ щие исследования, которые были выполнены преимущественно на

вреждения также свидетельствовало повышение критической темпе­ ратуры при ударном изломе образцов на 10—20° С.

Накопление усталостного повреждения рельсовой стали изуча­ лось И. А. Одингом и Т. С. Марьяновской [53]. На круглых надрезан­ ных образцах, предварительно подвергнутых упругому изгибу и вра­ щению, а затем испытанных на ударный излом, получены следующие результаты. Образцы из стали, взятой непосредственно после про­ ката, имели существенное повышение критической температуры хруп­ кости при изломе с возрастанием числа циклов. Образцы из терми­ чески обработанной стали не повреждались от циклического пробега. В этом же исследовании установлена возможность «залечивания» усталостного повреждения промежуточным отпуском при темпера­ туре 600—650° С.

Наблюдения за эксплуатацией судокорпусных конструкций по­ казали, что число повреждений в течение третьего и четвертого года эксплуатации возрастает. По некоторым соображениям, эти повре­ ждения являлись результатом накопления малоциклового поврежде­ ния от перегрузок в начальный период эксплуатации, а также

173

174

М. Л, Никишиной [10], материалом служили прокатные листовые судокорпусные стали. Марки сталей, толщина листов, состояние поставки, их химический состав и механические свойства представ­ лены в табл. 11. Из листов, с сохранением их толщины, изготовля­ лись плоские образцы размером 120 X 150 мм с односторонним надре­ зом для испытаний на внецентренное растяжение (см. рис. 80).

Образцы испытывались серийно, при комнатной температуре, малоцикловым нагружением, при номинальных напряжениях выше

больше, чем в случае однократного нагружения до разрушения. При числе циклов от 10 до 900 наблюдался переходный вид разрушения, а при числе циклов более 900 наступало характерное усталостное разрушение. По данным серийных испытаний образцов строились кривые малоцикловой усталости (5 <3 N <<7000 циклов).

По кривым усталости взяты повреждающие нагрузки Рп, соот­ ветствующие им предельные долговечности N, а затем произвольно назначены повреждающие пробеги пх <^п%<^ . . . •< N в циклах, и все это сведено в табл. 12.

При пробеге около 400 циклов появлялась первичная трещина усталости, а с возрастанием пробега до 600 циклов трещина иногда углублялась на 2 мм. Кроме того, серии образцов из сталей 09Г2С и 10ХСНД повреждались однократным внецентренным сжатием под нагрузкой, составлявшей 0,9 наибольшей нагрузки однократного внецентренного растяжения. Под действием сжатия противополож­ ные стороны надреза сближались вследствие пластической дефор­ мации, а радиус скругления несколько уменьшался. При этом, из-за неравномерности пластической деформации, вблизи надреза возбу­ ждались объемные растягивающие напряжения. При последующем растяжении образца указанные остаточные напряжения должны

175

ниженной температуре. Для каждого образца определялась наи­

тания, согласно признакам, рассмотренным в § 28 (см. табл. 6), установлены три реологических состояния стали: 1) высокой пластич­ ности, 2) ограниченной пластичности, 3) хрупкое. Эти три состояния разделялись двумя критическими температурами [10]. Повышение критических температур в связи с возрастанием повреждающего циклического пробега было заметнее на стали Ст. 3 и составляло от 40 до 50°. Низколегированные стали оказались менее чувствитель­ ными к накоплению усталостного повреждения, и для образцов из сталей 09Г2С и 10ХСНД критические температуры повысились после циклических пробегов при внецентренном растяжении на 20°, а после однократного сжатия — на 30°.

В табл. 13 представлены нагрузки при внецентренном растяжении до разрушения поврежденных образцов в процентах от нагрузок для образцов без повреждения при трех состояниях сталей Ст. 3, 09Г2С, 10ХСНД. Согласно экспериментальным данным, накопление повре­ ждения даже при образовании трещин малоцикловой усталости не­ значительно влияет на прочность, если разрушению предшествует пластическая деформация (состояние 1). Снижение сопротивления хрупкому разрушению (состояние 3) при повреждении оказалось более заметным, причем для углеродистой стали Ст. 3 это сопротивле­ ние снизилось в неблагоприятном случае почти в 6 раз. Низколегиро­ ванные стали оказались менее чувствительными к малоцикловому повреждению и имели снижение сопротивления хрупкому разруше­ нию иногда на 18% после отнулевого растяжения образцов и на 36%— после однократного сжатия. Значительное отрицательное влияние предварительного однократного сжатия наблюдалось только в случае хрупкого состояния сталей и оказалось пренебрежимо малым при состоянии высокой' пластичности.

Поясним графически (см. рис. 122) влияние малоциклового повреж­ дения на сопротивление стали разрушению. Сопротивление пластиче-

176

Таблица 13

Нагрузки статического внецентренного растяжения поврежденных образцов (Рп>о), отнесенные к нагрузкам

неповрежденных образцов (Р 0) ПРИ тРех состояниях стали, %

скому деформированию представлено кривой 1, сопротивление хруп­ кому разрушению—линиями 2 и 3. Если первое сопротивление почти одинаково для материала неповрежденного и поврежденного, то сопротивление хрупкому разрушению поврежденного материала (линия 3) значительно ниже, чем неповрежденного (линия 2). Осо­ бенно резкое снижение хрупкой прочности в связи с малоцикловыми повреждениями, появившееся у стали Ст. 3, объясняется ее менее совершенной технологической подготовкой в исследованном случае, чем низколегированных сталей.

Таким образом, наличие трещин незначительно влияет на сопро­ тивление разрушению при состоянии высокой пластичности, но мо­ жет оказаться причиной резкого снижения сопротивления разруше­ нию в условиях, способствующих появлению хрупкости. В йоследнем случае возникает вопрос об отрицательном влиянии углубления трещин на сопротивление хрупкому разрушению. В связи с этим исследовалось сопротивление хрупкому разрушению образцов с пред­ варительно накопленным неразрушающим усталостным поврежде­ нием и с выращенными трещинами усталости различной длины. Одна серия плоских образцов изготовлялась из листа углеродистой стали толщиной 8 мм, шириной 20 мм. На одном боку образцов имелся угло­ вой надрез глубиной 3 мм с раскрытием 60°, скругленный радиусом 0,25 мм. Эти образцы для накопления неразрушающего повреждения и выращивания трещин глубиной до 10 мм предварительно повторно­ переменно изгибались в плоскости наибольшей жесткости. Напря­ жение образцов изменялось по симметричному циклу. Амплитуда номинального напряжения составляла 25 кгс/мм2 и была близкой