Материал: Многоцикловая усталость при переменных амплитудах нагружения

ность нелегироваппой стали окажется выше. При при­ менении более прочного материала, зарекомендовавшего

ротивляемость распространению трещины и снижается остаточная прочпость в надрезанпом сечении. Эти свой­ ства исключительно неблагоприятны на практике, так как даже небольшой надрез, который не всегда может быть вы­ явлен при коптроле, особенно па толстых сечениях, очень сильно снижает значение разрушающей нагрузки. Приме­ нение современных высокопрочных материалов для цикли­ чески нагруженных конструкций оказывается' успешным только в том случае, если оно сопровождается тщательным

материала на его циклическую прочность также уделяется особое внимание. При современных способах производства металлов, включающих такие операции, как плавка, разлив­ ка, в материале образуется ряд включений, неплотностей, аномалий, которые даже после горячей деформации влияют на механические свойства и тем самым на циклическую проч­ ность. Неметаллические включения в зависимости от их механических и теплофизических свойств, формы, размера, распределения являются концентраторами напряжений и соз дают поля остаточных напряжений.

Эти факторы особенно сильно сказываются на высоко­ прочных материалах, поскольку в них при пластической деформации локальные остаточные напряжения либо не уменьшаются, либо уменьшаются незначительно. Умень­ шить степень влияния включений на долговечность можно путем прокатки, в результате чего хрупкие включения дро­ бятся на мелкие части, а пластичные вытягиваются в волокна.

С помощью термической обработки можно в широких пределах изменять структурное состояние и механические свойства сталей. При сравнении нормализованной, нормали­ зованной с перегревом, отпущенной па мартенсит и отпу­ щенной па мартенсит с ферритом структуры видно, что пре­ делы выносливости нормализованной с перегревом струк­

ховатость поверхности также заметно влияет на сопротив­ ление усталости. Предел выносливости увеличивается по

мере улучшения качества поверхности и вообще выше, ког­ да направление обработки параллельно действию напряже­ ния. Однако трудно определить, в какой степени данный эффект зависит от концентрации напряжений вследствие поверхностных неровностей, так как при поверхностной об­ работке возникают наклеп и остаточные напряжения. Этим, вероятно, объясняется более низкий предел выносливости электрополированных образцов по сравнению с механичес­ ки полированными, несмотря на более гладкую поверхность первых.

О с т а т о ч н ы е н а п р я ж е н и я . Кроме остаточ­ ных микронапряжений, являющихся следствием неоднород­ ности микроструктуры, следует учитывать остаточные мак­ ронапряжения, возникающие при обработке и часто созда­ ваемые преднамеренно. Остаточные напряжения возникают почти при всех способах обработки поверхности. Когда на­ пряжения на поверхности оказываются растягивающими, внешняя нагрузка скорее вызывает повреждение, чем при наличии остаточных сжимающих напряжений. Часто для повышения циклической прочности применяют поверхност­ ную механическую обработку, например дробеструйную, а также азотирование или цементацию. Поскольку с помощью пластической деформации можно понизить остаточные на­ пряжения, эти способы обработки поверхности имеют зна­ чение только лишь в отношении предела выносливости. В области ограниченной выносливости их действие заметно ослабляется. Сжимающие остаточные напряжения могут возникать на поверхности детали, если после сильного на­ грева ее быстро охладить. Большой эффект можно получить для деталей из алюминиевых сплавов, имеющих концентра­ цию напряжений Г180].

Эксплуатационные факторы. К эксплуатационным факто­ рам относятся параметры среды, в которой работает деталь и

оценка циклической прочности затрудняется вследствие процессов ползучести, особенно при испытании на усталость асимметричными циклами нагрузки.

Изменение циклической прочности при повышении тем­ пературы аналогично в общих чертах изменению таких ме­ ханических характеристик, как предел текучести и времен­ ное сопротивление. Она уменьшается с повышением темпе­ ратуры и, наоборот, возрастает с ее понижением. Однако в тех интервалах повышенных температур, где процессы скольжения затруднены, циклическая прочность возраста­ ет, как, например, в области синеломкости углеродистых

сталей. Этот эффект объясняется динамическим взаимодей­ ствием между скользящими дислокациями и атомами угле­ рода и азота, приводящим к затруднению процессов пласти­ ческой деформации в ферритных зернах. Повышение вынос­ ливости сталей при низких температурах связывается с зависящей от температуры составляющей напряжения тече­ ния в феррите.

Сповышением температуры горизонтальный участок но кривых усталости исчезает, что свидетельствует об отсутст­ вии физического предела выносливости. Для каждой группы металлов и сплавов имеются свои предельные температуры, выше которых характеристики прочности, в том числе и предел выносливости, резко снижаются. При температурах до 400—500 °С используются теплоустойчивые ферритные стали, при температурах до 600—700 °С — аустенитные ста­ ли и при температурах до 1000 °С — сплавы на основе ни­ келя и кобальта.

Наиболее существенный рост предела выносливости в об­ ласти низких температур имеет место для углеродистых сталей. Для надрезанных образцов это увеличение менее существенно, чем для гладких.

Ср е д а . Срок службы металла при циклическом дефор­ мировании в итоге определяется скоростью роста трещины. Поскольку усталостпая трещина распространяется из об­ ласти концентратора на поверхности в глубь материала,

окружающая среда вступает в контакт с ее поверхностью и посредством химических и физических механизмов влияет на процесс ее развития. При понижении давления от атмо­ сферного до глубокого вакуума циклическая долговечность металлов при одной и той же нагрузке возрастает на один-два порядка. В условиях нормального атмосферного давления более низкое значение циклической долговечности объясня­ ется воздействием паров воды и кислорода, которые созда­ ют адсорбционные и оксидные слои на поверхностях трещины. Однако понижать долговечность могут и жидкие среды.

При наличии коррозионных сред, к которым может быть отнесена пресная вода, морская и др., сопротивление уста­ лостному разрушению резко снижается.

Коррозионному воздействию среды могут подвергаться даже такие материалы, которые без циклической нагрузки являются коррозионно-стойкими. Типичным для влияния коррозионной среды является исчезновение горизонтально­ го участка на кривой усталости. Поэтому при воздействии коррозионных сред нельзя проводить расчеты по пределу выносливости, как это делается в случае усталости на воз­ духе. При совместном действии коррозии и переменных

6,мпа

по

120

wo

80

SO

Рис. 14. Регрессионная обработка результатов усталостных испытаний и построение кривых усталости по параметру вероятности разрушения:

2 — линия регрессии, медианная припая усталости; г — 90 %-ные доверительные

цня).

пне в циклической долговечности ие может быть объяснено только погрешностями при задании нагрузки (ошибки силоизмерения, перекос при установке в захватах, вариация размеров опасного сечепияи т. п.) и обусловлено в основном микроструктурной неоднородностью материала и локальным характером зарождения и развития усталостного поврежде­ ния.

В качестве примера на рис. 14 приведены данные уста­ лостных испытаний образцов с концентратором из алюмини­ евого сплава Д16АТ. Представленные на рисунке данные показывают достаточно типичное рассеяние долговечностей, наблюдаемое при испытаниях металлических конструкци­ онных материалов. Во многих случаях разброс долговеч­ ностей па одном уровне напряжений превышает десятикрат­ ный. Для интерпретации получаемых при усталостных испытаниях результатов применяют различные методы, вы­ бор которых зависит от цели испытаний, объема данных (число испытанных обраацов), априорных сведений о форме кривой усталости и от способа вероятностного описания рас­ сеяния долговечностей. Простейший способ обработки та­ кой совокупности экспериментальных данных заключается в построении осредненной кривой усталости графическим способом или по способу наименьших квадратов (160]. Эти