ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Свойства поверхностного слоя металлов из "Трещиностойкость металлов при циклическом нагружении " Если на поверхности металла течение облегчено, то следует ожидать, что чем тоньше образец, тем больше на его пластическом течении будет сказываться влияние поверхностного слоя. В самом деле, в работе 13171 установлено, что при сжатии, изгибе и кручении труб из низкоуглеродистой стали с уменьшением толщины стенки предел текучести снижается. Авторы этого исследования пришли к выводу, что поверхностный слой в низкоуглеродистой стали имеет предел текучести на 25 % меньше, чем основной металл при однородном распределении напряжений. В этом плане интересны также результаты работы 12821, где испытывали на растяжение образцы различной толщины (от 0,045 до 1,840 мм) из чистых поликристаллов алюминия, меди и железа. Предел текучести самых тонких образцов составлял всего 20 % величины, наблюдаемой цля толстых образцов. Это явление связывается с тем, что зерна на поверхности находятся в напряженном состоянии, отличном от такового для зерен внутри образца. Вместе с тем аналогичные результаты были получены и на монокристаллах. В работе 13] есть подробный обзор iio данной проблеме. Выводы, к которым пришел автор этой работы в результате анализа существующих экспериментальных данных, позволяют выделить три основных случая механические свойства поверхностного слоя выше, равны и ниже, чем у материала в середине образца. Выводы противоречивы. По-видимому, это связано с разнообразием исследованных материалов и методик. Тем не менее прямых механических методов измерения свойств поверхностного слоя материала предложено не было. Однако, как уже было отмечерю, для оценки предела выносливости и условий нераспространения коротких трещин важно знать свойства именно поверхностных слоев. [c.96] Однако пластическая деформация, связанная с процессом усталости, часто бывает локализованной. Для многих материалов предел выносливости составляет часть условного предела текучести. Хорошо известно, что микропластическая деформация возникает задолго до начала общей пластической деформации. [c.97] Усталостное разрушение всегда начинается у некоторой неоднородности, вызываюш,ей концентрацию напряжений. Хотя в присутствии надреза статический предел текучести образца даже возрастает, сопротивление усталостному разрушению (номинальное напряжение) при этом может снизиться в несколько раз. Само циклическое нагружение может приводить к образованию неоднородностей (экструзий и интрузий) на исходно гладкой поверхности, что вызывает локальную концентрацию деформаций и образование микротрещин. Подробное и тщательное изучение этих явлений представлено в работе (48]. [c.97] Предел текучести приповерхностных слоев материалов. Изменение предела текучести по глубине материала можно было бы определить ранее описанными методами [197, 282]. Однако испытание очень тонких образцов толщиной 0,045 мм [282] весьма трудно осуществить в массовых измерениях. Методика [197], основанная на разрезании деформированного образца и сравнении фотографий зерен до и после деформации, весьма приблизительная и трудоемкая. Основная идея этих экспериментов состоит в том, что массив материала разделяют на элементы, а это создает неудобство. [c.97] Чтобы установить, что низкие значения при малых глубинах слоя отражают существование ослабленных зон, а не есть рассеяние экспериментальных данных, некоторые эксперименты были проведены при вдавливании шара в одну и ту же лунку при все возрастающей нагрузке (см. рис. 59). Эти эксперименты показали плавный рост 0т с увеличением глубины слоя. [c.102] В литературе давно известен эффект Ребиндера, заключающийся в понижении прочности и пластичности твердых тел (в том числе и металлов) в результате физико-химического влияния окружающей среды [40, 115, 116, 186, 202]. Поскольку исследуемые материалы используются для изготовления лопаток судовых компрессоров, следует проверить влияние раствора морской соли на значение Н. Такие эксперименты были проделаны. Шары вдавливали в обезжиренную поверхность с каплей раствора на ней. Результаты этих экспериментов также отражены на рис. 59 и в табл. 18. Заметно существенное сниже-(ние значений для сталей и никакого изменения этой величины для титанового сплава ВТЗ-1. Поскольку результаты отличаются некоторой новизной, они были многократно проверены. Кроме того, для подтверждения этих данных был поставлен специальный эксперимент. Образец из чистого никеля в отожженном и электрополированном состоянии, на котором хорошо видны полосы скольжения при пластическом течении, нагружали чистым изгибом при постепенно возрастающей нагрузке и последовательно фотографировали его поверхность, если наблюдалось изменение ее рельефа. Перпендикулярно к направлению нормальных напряжений изгиба на поверхности образца проводили риску. Далее кусок фильтрованной бумаги, смоченной раствором морской соли, располагали так, чтобы поверхность образца слева от риски была на воздухе, а справа — смачивалась раствором. Фотографии, сделанные таким образом с двух образцов, представлены на рис. 60. Первые следы скольжения на смоченной поверхности появляются при напряжении, меньшем, чем на несмоченной. Это различие составляет 50 МПа (рис. 60, б, г). Итак, наглядно показано, что раствор морской соли может заметно снижать напряжение течения на поверхности материала, т. е. подтверждены результаты, представленные на рис. 59 и в табл. 18. [c.102] Уменьшение ширин интерференционных линий свидетельствует об уменьшении остаточных микродеформаций кристаллической решетки. Ручная шлифовка и полировка поверхности образцов после технологической обработки привела к существенному изменению глубины деформированного обработкой слоя (рис. 61, кривая 2). Например, уже при травлении как стали, так и титанового сплава на глубину более 10 мкм полуширины рентгеновских линий остаются неизменными. [c.104] Ручная шлифовка и полировка позволяют подготовить образцы, где глубина деформированного слоя не превышает 10 мкм. Измерения предела текучести на разной глубине от поверхности проводили на образцах после ручной шлифовки и полировки. Таким образом, полученное экспериментально уменьшение предела текучести в приповерхностных слоях материалов не связано с наличием остаточных напряжений, а является свойством материала. [c.104] Помимо исследования неравномерности свойств материала по глубине было проведено также исследование неравномерности свойств по поверхности. Для этого воспользовались методом микротвердости. Эксперименты сочетали с металлографическим исследованием структуры сталей и титанового сплава. [c.104] Сталь 20X13 (рис. 62, г) бейнитного класса. Структура бейнита грубая, с частицами цемента. Отдельные участки структуры отличаются по контрасту, что, по-видимому, определяется ликвацией легирующих элементов. Видны также карбиды разной величины. Измерение микротвердости показало большую неравномерность свойств отдельных участков поверхности — уколы, попадающие на участки бейнита с большим числом частиц цементита и карбидов, дают более высокие значения микротвердости по сравнению с участками с меньшим содержанием упрочняющихся элементов. Например, точка 1 показала большие значения микротвердости, чем точка 2 (рис. 62, г, 63), для которой характерно минимальное количество упрочняющих составляющих. Травление реактивом Мураками позволило выявить распределение карбидов в виде сетки. На некоторых участках поверхности карбиды как бы декорируют границы зерен (рис. 64, а). [c.106] Значительная неравномерность микротвердости стали 20X13 свидетельствует о неравномерности предела текучести в отдельных объемах материала, что совпадает с результатами измерений предела текучести на поверхности (см. рис. 59). Естественно предположить, что микротрещины будут зарождаться в зонах, где течение начинается раньше и происходит в большой мере. Для подтверждения этого после циклического нагружения была измерена микротвердость в нескольких местах вблизи микротреш.ин, возникших при напряжениях на уровне предела выносливости и ниже его. Было исследовано 10 микротреш.ин, и все они зарождались в зонах с минимальной микротвердостью. Пример такого измерения представлен на рис. 64. [c.107] В целом исследование структуры материалов показало, что как стали, так и титановый сплав имеют мелкодисперсную структуру с существенной неравномерностью механических свойств. В том случае, если строение материала зернистое, размер зерен мал—примерно 0,01—0,015 мм. Расстояние от поверхности, где наблюдаются аномальные механические свойства (см. табл. 18) в 10—20 раз больше размера зерен. Очевидно, свойства поверхностного слоя прямо не связаны с размером зерен. О причинах отличия свойств приповерхностных слоев от сердцевинных было указано выше. [c.108] В предшествующих исследованиях усталости металлов, где рост трещин не анализировали, пластическую деформацию также рассматривали как причину усталостного разрушения [80, 142, 152, 185, 188]. Все это дает основание считать, что наличие пластической деформации исключает остановку трещины, даже если коэффициент интенсивности напряжений в вершине поверхностной трещины ниже, чем пороговый. [c.109] Примем следующие допущения все слои материала имеют диаграммы деформирования, близкие к таковым для идеального упругопластического тела циклическое деформирование не изменяет диаграмм деформирования слоев. [c.110] Таким образом, предложенная модель устанавливает связь между пределом выносливости, пороговым размахом коэффициента интенсивности напряжений и особенностями предела текучести материала в слоях, близких к поверхности. [c.110] Расчет предела выносливости при изгибе. Из анализа экспериментальных зависимостей предела текучести от глубины слоя (см. рис. 59, табл. 18) следует, что реальное распределение напряжений у поверхности изгибаемого образца можно ограничить двумя крайними случаями. [c.111] Решая систему уравнений (111.27) и (III.28), где два неизвестных о ом и И, определяем предел выносливости гладкого образца = = а 1 и размер неразвивающейся усталостной трещины. [c.112] Решая совместно уравнения (III.28) и (111.30), можно также определить предел выносливости гладкого образца при изгибе и размер неразвивающейся трещины. [c.112] В формулу (III.28) входит зависимость геометрического фактора У от глубины трещины, которая различна для трещин разной конфигурации. Чем меньше отношение глубины полуэллиптической трещины к ее длине на поверхности а/2/, тем больше геометрический фактор [238]. При а/2/ = 0,1 этот фактор имеет то же значение, что и для сквозной трещины [И, 238]. Поскольку возможность торможения трещины в глубину достигается быстро (из-за существенного градиента do IdH и выполнения условия отсутствия пластической деформации), а на поверхности ослабленные зоны могут быть протяженны и трещина может стать длинной, т. е. с малым отношением а/21, то при расчетах по формулам (111.28) логично принять зависимость Y (Н) для сквозной трещины (III.5) [И]. [c.112] Вернуться к основной статье