книги / Циклическая прочность металлов

Например, в одном случае [94] при определении предела уста­ лости стали 40 на образцах трех разных диаметров были полу­ чены такие его значения:

Влияние размера образца на величину предела усталости принято характеризовать так называемым масштабным коэффи­ циентом (ф) в виде числа, равного отношению предела усталости

Фиг. 28. Графики изменения масштабного коэффи­

4 — легированная сталь с особенно большой концентрацией напряжений (резьба болтов).

откуда

Оу = 'фау, 0.

Величина масштабного коэффициента всегда меньшая еди­ ницы, даже для конструкций из одного и того же материала не остается постоянной, она меняется в зависимости от формы кон­ струкции, от вида напряженного состояния, от качества обработки поверхности И др.

На фиг. 28 показано графически изменение масштабного коэффициента с увеличением диаметра исследуемых конструкций (образцов) из стали разных марок [54].

Здесь a^t — предел усталости стальных образцов диаметром больше 10 мм, (a_i)10 — предел усталости стальных образцов диаметром Ю мм.

На фиг. 29 приведено еще два аналогичных графика для об­ разцов из легких сплавов [54]: график J соответствует изгибу

образцов без концентраторов напряжений и график 2 — образ­ цов с концентраторами напряжений.

Графики масштабного коэффициента, приведенные на фиг. 28 и 29, дают лишь приближенное представление о влиянии абсо­ лютных размеров конструкций на их усталостную прочность; более точные результаты в каждом отдельном случае можно по­ лучить только путем соответствующих экспериментов. Из рас­ смотрения этих графиков, а также из анализа результатов многих

чем при равномерном распределении напряжений по сечениям гладких сплошных образцов.

В учении о влиянии абсолютных размеров конструкций на величину предела усталости значительный интерес представляют исследования последних лет С. Филлипса и Р. Хейвуда [89] при циклическом растяжении-сжатии конструкций. Свое иссле­ дование они выполнили на мощных пульсаторах, дающих 1900— 2900 циклов в минуту с продольным усилием от 1,5 до 60,0 т. Для этих исследований образцы из мягкой стали и хромонике­ левой стали были изготовлены так, что площадь поперечного се­ чения каждой последующей серии была в 3 раза меньше площади образцов предыдущей серии; часть серий состояла из гладких образцов, часть — из образцов с концентраторами напряжений. Это исследование заслуживает внимания потому, что в большинстве случаев такие исследования проводятся при циклическом изгибе.

Выводы из исследований С. Филлипса И Р. Хейвуда можно свести к следующему:

1) испытания на растяжение-сжатие гладких образцов из мягкой и хромоникелевой сталей диаметром 4,8—33 мм показали,

что размеры образцов весьма мало влияют Яа величину их пре­ дела усталости;

2) такие же испытания образцов диаметром 4,8—61 мм из тех же сталей с концентраторами напряжений показали? наобо­ рот, значительное влияние этого размерного фактора, например, предел усталости образцов из мягкой стали диаметром 8,4 мм получился на 38% выше, чем у образцов диаметром 43 мм.

Были предложения представить влияние размеров испыты­ ваемых образцов на предел усталости металлов в аналитической форме.

Р. Е. Петерсон [121] для решения этого вопроса выдвинул гипотезу о том, что разрушение образца, работающего на цикли­ ческий изгиб, начинается не на поверхности его, где должно быть сгт ах? а под поверхностью, на некоторой глубине h, где и будет действовать фактическое разрушающее напряжение (сгразр); зави­ симость между этими напряжениями он дал в такой форме:

мулу за выражение аналитической зависимости между пределом усталости (Ощах = cr_i) и диаметром образца; величина h, по Пе­ терсону, колеблется в пределах 0,1—0,298 мм. При оценке этой формулы нужно сказать, что гипотеза, на которой основан вывод ее, является физически маловероятной.

С. Г. Хейфец [91] использовал гипотезу И. А. Одинга о том, что одной из причин влияния размеров конструкций на предел усталости металлов является суммарное действие циклической вязкости и размеров кристаллов их и что при достижении предела усталости при изгибе образец диаметром d имеет на глубине h от поверхности некоторый пластически деформированный слой, оп­ ределяемый шириной петли гистерезиса; на основе этой гипотезы зависимость при симметричном изгибе между пределом усталости (сг_1,о) гладких образцов малых (лабораторных) диаметров и пре­

то достаточно испытать только образец одного размера. Для под­ тверждения своей формулы С. Г. Хейфец приводит табл. 4.

Для объяснения влияния на величину предела усталости стальных конструкций их абсолютных размеров было выдвинуто немало предложений. Удовлетворительное объяснение этого явле-

Таблица 4

Сравнение величин предела усталости, полученны х экспериментально

и по формуле (21)

ния с позиций той или иной теории усталостного разрушения является одним из существеннейших критериев правильности каждой из этих теорий.

Достаточно удовлетворительное объяснение дает статисти­ ческая теория усталостного разрушения Н. Н. Афанасьева. По этой теории, как было указано, усталостное разрушение опре­ деляется статистической вероятностью существования в объеме поликристаллического металла случайных комбинаций из дефек­ тов и слабых структурных участков, снижающих величину его усталостной прочности. Поэтому чем больше объем образца, тем больше и чаще должны встречаться такие комбинации из дефектов и слабых структурных участков; наоборот, чем меньше объем образца, тем меньше может быть таких комбинаций, вызы­ вающих зарождение усталостных трещин, тем выше в связи с этим циклическая прочность таких образцов и тем выше, следовательно, должно быть значение предела усталости как показателя этой прочности.

Однако имеются явления, которые не могут быть объяснены теорией Н. Н. Афанасьева. Например, с позиции этой теории нельзя объяснить, почему с увеличением длины рабочей части образцов, когда объем их увеличивается и количество комбинаций из дефектов и слабых структурных участков тоже увеличивается, предел усталости исследуемого материала не изменяется.

Более убедительно, хотя и не всесторонне, объясняет это явление вакансионная теория усталостного разрушения.

Необходимо осветить еще вопрос о переносе результатов испы­ таний, полученных на малых образцах, на соответствующие конструкции больших размеров. Интересное заключение в этом

Таблица б

Влияние частоты циклического загруж ения на предел усталости

были испытаны углеродистые и легированные, перлитные и аусте­ нитные марки стали; во всех случаях было установлено, что предел

нагружений в интервале 340—3000 об/мин резко влияет на

занном интервале при одной и той же амплитуде напряжений, при Ошах > <Т-ь долговечность гладких образцов из стали 45 по­ высилась более чем в 4,5 раза, а долговечность образцов из стали ЗОХ с надрезами снизилась почти в 5,5 раз.

§ 9. ГЛАВНЕЙШИЕ ТИПЫ МАШИН, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА УСТАЛОСТИ МЕТАЛЛОВ

Машин разных типов, используемых при изучении цикличе­ ской прочности металлов, много, и конструкции их весьма разно­ образны. Нередко большие механические лаборатории, не удовле­ творяясь существующими машинами или не имея возможности их приобрести, строят для выполнения своих исследований ма­ шины собственной конструкции, как это делает у нас, например, лаборатория прочности ЦНИИТМАШа.

Все существующие машины, применяемые для эксперимен­ тального изучения циклической прочности металлов, можно клас­ сифицировать по двум основным признакам:

1) по виду деформации образца; по этому признаку различают машины, работающие на циклический изгиб, на циклическое кручение, на циклическое растяжение-сжатие, на циклические

сложные деформации; 2) по способу передачи усилий на образец; по этому признаку

те же машины можно делить на машины рычажные, гидравличе­ ского действия, электромагнитные, инерционные и др.

Большинство существующих испытательных машин вызывает деформацию образца нагрузкой на него, не изменяющейся во все время испытательного процесса; но есть, хотя и в неболь­ шом числе, машины, в которых осуществляется принцип неиз­ менности деформации во все время испытания.

Испытательные машины большей частью дают симметричные циклы нагружения на образцы; меньшая часть из существующих работает с несимметричными циклами. Чтобы дать представле­ ние о многообразии типов и конструкций существующих испы­ тательных машин, ниже приведены данные Г. В. Ужика [88], который составил, со ссылкой на соответствующие лабораторные источники, классификацию наиболее известных машин для цикли­ ческих испытаний металлов на усталость в форме табл. 7.

Кроме указанных в табл. 7 машин для испытаний малых об­ разцов, имеется еще значительное количество машин для испыта­ ний образцов больших диаметров и конструкций в их'натуральную величину; имеются также машины или приспособления к ним для циклических испытаний при повышенных и пониженных тем­ пературах и специальные машины для исследования цикличе­ ской прочности дерева, материалов из пластиков и др.

Машины для изучения циклической прочности металлов должны, как правило, удовлетворять в той Пли другой степени

1) долговечность эксплуатации машины, 2) возможная универ­ сальность по видам деформации образцов и по Циклам нагружений, 3) надежность измерения силы, 4) возможность изменять быстро­ ходность машины, 5) конструктивная точность главнейших ее