книги / Усталость металлов

Т а б л и ц а 16

Влияние среднего растягивающего напряжения на сопротивление усталости сплавов цветных металлов (исключая алюминий)

при осевом нагружении

стали непрерывно накопленная деформация в процессе устало­ стного испытания была не больше деформации, вызванной од­ нократным действием максимального напряжения цикла, при

условии, что предел усталости не был превышен. С другой сто­ роны, японские работы показали, что значительно большая де­ формация может возникать в результате повторного действия напряжения, даже если оно ниже предела усталости. Кроме то-

Рис. 51 Безразмерная диаграмма оа — От для алюми­ ниевых сплавов (см. табл. 15)

го, некоторые стали деформируются при напряжении, значи­ тельно меньшем статического предела текучести, т. е. пластиче­ ская деформация может происходить ниже линии Зодерберга. Свойства алюминиевых сплавов показаны на рис. 51, а других

93

сплавов — на рис. 52. Результаты для ряда алюминиевых спла­ вов средней прочности ложатся ниже линии Гудмана. Эти спла­ вы имеют высокое отношение a_i/cr*p, но низкое отношение От/овр, вследствие чего даже при низких средних напряжениях максимальное напряжение цикла превышает ат; возможно, что в этом случае переход за предел текучести является причиной заметного влияния среднего напряжения. Все результаты для высокопрочных и упрочненных старением алюминиевых сплавов ложатся выше или очень близко к линии Гудмана, за исключе­ нием одного. Исключение представляет тянутый алюминиево- цинково-магниевый сплав DTD 363 А; низкие значения предель-

ных напряжений могут вызываться микроструктурой, действую­ щей как источник концентрации напряжений [180].

На рис. 50—52 видно, что 90% всех результатов для пластич­ ных металлов лежат выше линии Гудмана, а 2/з — между линией Гудмана и параболой Гербера, поэтому линию Гудмана можно рекомендовать для расчетов в тех случаях, когда нет достаточ­ ных данных о прочности при асимметричном цикле. Все рассмот­ ренные результаты были получены при испытании плоских об­ разцов без концентраторов напряжений; эти выводы, безусловно, не применимы к деталям машин, имеющим концентраторы на­ пряжений. Влияние среднего напряжения на сопротивление усталости при наличии концентрации напряжений рассматри­ вается в гл. V.

Рассматриваемые экспериментальные результаты относятся к условиям осевого нагружения, но подобные результаты полу­ чены и при изгибе.

Уменьшение размаха напряжения с увеличением статической составляющей напряжения может быть меньшим при изгибе, чем

94

при осевом нагружении, так как сечение образца в процессе ис­ пытания не уменьшается даже если превышен предел текучести; экспериментальные результаты при изгибе, так же как при осе­ вом нагружении, ложатся большей частью между линией Гудмана и параболой Гербера. По ограниченным пределам устало­ сти при малых долговечностях имеется небольшое количество

Рис. 53. Диаграмма оа — от для листового материала:

1 - SAE4130; 2 — 75S-T6; 3 — 24S-T3; 4 — М1А-Н24: 5 —

AZ61A-H24; 6 - AZ31A-H24

данных, но как для сталей (161], так и для алюминиевых спла­

вов [181] большинство результатов также ложится между лини­ ей Гудмана и параболой Гербера.

Влияние среднего напряжения особенно важно учитывать для листового материала, потому что детали из листа обычно нагружены только растяжением; некоторые данные для листо­ вого материала показаны на рис. 53. Состав испытанных мате­ риалов и условия испытания приведены в табл. 17.

Все результаты для стального листа ложатся выше линии Гудмана, то же свойственно большинству алюминиевых сплавов.

Для магниевых сплавов испытания при асимметричном цикле не проводились и линия Гудмана не могла быть проведена. Одна­ ко, если предполагалось, что cr_i = !/зсгер, то все результаты для магниево-алюминиевых сплавов ложились ниже линии Гудмана. Были испытаны листовые образцы трех магниевых сплавов после отжига, результаты также расположились ниже линии Гудмана.

Влияние среднего сжимающего напряжения на пластичные металлы. В то время как статическое растягивающее напряжение снижает размах напряжения, которым характеризуется сопро­ тивление усталости материала, приложение статического сжи­ мающего напряжения обычно повышает его. Экспериментальные

Рис. 54. Диаграмма оа —с т для средних напряжений растяжения и сжатия:

1 — алюминиевый сплав BS1476 [180]; 2 — никельхромомолибденовая сталь [176]; 3 — углеродистые стали; 4 — дуралюмин (IV); 5 — мягкая сталь (188); 6 — алюминиевый сплав 24S-T* [188]

данные не всегда являются надежными из-за трудностей прило­ жения осевой нагрузки к образцам при испытании на усталость.

Данные Сайниса [188], включающие только результаты, где была обеспечена соосность нагружения, отчетливо показали этот эффект. Эти результаты вместе с более поздними английскими данными показаны на рис. 54. Изучение влияния среднего на­ пряжения сжатия особенно важно в связи с рассмотрением эф­ фекта остаточных напряжений на сопротивления усталости.

Влияние среднего касательного напряжения на пластичные металлы. Среднее касательное напряжение, накладываемое на переменное касательное напряжение, обычно мало влияет на со­ противление усталости при условии, что максимальное напряже­ ние цикла не превышает предела текучести. Это видно из диа­ граммы Смита [189], где нанесено большое число эксперимен­ тальных результатов, полученных для металлов. Другие испыта­ ния показали небольшое снижение предела усталости с увеличе­ нием среднего касательного напряжения для никелехромомолиб­ деновой стали [56, 190] и для алюминиевого сплава 75S-T6 [138]. Также было показано, что среднее касательное напряжение мало влияет на предел усталости при изгибе, но среднее растягиваю-

96

щее напряжение снижает предел усталости при переменном ка­ сательном напряжении, а среднее сжимающее напряжение по­ вышает его [56, 188].

Рис. 55. Безразмерная диаграмма переменное касательное напряжение — мак­ симальное касательное напряжение для пластичных металлов при кручении (Смит [189]):

1 — Cr-Ni сталь, закаленно-отпущенная; 2 — сименс-мартеновская сталь; 3 — конструк­ ционная сталь, мягкая; 4 — бронза А после прокатки; 5 — алюминиевый сплав 17ST; 6 — алюминиевый сплав 27ST; 7 — алюминиевый сплав 53ST; 8 — мягкая сталь, горяче­

каленная н отпущенная; 19 — Cr-V сталь, закаленная и отпущенная; 20 — SAE 3140,

Влияние среднего напряжения цикла на сопротивление уста­ лости чугуна. Среднее растягивающее напряжение обычно умень­ шает сопротивление усталости чугуна в большей степени, чем

Рис. 56. Безразмерная диаграмма R — М для чугуна [189, 191]):

1 — модифицированная ли­ ния Гудмана; 2 — линия Смита; X — серый чугун при осевом напряжении (из различных источников, Смит [189]); # — серый чугун при кручении (по максимально­ му главному напряжению, которое равняется макси­ мальному касательному на­ пряжению) (из различных источников, Смит [189]);

О — ковкий чугун при осе­ вом напряжении (Помп и

Хемпель [191]).

это вытекает из зависимости Гудмана; в отличие от пластичных металлов, статическое кручение вызывает подобное влияние на сопротивление усталости при кручении. Некоторые эксперимен­ тальные результаты показаны на рис. 56. Большинство результа-

пы, причем значение x~\h~\ значительно выше для хрупких, чем для пластичных металлов (табл. 18). При отсутствии эксперимен­ тальных данных предел усталости при кручении может приблизи­ тельно определяться по средним значениям T_i/a_i, приведенным в таблице. Для металлов и сплавов (кроме сталей) базы для определения предела усталости показаны на рис. 59. Для сталей

ное для сравнения, но для алюминиевых сплавов это отношение с увеличением N снижается. Например, для алюминиевых спла­ вов средние значения т-\/о-\ составляют [135]:

О других сплавах, достаточных сведений не имеется. Сопротивление усталости при комбинированном действии из­

гиба и кручения. Так как экспериментальные значения t-i/a-i изменяются в широких пределах, то нельзя полагаться ни на один из критериев для определения сопротивления усталости при сложном напряженном состоянии. Поэтому Гаф предложил использовать два эмпирических уравнения, включающих экспе­ риментальные значения отношения T _ i/ a _ i [57]. В качестве одной из предельных кривых может быть принят эллипс, отвечающий уравнению

(21)

где аа — амплитуда нормального напряжения изгиба;