Определение механических свойств металлов по твердости

 

Вопрос о физической природе усталости не получил еще оконча­тельного разрешения, что, в частности, согласно работе [59 ] можно объяснить тем, что локальность явлений при усталости превышает локальность применяемых методов исследований. Однако, несмотря на это, общепризнанным является то, что про­цесс усталости составляется из тех же частично накладывающихся одно на другое состояний (упругое, пластическое и разрушение), что и процесс при однократном нагружении. Кроме того, иссле­дования показывают общность кристаллографических поверхно­стей и направлений сдвига при однократном и многократном нагружении монокристаллов [2]. Развитие усталостной трещины, так же как и развитие трещины при однократном нагружении, происходит из линий (поверхностей) пластических сдвигов [59]. Таким образом, механизм разрушения при однократном и много­кратном нагружении в первом приближении можно считать одина­ковым. Более низкую прочность при повторном нагружении по сравнению с однократным можно объяснить тем, что при много­кратном нагружении сдвиги, а следовательно, и пластические деформации сосредотачиваются лишь в отдельных небольших объемах (рис. 71, в) образца, тогда как при однократном нагруже­нии сдвиги распространяются на весь рабочий объем образца (рис. 71, б).В результате этого разрушение при многократном нагружении начинается в пластически продеформированных до предела отдельных небольших объемах образца при наличии боль­шей части образца, которая подверглась нагружению лишь в пределах упругих деформаций. При однократном нагружении разрушение тоже может начаться в отдельных небольших объемах образца, но при условии, когда остальной объем образца претерпел пластическую деформацию, близкую к предельной. Ясно, что при таком механизме разрушения прочность при многократных на­грузках должна быть ниже, чем при однократном нагружении вследствие «индивидуальности» пластической деформации и разрушения при повторном нагружении.

Таким образом, можно считать, что разрушению металла от усталости предшествует накопление местных (локальных) макро­сдвигов и, следовательно, появление местных пластических дефор­маций, исчерпание которых приводит к местному разрушению.

Измерения микротвер­дости в местах разруше­ния образцов после одно­кратного и многократного нагружения показали близ­кие значения твердости, что свидетельствует об одинаковых предельных пластических деформациях в месте разрушения при указанных видах нагружения [3].

Многочисленные наблюдения показывают, что разрушение от усталости начинается в местах концентрации деформаций (напря­жений), которые могут быть металлургического происхождения (мельчайшие поры, тонкие неметаллические включения и т. д.), технологического (неровности поверхности, зависящие от степени шероховатости при механической обработке) и конструкционного (резкие переходы от одного сечения к другому).

Концентраторы напряжений могут вызывать большие местные напряжения при небольшом среднем напряжении, действующем на образец. Значительные местные напряжения могут привести при первом же нагружении к местной пластической деформации и дальнейшему накоплению деформаций такого вида, вплоть до полного использования запаса пластичности, и последующему местному разрушению, т. е. образованию усталостной трещины.

Таким образом, всякое разрушение от усталости по существу есть разрушение надрезанного образца вследствие израсходования пластичности, что происходит в результате способности металлов использовать запас пластичности малыми дозами при каждом повторном нагружении в местах концентрации напряжений.

На процесс разрушения металла при циклических нагрузках, по-видимому, будут оказывать влияние предел упругости и пре­дельная пластичность. Чем выше предел упругости, тем более высокое напряжение потребуется для возникновения остаточных деформаций в местах концентрации напряжений при первом на­гружении; чем выше пластичность, тем большее время потребуется для полного использования запаса пластичности для того, чтобы произошло разрушение. Однако использование запаса пластич­ности будет зависеть от того, насколько рабочее напряжение выше предела упругости. С увеличением разницы между рабочим напря­жением и пределом упругости исчерпание пластичности будет происходить быстрее.

Процесс разрушения в местах концентрации напряжения зави­сит еще от объема металла, вовлекаемого в пластическую деформа­цию в этом районе. Чем больший объем металла вовлекается в пла­стическую деформацию в местах концентрации напряжений, тем большую работу необходимо затратить для того, чтобы разрушить металл в этом месте.

Наши исследования [34] показали, что объем металла, вовле­каемого в пластическую деформацию в местах концентрации на­пряжений, зависит от равномерной деформации. С повышением ψ_ρ увеличивается объем металла, вовлекаемого в пластическую деформацию в местах концентрации напряжений.

Согласно изложенному процесс усталостного разрушения в ме­таллах можно рассматривать следующим образом.

1.Явление усталости проявляется лишь только в том случае, когда при первом циклическом нагружении металл в от­дельных «слабых» небольших объемах выходит за предел уп­ругости.

2. В тех объемах, в которых при первом нагружении напряже­ния достигают предела упругости, при дальнейшем повторении нагружения постепенно израсходуется запас пластичности и при полном его использовании наступает разрушение.

3. Явление усталости зависит от уровня предела упругости (пропорциональности) а_пд равномерной деформации ψ_ρ, предель­ной пластичности ψ «слабых» объемов металла и от рабочего напряжения.

Таким образом, на основании изложенного в первом приближе­нии можно считать, что причиной усталости металлов является выход его при первом нагружении за предел упругости в наиболее «слабых» небольших объемах. Если в «слабых» небольших объемах при первом нагружении пластические деформации не возникают, то нет оснований к разрушению материала, так как в этом случае в образце не будут накапливаться пластические дефор­мации; металл при этих условиях не будет подвержен уста­лости.

Эти соображения подтверждаются результатами испытания черных металлов, для которых характерен при определенных напряжениях выход кривой усталости практически на горизон­тальный участок. Высказанные соображения говорят о том, что сопротивление усталости зависит от механических свойств металла, вследствие чего можно считать связь между пределом выносли­вости и другими механическими характеристиками оправ­данной.

Было проведено большое число исследований по сопоставлению предела выносливости при симметричном изгибе σ„_χ с другими механическими характеристиками, определяемыми из опытов при однократном нагружении, и предложено большое число формул. Ниже приведена часть этих формул, которые можно разбить на три группы.