Скорость роста трещин и живучесть металла

Школьник Л.М.

Металлургия, 1973 г.

ТИПЫ КРИВЫХ ВЫНОСЛИВОСТИ И ИХ ОСОБЕННОСТИ

Приступая к исследованию скорости роста и живучести, необходимо достаточно четко представлять себе, с каким типом кривой выносливости вероятнее всего придется иметь дело и с каким превышением действующего напряжения над пределом выносливости ведется испытание. Поэтому уместно привести краткую характеристику основных типов кривых выносливости, точнее их левых ветвей, ограничивающих область циклического разрушения.

Процесс циклического разрушения зависит от уровня приложенных напряжений, а также от различных условий, интенсифицирующих действие механических напряжений. В связи с этим могут наблюдаться:

чистая усталость, т. е. результат влияния только переменных напряжений, например, при проведении испытаний образцов армко-железа, свободных от остаточных напряжений;
усложненная усталость, т. е. результат совместного влияния переменных напряжений, внешней среды и дополнительных процессов, протекающих в металле. Интенсивность, этих побочных влияний в свою очередь зависит от уровня и длительности действия напряжений.

Под окружающей средой в самом широком смысле этого слова понимают наличие влаги и химических веществ в газообразном, жидком и твердом состоянии в контакте с испытуемым материалом, тепловые, электрические и магнитные поля, коррозия трения, износ и другие факторы, оказывающие влияние на протекание процесса усталости и изменяющие вид кривых выносливости. Не меньшее значение имеет характер и интенсивность протекания внутренних процессов, происходящих в металле под влиянием циклического нагружения, таких как накопление пластических деформации, возникновение и релаксация остаточных напряжений, изменение плотности, фазовые и структурные превращения.

Накопление необратимых явлений усталостного повреждения выражается в возникновении и движении дислокации, смещении зерен и сдвигах внутри них, «разрыхлении» решетки кристаллитов, в процессах, связанных с диффузией и изменением растворимости и др.

На поверхности, кроме того, происходят окисление, адсорбция, возникают экструзии и интрузии, имеет место избирательная пластическая деформация, что приводит к изменению микрогеометрии.

Для сопряженных деталей к этим факторам добавляются схватывание, износ, коррозия трения, электроэрозионные процессы, диффузия, а также структурные изменения, вызванные нагревом при трении и пластической деформации.

В тех случаях, когда нагружение является комбинированным или температура испытания повышенная, на процессы усталости накладывается ползучесть, со всеми сопровождающими этот вид деформации эффектами.

С изменением уровня напряженности изменяется соотношение между живучестью и общей долговечностью, изменяются значения эффективного коэффициента концентрации напряжений, а также корреляция между долговечностью, с одной стороны, и механическими свойствами или составом материала, с другой стороны.

Все перечисленные явления в большей или меньшей степени влияют на характеристические особенности кривых усталости, прохождение инкубационной стадии и развитие усталостных трещин.

В общем виде кривые выносливости схематически представляют в виде двух областей, одна из которых характеризует выносливость материала в области упругих напряжений, другая — в упруго-пластической области. В связи с этим явления малоцикловой и многоцикловой усталости рассматривают раздельно.

Экспериментальные кривые выносливости имеют различный вид: с четко выраженным горизонтальным участком, с асимптотическим приближением к оси абсцисс, с переломами, разрывами, ступеньками и сдвигами одной части кривой относительно другой.

Основными причинами различий кривых выносливости являются:

изменение механизма разрушения с переходом от разрушения по границам зерен к разрушению по зерну при изменении уровня действующих напряжений, а также в связи с влиянием окружающей среды и температуры и ритмичностью процесса разрушения;
различный характер разрушения с переходом от малоцикловых изломов с сильно выраженным влиянием статики к чисто усталостным изломам;
изменение вида излома с переходом от преимущественно концентрических к эксцентрическим изломам, в связи с различным уровнем напряжений, изменение соотношения зон усталостного развития и хрупкого до- лома в изломе в связи со схемой нагружения (с постоянным моментом или с фиксированной деформацией);
изменение места разрушения в связи с различной долей влияния на усталостный процесс коррозии трения и сдвиговых процессов при трении, интенсивность влияния которых постепенно накапливается с длительностью действия.

Основным типом кривой выносливости является кривая с четко выраженным горизонтальным участком, расположенным на уровне предела выносливости (рис. 1,а). Этот вид кривых выносливости типичен для черных металлов и сплавов титана.

Кривые выносливости с асимптотическим приближением правой ветви к горизонтальной линии (рис. 1,6) характерны для цветных металлов, а также и для черных металлов в 'случае влияния коррозионной среды и коррозии трения.

Разновидностью указанных двух типов являются кривые выносливости, у которых верхние левые участки наклонной ветви отклоняются вправо или влево (рис. 1,е), в зависимости от интенсивности дополнительного деформационного упрочнения материала в процессе циклического нагружения при больших амплитудах напряжений, а также от соотношения стадий упрочнения и разупрочнения и расширения деформированной зоны при изменении уровня действующих напряжении. В качестве частных случаев таких кривых выносливости можно указать на кривые с «горбами» (рис. 1,г) и состоящие из двух наклонных участков (рис. 1,д).

На долговечность при различном уровне действующих напряжений к вид кривых выносливости большое влияние оказывают различия в механизме разрушения. В зависимости от ряда условий (степень перегрузки, температура, среда) слабым местом материала могут быть либо границы зерен, либо сами зерна, т. е. с изменением условий испытания может изменяться механизм разрушения. На рис. 1,е показано семейство кривых образцов хромоиикелевой стали, полученных в диапазоне температур от —196 до500°С. При—196и+20°С на кривых нет разрывов, но при 300° С и более высоких температурах каждая кривая делится на два участка, соответствующих разрушению по границам зерен (левые участки) или по зерну (правые участки). Таким образом, повышение температуры испытания приводит не только к снижению предела выносливости, но и изменяет взаимное расположение кривых и приводит к изменению самого вида кривых.

Концы усталостных кривых могут быть сдвинуты относительно друг друга по оси долговечностей при более или менее четко выраженном различии в характере разрушения, когда область малоцикловой усталости с изломами, приближающимися по своему виду к статическим, имеет резкую границу с областью многоцикловой усталости с типично усталостными изломами (рис. I_уж из). Верхняя ветвь кривой чаще всего смещается к большим долговечностям (см. рис. 1,з), что свидетельствует об увеличении выносливости металла в результате возникновения пластических деформаций. Разрыв на кривых выносливости чаще наблюдается при напряжениях, соответствующих пределу текучести.

Различный наклон левых ветвей кривых выносливости при испытании одного и того же материала чаще всего обусловлен схемой нагружения, характером напряженного и деформированного состояния, а также частотой испытаний. При испытании с постоянной деформацией левые ветви кривых выносливости смещаются к большим долговечностям по сравнению с кривыми, полученными при испытании того же материала с постоянной амплитудой нагружения (рис. 1,и). С увеличением частоты циклов наблюдается повышение предела выносливости, сопровождаемое, как правило, уменьшением угла наклона левых ветвей кривых выносливости (рис. 1 ,к).

При испытании образцов, подвергнутых объемному или, в особенности, поверхностному упрочнению (деформационному, термическому), в большинстве случаев наблюдается четко выраженная закономерность снижения наклона левых ветвей кривых выносливости с ростом прочности (см. также рис. 1, /с).

При испытании деталей в узлах в сборе со смежными элементами конструкций явление усталости оказывается особенно сильно осложненным. Взаимодействие деталей приводит как к изменению характера разрушения, так н к смещению самого места излома. Показательными в этом отношении являются результаты испытаний осей, запрессованных в ступицы колес, и рельсовых накладок, испытанных в сборе с рельсами (болтовое соединение). При высоких напряжениях (/ па рис. I,л) разрушения осей происходят по галтели, тогда как при напряжениях, близких к пределу выносливости (2 на рис. 1 ,л),— в запрессованной части, т. е. в зоне поражения металла оси коррозией трения.

Для образцов с высокой концентрацией напряжений и с прессовыми посадками характерно наличие двух пределов выносливости: по полному разрушению и по образованию трещин. В соответствии с этим диаграмма выносливости типа представленной на рис. имеет области полного отсутствия трещин (А), перазвп- вающихся трещин (Б) и трещин, приводящих к разрушению (В).

Не менее показательной является кривая на рис. 1, относящаяся к натурным рельсовым стыкам. Верхняя часть кривой 1 соответствует разрушению сечений с максимальным изгибающим моментом (в зазоре между концами рельсов), нижняя — разрушению, связанному только с пятнами фактического контакта накладки с рельсом, где развивалась коррозия трения и возникали натиры. Эти побочные явления при их длительном воздействии настолько ослабили металл, что область разрушения не соответствовала зоне действия максимальных рабочих напряжений.