Определение механических свойств металлов по твердости

Марковец М.П.

Машиностроение, 1979 г.

ТВЕРДОСТЬ И СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ

25. СВЯЗЬ МЕЖДУ МЕХАНИЧЕСКИМИ

ХАРАКТЕРИСТИКАМИ, ОПРЕДЕЛЯЕМЫМИ ИЗ ОПЫТОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ, И ПРЕДЕЛОМ ВЫНОСЛИВОСТИ

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.