|
| |
|
Главная Промышленность
Рис. 7.9. Кривые усталости: / - для стали; 2 - для цветных металлов ЦИКЛОВ*. Это напряжение представляет собой физический предел вьшосливости Or (R - коэффициент асимметрии цикла), при симметричном цикле ct i. Наклонный участок кривой усталости характеризует ограниченный предел выносливости, равный напряжению ст, которое может выдержать материал в течение определенного числа циклов Кривые с горизонтальным участком типичны для сталей при невысоких температурах испытаний. Кривые без горизонтального участка (кривая 2 на рис. 7.9) характерны для цветных металлов, а также для всех материалов, работающих при высоких температурах или в коррозионной среде. Такие материалы имеют только ограниченный предел выносливости. Кривые усталости позволяют определить следующие критерии выносливости: 1) циклическую прочность-физический или ограниченный предел выносливости. Она характеризует несущую способность материала, т. е. то наибольшее напряжение, которое он способен выдержать за определенное время работы; 2) циклическую долговечность-число циклов (или эксплуатационных часов), которые выдерживают материал до образования усталостной трещины определенной протяженности или до усталостного разрушения при заданном напряжении. Долговечность также может быть неограниченной (при ст„а, < < cT i) и ограниченной (при о, > a-i). Кривые вьшосливости в области ограниченной долговечности определяют на основе статистической обработки результатов испытаний. Это связано с значительным разбросом долговечности из-за ее высокой чувствительности к состоянию поверхности образцов. Кроме определения рассмотренных выше критериев многоцикловой вьшосливости, для некоторых специальных случаев применяют испытания на малоцикловую усталость. Их проводят при высоких напряжениях (выше сто,2) и малой частоте нагружения (обычно не более 5 Гц). Эти испытания имитируют условия работы конструкций (например, самолетных), которые воспринимают редкие, но значительные по величине циклические нагрузки. База таких испытаний не превышает 5-10* циклов, поэтому малоцикловую усталость материала характеризует левая верхняя ветвь кривой усталости (см. рис. 7.9).  За базу испытаний (отвечает точке начала горизонтального участка или точке перегиба) принимают 10 циклов для стали и 10* циклов для цветных металлов. Рис. 7.10. Обобщенная диаграмма усталостного разрушения (схема): / - стадия постепенного накопления повреждений до возникновения трещины усталости; - стадия распространения трещины; / - стадия долома Кривые усталости характеризуют стадию разрушения и не отражают процессы, предшествующие разрушению. Более показательна обобщенная диаграмма усталости (рис. 7.10). Она содержит дополнительные линии (штриховые), выделяющие в процессах усталости три стадии. Обобщенная диаграмма позволяет установить дополнительные критерии выносливости. Из них наиболее важное значение имеет живучесть, определяемая скоростью роста трещины усталости (СРТУ). Живучесть характеризует способность материала работать в поврежденном состоянии после образования трещины (в области 11 на рис. 7.10). Живучесть (СРТУ)-критерий надежности материала. С его помощью прогнозируют работоспособность детали, рассчитанную на циклическую прочность по ограниченному пределу выносливости. При высокой живучести (малой СРТУ) можно своевременно путем дефектоскопии обнаружить трещину, заменить деталь и обеспечить безаварийную работу. Механизм усталостного разрушения связан с развитием и накоплением в поверхностном слое микропластической деформации и основан на движении дислокаций. Возможность их перемещения при напряжениях ниже предела текучести обусловлена анизотропией кристаллов и их случайной ориентацией. В отдельных кристаллах при небольших средних напряжениях могут возникать напряжения, достаточные для перемещения слабозакрепленных дислокаций. Кроме того, для тонких поверхностных слоев (в 1-2 зерна) характерно низкое напряжение работы источников дислокаций Франка-Рида. По этим причинам Рис. 7.11. Схема расположения линий скольжения в экструзиях (7) и интрузиях (2) в мягких (отожженных) металлах уже на ранней стадии нагружения (1-5% от общего числа циклов до разрушения) наблюдаются ранняя микропластическая деформация и повреждение тонких поверхностных слоев. Микропластическая деформация проявляется в образовании на поверхности линий сдвига (скольжения), плотность которых растет с увеличением числа циклов. По мере выхода дислокаций на поверхность усиливается ее повреждение в виде возникающих ступенек. Линии скольжения расширяются в полосы скольжения и постепенно пферождаются в экструзии и интрузии (рис. 7.11). Экструзия - вьщав-ливание, интрузия-углубление полос скольжения. Экструзии и интрузии формируют пикообразный рельеф поверхности, состоящий из выступов и острых впадин (рис. 7.12). Впадины-места концентрации деформации и, как следствие, вакансий, дислокаций. Из-за их высокой плотности здесь возникают микропоры, рыхлоты, которые, сливаясь, образуют субмикротрещины. Развитие и объединение субмикротрещин ведет, в свою очередь, к образованию микротрещин. При напряжениях, меньших предела выносливости, микротрещины остаются Юпнп  Рис. 7.12. Профиль поверхности алюминия после циклического нагружения 7999 в наружном слое толщиной не более размера зерна, поскольку границы зерен-барьеры для их распространения. При напряжениях выше предела выносливости микротрещины преодолевают границы зерен, сливаются, образуя магистральную трещину усталости. Трещина усталости растет прерьшисто-скачками, связанными с местной пластической деформацией (наклепом) металла у ее вершины. Для распространения трещины на некоторую длину необходимо, чтобы у ее вершины была исчерпана пластичность. По этой причине у пластичных металлов сопротивление распространению трещины усталости много выше, чем ее зарождению. Увеличению сопротивления зарождению трещины усталости способствует структурное состояние, препятствующее движению дислокаций и их выходу на поверхность. Такое структурное состояние наиболее эффективно создается поверхностным упрочнением. Циклическая долговечность и прочность зависят от большого числа факторов, из которых решающее значение имеют структура и напряженное состояние поверхностного слоя, качество поверхности и воздействие коррозионной феды. Наличие на поверхности остаточных напряжений сжатия затрудняет образование и развитие трещин усталости и, как следствие, способствует увеличению предела вьшосливости. Резко отрицательное влияние оказывают напряжения растяжения и многочисленные концентраторы напряжений: конструктивные-изменение формы сечения детали: галтели, отверстия, канавки, проточки и т. п.; технологические - микронеровности поверхности, риски и другие следы механической обработки; металлургические - внутренние дефекты в виде пор, раковин, неметаллических включений (оксидов, сульфидов, силикатов и др.). Влияние концентраторов напряжений оценивают эффективным коэффициен- том концентрации напряжений К„ = = a i/a jj, под которым понимают отношение предела вьшосливости гладкого образца a j к пределу выносливости такого же образца с концентратором напряжений Предел вьшосливости снижается также с увеличением размеров деталей (масштабный фактор) и более интенсивно под влиянием коррозионной феды, вызьшающей повреждение поверхности в виде углублений, сетки трещин и других концентраторов напряжений. Совместное влияние различных факторов на предел выносливости в расчетах оценивается коэффициентом (К„)с = o i/(o i)c, показывающим, во сколько раз предел выносливости гладкого образца диаметром 10 мм больще предела выносливости детали: (К„)с = (К„/8„ + 1/р - 1) 1/Рупр, (7.4) где е,, - масщтабный фактор, характеризующий уменьщение несущей способности детали при увеличении ее поперечного размера; Р - коэффициент, учитьшающий влияние щероховатости поверхности (в коррозионных средах заменяется на Ркорр); Рупр - коэффициент, характеризующий эффективность поверхностного упрочнения. Из соотнощения (7.4) следует, что влияние факторов на несущую способность детали тем слабее, чем ближе к единице значение коэффициентов К„, е,, и р и болыпе коэффициент поверхностного упрочнения Рур. Износосшомкосшь-свойство материала оказывать в определенных условиях трения сопротивление изнашиванию. Изнашивание - процесс постепенного разрушения поверхностных слоев материала путем отделения его частиц под влиянием сил трения. Результат изнашивания называют износом. Его определяют по изменению размеров (линейный износ), уменьшению объема или массы (объемный или массовый износ). Износостойкость материала оценивают величиной, обратной скорости Аналогичные соотношения справедливы и для касательных напряжений. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 [ 42 ] 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 |
