книги / Циклическая прочность металлов

зуется сравнительно быстрым ростом оформившейся трещинки; микроскопическая трещинка превращается в трещину усталости, видимую иногда визуально. Концентрация напряжений у краев этой трещины еще более ускоряет ее развитие и уменьшает рабо­ чее сечение конструкции (образца), ослабленное этой трещиной. Наконец, сечение настолько уменьшается, что несущая способ­ ность конструкции полностью исчерпывается и происходит раз­ рушение (излом) этой конструкции.

Большое влияние на развитие трещины усталости оказывает распределение напряжений по сечению. В . некоторых случаях (например, в |' т а° у тугпго напрес,сования летад£Й^_вояможно Даже прекращение развития трвптины усталости. Вообще же, как показывают наблюдения, от момента образования микроскопи­ ческой трещины до окончательного излома обычно требуется 10— 50% общего числа циклов, в зависимости от величины перенапря­ жения. Принимается, что скорость роста трещины пропорциональна квадрату уже занимаемой* tho площади.

По теории Н. Н. Афанасьева ответственными за усталостное разрушение пластичных металлов являются касательные напря­ жения, так как именно они вызывают те сдвиги, которые дают начало трещинам усталости. С этой точки зрения объяснению всего усталостного процесса в пластичных металлах наиболее соответствует третья теория прочности, т. е. теория наибольших касательных напряжений; однако в применении к реальным поликристаллическим металлам она должна быть несколько дополнена в части учета вероятности нахождения кристаллитов^ наиболее благоприятно ориентированных по отношению к действующим в металле максимальным касательным напряжениям.

Свою теорию усталостного разрушения Н. Н. Афанасьев обо­ сновал графиками и формулами; в частности, им даны аналити­ ческие выражения вероятности возникновения трещины устало­ сти, на основе которых оказалось возможным сравнивать между собой пределы усталости образцов разной формы, разных раз­ меров и при разных видах циклического нагружения; дано также объяснение влиянию на предел усталости и некоторых других

факторов.

На основе теории усталостного разрушения металлов при простом напряженном состоянии Н. Н. Афанасьев предложил еще теорию усталостного разрушения при сложном напряженном состоянии которая дает достаточно удовлетворительные объясне­ ния экспериментально известным явлениям в этой области.

В последние годы для объяснения процесса усталостного раз­ рушения металлов предложена новая теория, которую можно назвать теорией вакансий в кристаллической решетке их, или

лоликристаллических металлов. По дислокационной теории, как

уже было описано выше, в кристаллитах металла, в стадии упругопластического деформирования его, происходят последователь­ ные сдвиги, быстро захватывающие межатомные зоны кристалли­ ческой решетки. Пограничные быстро перемещающиеся области между сдвинутыми зоналрг кристаллита и еще несдвинутыми называются дислокациями. Перемещаясь, дислокации пересе­ каются между собой и в местах пересечений, а также в местах разных возможных препятствий их движению создают концентра­ ции вакансий.

Концентрации вакансий могут быть разных видов, а именно: скопления (коагуляции), сращивания в колонии и осаждения на поверхности встретившихся препятствий. Чем интенсивнее обра­ зуются концентрации вакансий, тем интенсивнее должны про­ текать процессы их скоплений, сращиваний и осаждений.

При циклическом нагружении металлов процесс быстрых движений дислокаций с ксшнедтрацией вакансий начинает проявлять себя при сравнитеВДВ^о небольших напряжениях. Этот* процесс можно представить в свете вакансионной теории проте­ кающим так: в течение первого (симметричного) цикла напря­ жений за первую четверть его (при нагружении) движение Дисло­ каций приводит к значительным изменениям в кристаллической решетке. За вторую четверть цикла (при разгружении) некото­ рая часть дислокаций возвращается в свое исходное состояние, большая же часть их не может этого сделать из-за происшедших изменений в кристаллической решетке. В третьей четверти цикла (при новом нагружении, имеющем противоположный знак) про­ исходит возвращение в исходное положение тех дислокаций, которые переместились в первую четверть, но не смогли возвра­ титься во вторую четверть цикла, а также новые перемещения дислокаций; четвертая четверть цикла (при повторном разгру­ жении) принципиально не отличается от второй четверти. Даль­ нейшие повторяющиеся циклы напряжений аналогичны первому циклу и отличаются от него только числом дислокаций и концен­ траций вакансий в каждой четверти своей.

Интенсивность процесса концентрации вакансий всех указан­ ных трех видов ее находится в прямой зависимости от величины амплитуды и от наибольшего напряжения цикла. Вследствие концентраций вакансий в виде скоплений, сращиваний и осажде­ ний в кристаллитах металла образуются небольшие внутренние полости (микропоры). Увеличение локальной пористости металла вызывает локальные разрыхления кристаллической решетки и появление зародышей трещин усталости (одной или нескольких).

Ваканспонная теория позволяет в процессе усталостного раз­ рушения каждого металла (образца), от его начала до оконча­ тельного разрушения, установить три стадии с некоторыми спе­ цифическими особенностями [21], [62]:

первая стадия, или начальная, когда циклические напряжения по величине небольшие и основные структурные изменения про­

исходят по границам кристаллитов металла; в этой стадии вслед­ ствие диффузии инородных атомов к искаженным границам кри­ сталлитов и вследствие концентрации вакансий у этих границ происходит некоторое упрочнение периферии кристаллитов;

вторая стадия, или стадия локальных разрыхлений кристал­ лической решетки и возникновения субмикроскопических устало­ стных трещин; последние в это время появляются как результат движений и пересечений дислокаций и появления многочислен­ ных концентраций вакансий внутри кристаллитов; вследствие этого внутри отдельных кристаллитов развиваются полосы сколь­ жения, являющиеся очагами разрыхлений кристаллической ре­ шетки; в этой стадии при напряжениях ниже предела усталости полосы скольжения, развивающиеся только в пределах кристал­ литов, не приводят к разрушению металла, как бы велико ни было число грузовых циклов;

третья стадия, или стадия собственно усталостного разруше­ ния, когда некоторые субмикроскопические трещины развиваются в микроскопические трещины усталости; это происходит потому, что полосы скольжения (разрыхления) начинают пересекать гра­ ницы кристаллитов, выходя за их пределы; микротрещины по сравнению с породившими их субмикротрещинами развиваются более интенсивно, так как концентрация напряжений у вершин их увеличивает скорость концентраций вакансий.

Данные исследований в этом направлении показывают, что сравнительная продолжительность указанных стадий в усталост­

после 10% работы, у меди этот процесс начинается значительно раньше — после 3% работы образцов.

Вакансионная теория усталостного разрушения металлов, по сравнению с теорией Н. Н. Афанасьева, теорией И. А. Одинга и др., позволяет объяснить с большей убедительностью многие во­ просы усталостного процесса, которые до того или совсем не имели объяснения, или объяснялись недостаточно достоверно.

Вопросами, требующими особого объяснения, являются, в ча­

ния металлов при циклических напряжениях весьма больших и весьма сравнительно малых по величине.

По виду (направлению) трещин усталости можно заключить, что в одних случаях усталостное разрушение металлов вызы­

вается касательными напряжениями, вследствие чего наиболее интенсивные концентрации вакансий в виде их скоплений будут происходить в плоскостях наибольших касательных напряжений, в т-плоскостях. В других случаях усталостное разрушение вызывается нормальными напряжениями, которые дают движение дислокаций в плоскостях Наибольших нормальных напряжений, в сг-плоскостях; в этих плоскостях происходят и концентрации вакансий в виде их осаждений.

Такая двойственная природа усталостного разрушения наблю­ дается, в частности, при испытаниях металлов на кручение, когда в одних случаях усталостная трещина образуется в т-пло­ скостях, где скопление вакансий эффективнее их осаждения, а в других случаях в ст-плоскостях, где осаждение вакансий

блюдаемое в процессе усталостного разрушения некоторых метал­ лов, свидетельствующее о том, что при больших циклических на­ пряжениях механизм усталостного разрушения, по-видимому, иной, чем при напряжениях относительно малых. Это явление можно объяснить тем, что при больших напряжениях усталост­ ное разрушение происходит вследствие скопления и сращивания вакансий, а при малых напряжениях — вследствие осаждений их.

Заметим в заключение, что при внимательном рассмотрении и сравнении вакансионной теории и теорий усталостного разру­ шения металлов Гриффитца и Н. Н. Афанасьева можно конста­ тировать в них наличие ряда общих идей.

(стали), они изменяются в зависимости от числа циклов и величины циклических напряжений вследствие изменения пластических свойств материалов, а иногда и структурных изменений с тече­ нием времени. В результате этого принять величину циклической вязкости металла за основной показатель циклической прочности пока не представляется возможным, однако подсобная роль этой величины в некоторых случаях может быть значительной, в част­ ности, изменение циклической вязкости может быть использовано для ускоренного определения предела усталости, как это описано будет ниже.

^ Основным и общепринятым в настоящее время показателем циклической прочности всех материалов, в том числе и металлов, является предел усталости (предел выносливости) их.

За предел усталости каждого металла, как уже было указано, принимается то наибольшее по абсолютной величине напряже­ ние (соответственно нормальное или касательное), при котором и ниже которого этот металл не разрушается даже при неограни­ ченно большом числе циклов нагружения.

В лабораторных исследованиях величины и свойств этого по­ казателя циклической прочности вместо неограниченно большого числа циклов нагружения принимают всегда ограниченное, условно определенное число их, называемое базой испытаний, а именно:

При экспериментальных исследованиях циклической проч­ ности материалов сравнительного характера за базу испытаний принимают нередко и другие количества циклов, обычно меньшие

но при этом следует понимать, собственно говоря, два напряжения, равные по величине, но разные по знаку, т. е. ± 32 кг!мм2.

При несимметричных грузовых циклах, которые характери­ зуются, как известно, коэффициентом асимметрии

г _ frmin ffmax

и размахом колебаний

(o’max 0min)i

для определения циклической прочности материала необходимо иметь два предельных напряжения атах и ат щ. Это потому, что даже при

Г = const И (Птах — CXmin) = Const

абсолютные значения предельных напряжений могут быть, весьма различные, раздельно совершенно не определяющие циклическую прочность испытываемого материала.

Предельными напряжениями (отах и amirl или ттах и Tmin) материала при несимметричных грузовых циклах с заданным коэффициентом асимметрии называют такие два напряжения, которые создают наибольший размах колебаний, не разрушающий испытываемый материал (в образце) после неограниченно большого числа повторений.

За базу испытаний вместо неограниченно большого числа циклов и в этом случае чаще принимают

Важно отметить, что всякий несимметричный цикл напряже­ ний можно считать слагающимся из двух напряжений: среднего постоянного напряжения этого цикла

и симметрично пульсирующего переменного напряжения с ампли­ тудой

ристики предельных напряжений несимметричного цикла. Таким образом, всякий несимметричный цикл повторяющихся

напряжений может определяться любой парой из четырех ука­

ных напряжений для разных практически возможных несим­ метричных циклов при таком положении является делом весьма трудоемким и продолжительным. Поэтому задача установления

Эти уравнения, по данным И. А. Одинга и др., хорошо подтверждаются экспериментально. Они выведены для случая, когда среднее напряжение несимметричного цикла является растягивающим, но И. А. Одинг рекомендует пользоваться ими при расчетах и тогда, когда среднее напряжение является сжимающим, если нет специальных экспериментальных данных.

Из вышеизложенного следует, что основным показателем циклической прочности металлов в настоящее время является предел усталости при симметричных грузовых циклах. По срав­ нению с показателями статической прочности, т. е. по сравнению с пределом прочности и пределом текучести, он является физи­ чески более сложным. Эта сравнительная сложность его вытекает из того:

1)что между теоретическим определением его и эксперимен­ тальным значением существует некоторое несоответствие, обуслов­ ленное невозможностью получить в лабораторной обстановке неограниченно большое число циклов нагружения, заменяемое поэтому конечной (условной) базой испытания;

2)что найденная однажды величина его не может быть рас­ пространена на все возможные случаи циклических загружений металла, так как зависит от соотношения между величиной составляющей постоянной нагрузки и величиной составляющей циклической нагрузки, под суммарным действием которых нахо­ дится этот металл;

3) что для таких сложных материалов, как железобетон и др., он должен характеризоваться напряжением во всех несущих

величина его, как показывают соответствующие исследования, зависит от абсолютных размеров испытываемых конструкций, от конструктивных различий испытательных машин, а также от частоты (скорости) циклического нагружения при испытаниях.

§ 8. ЗАВИСИМОСТЬ ПРЕДЕЛА УСТАЛОСТИ МЕТАЛЛОВ ОТ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ МАШИН,

РАЗМЕРОВ ИСПЫТЫВАЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ЧАСТОТЫ ЦИКЛОВ НАГРУЖЕНИЯ

Величина предела усталости металлов зависит от характера деформации, вследствие чего для одного и того же металла она получается существенно различной при испытаниях на цикли­ ческие растяжение-сжатие, изгиб, кручение и на циклическое сложное деформирование. Специальные наблюдения, кроме того, показывают, что величина прочности для одного и того же металла при одном и том же виде деформации получается часто несколько различной в зависимости от конструктивных особен­ ностей испытательных машин и от различий, даже незначитель­ ных, в проведении самих испытаний.

Особенно заметное влияние имеет конструкция захватов в испытательных машинах, допускающая или, наоборот, надежно исключающая смещение образцов, а также перекос образцов при установке и при самом испытании; оказывает влияние также степень тщательности изготовления образцов и некоторые даже как будто и незаметные особенности режима работы испытатель­ ных машин.

Для иллюстрации высказанного положения о зависимости предела усталости металлов (сталей) от конструктивных особен­ ностей испытательных машин Г. В. Ужик, по данным Мура и др. [88], [Ц7], приводит результаты сравнительных испытаний на идентичных образцах, полученные в разных лабораториях. Об­ разцы для этих испытаний были изготовлены в одной мастерской, из одного материала, по одному и тому же технологическому ре­ жиму и затем были разосланы по указанным в табл. 3 лаборато­ риям.

Расхождения в результатах испытаний заставляют при орга­ низации экспериментальных исследований по изучению цикличе­

Влияние размеров конструкций на величину предела усталости металлов заключается в том, что эта величина получается различ­ ной, и иногда значительно, в зависимости от абсолютных размеров конструкции (образца), на котором проводится эксперименталь­ ное определение предела усталости.

Впервые влияние этого размерного фактора на предел уста­ лости металлов было обнаружено, по-видимому, Петерсоном [120] в 1929—1930 гг. Последующими экспериментами многих иссле­ дователей было установлено, что, как правило, с увеличением абсолютных размеров испытываемых образцов предел усталости одного и того же металла понижается.