ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Разрывы и перегибы кривых усталости из "Усталость металлических материалов " Как известно [5, 6, 19, 20], переход от одного участка полной кривой усталости к другому, а также переход от малоцикловой к многоцикловой усталости часто связаны с изменением формы кривой усталости - наличием на кривой перегиба или даже разрыва. [c.18] В работе [23] было высказано предположение, что разрыв кривых усталости обусловлен более ранним пластическим течением поверхностных слоев по сравнению с основной массой металла. Следовательно, если упрочнить тонкий поверхностный слой (глубиной несколько зерен) и создать такие условия, при которых пластическое деформирование на поверхности и внутри металла будет происходить одновременно, то предел усталости такого материала будет соответствовать напряжению (при котором наблюдается разрыв кривой усталости), названному истинным пределом усталости . [c.19] НИЯ поверхности), то разрыва кривых усталости не должно быть. Следовательно, структурное состояние материала и в особенности состояние поверхностных слоев (наличие концентраторов напряжения) и окружающая среда должны оказывать сильное влияние на наличие или отсутствие разрыва в кривых усталости, что и подтверждается рядом исследований. [c.20] Интересные данные по изменению формы кривых усталости были получены в работе [24], в которой изучали влияние частоты циклического нагружения (100, 1000 и 12000 цикл/мин) на форму кривых усталости алюминиевых сплавов ДТД 683 и 2024-Т4 (Си 3,8-4,9 Mg 1,2-1,8 Мп 0,3-0,9 вес%). Кривая усталости образцов из сплава ДТД 683, испытанных при частоте нагружения 1000 цикл/мин (рис. 1.18, а), имеет обычный характер, однако увеличение частоты нагружения, а следовательно, и увеличение нагрева образца в процессе испытания приводят к образованию четко выраженной ступеньки на кривой усталости. У образцов из сплава 2024-Т4 (рис, 1.18, б) ступенька начинает исчезать лишь при частоте нагружения 100 цикл/мин. Эти данные показывают, что структурные особенности материала оказывают заметное влияние на форму кривых усталости. [c.21] В некоторых случаях разрыва кривой усталости нет, а наблюдается перегиб кривой усталости. В работе [26] было отмечено, что в случае малоуглеродистой стали перегиб на кривой усталости наблюдается при напряжениях, близких к критическому напряжению усталости о л, предложенному в работе [27], в условиях, когда уже с первых циклов нагружения могут возникать повреждения в виде субмикроскопических трещин, и наблюдается переход от малоцикловой усталости к многоцикловой (рис. 1.20). Для мало- и среднеуглеродистой стали при критическом напряжении разрушение наступает за критическое число циклов Nf. 2-10 . [c.22] Анализ показывает [6], что, начиная с напряжения наблюдается резкое повышение температуры образца, подвергаемого циклическому нагружению, характерное изменение внутреннего трения и других структурночувствительных свойств. Рассматривая причины перегибов в кривых усталости при достижении критического напряжения усталости, следует учитьшать, что при циклической деформации, например, железа или малоуглеродистой стали, протекают три конкурирующих процесса 1) разблокировка дислокации и возникновение новых дислокаций, обусловленное процессом циклического нагружения (деформационное упрочнение) 2) вторичная блокировка дислокации, обусловленная динамическим деформационным старением 3) возникновение субмикротрещин (повреждаемость). [c.24] Возникновение субмикроскопических трещин с первых циклов нагружения при напряжениях выше О/., с одной стороны, вызывает повреждаемость металла, с другой стороны. Известно, что интенсивное образование субмикротрещин сопровождается интенсивным выделением тепловой энергии (повышением температуры до 250 °С [6]), а это приводит к интенсивной блокировке дислокации в процессе циклического нагружения. В зависимости от исходного структурного состояния, а также вида и режима циклического нагружения преобладает тот или иной процесс (упрочнение или разупрочнение), что сказывается на характере перегиба при критическом напряжении усталости. [c.24] В случае отожженного железа или малоуглеродистой стали, способных к упрочнению, а также к динамическому деформационному старению, несмотря на наличие субмикроскопических трещин при напряжениях выше могут преобладать процессы упрочнения (повышение плотности дислокации и их блокировка в результате динамического деформационного старения). В этом случае наклон кривой усталости начиная с напряжения r f возрастает в сторону увеличения долговечности (см. рис. 1.20). В материале, в котором способность к деформационному упрочнению (деформационному старению) в значительной мере исчерпана, перегиб кривой усталости смещается в сторону меньшей долговечности [26]. [c.24] В работе [28] показано, что в высокопрочной стали 20МпСг5У после азотирования на глубину 0,5 мм выявляется четкий перегиб при переходе от малоцикловой области усталости к многоцикловой (рис. 1.21). При этом в области малоцикловой усталости трещины зарождаются на поверхности образцов, а в области многоцикловой усталости - в подповерхностном слое, на границе раздела между основным металлом и азотированным слоем. [c.24] На вид кривых усталости влияет также режим циклического нагружения. Так, например, в случае испытаний на знакопеременный изгиб при максимальном напряжении работают только поверхностные слои металла, поэтому повышение плотности дислокации и блокировка их в процессе циклического нагружения часто недостаточны чтобы вызвать перегиб в кривой усталости в сторону повышения долговечности. В этом случае процессы упрочнения и повреждаемости могут быть взаимно уравновешены и кривые усталости при критическом напряжении усталости не изменяют своего наклона [26]. [c.25] В последние годы возникла необходимость проводить усталостные испытания на базах испытания, превышающих 10 -10 циклов нагружения (гигаусталость) [29-31], как это предусмотрено ГОСТом 25.502-79. Это связано с тем, что ресурс нагружения многих ответственных конструкций, работающих в режиме циклических нагрузок, превышает стандартные базы усталостных испытаний. Проведение таких испытаний выявило интересную особенность. Металлические материалы, у которых при стандартных базах испытания наблюдался физический предел вьшосливости, вдруг начинают разрушаться после прохождения 10 -10 циклов и возникает как бы вторая ветвь многоцикловой усталости и длинная ступенька между этими двумя ветвями. При этом на больших базах испытаний на усталость (больших 10 циклов нагружения) трещины почти всегда зарождаются не на поверхности, как это обычно наблюдается при многоцикловой усталости, а под поверхностным слоем. На рис. 1.22 представлены результаты усталостных испытаний в условиях симметричного растяжения-сжатия с частотой 20 КГц образцов из высокопрочных пружинных сталей Сг-81 и высокопрочных легированных сталей типа 42СгМо4 [32]. Видно, что во всех случаях у кривых усталости имеются две ветви долговечностей, между которыми существует горизонтальный участок (разрыв кривых усталости). Первая ветвь обычно оканчивается при долговечностях МО -510 , а вторая начинается после 10 циклов. Если образцы разрушались до 10 циклов, то усталостные трещины зарождались в поверхностном слое образцов. После 10 циклов зарождение трещин происходит под поверхностным слоем преимущественно у сульфидных неметаллических включений размером от 10 до 40 мкм. [c.26] При малоцикловой усталости основным фактором наличия перегиба у кривой ограниченной долговечности может быть структурное состояние материала и механизм зарождения трещин, как это было продемонстрировано в работе [10] (см. рис. 1.10), а также наличие возможных структурных и фазовых изменений в процессе циклического деформирования. [c.27] Особое место среди гипотез и причин появления перегибов и разрывов кривых усталости занимает концепция более раннего течения приповерхностных слоев [23]. Этот вопрос будет детально рассмотрен в гл. 5, Здесь только можно отметить, что ступеньки (или разрывы) на кривых усталости при сверхбольших базах испытания [29-31] в основном связаны с особенностями пластического деформирования поверхностных слоев на ранних стадиях циклического нагружения [33, 34]. [c.28] В заключение следует отметить, что, конечно, при построении полной кривой усталости для конкретного металлического материала не все переходные области должны четко появиться в виде перегибов или разрывов (ступенек), поскольку, как было показано выше, их появление зависит от многих факторов. Но возможность существования переходных области областей на отдельных участках полной кривой усталости следует иметь в виду при некоторых ускоренных методах определения предела выносливости, когда предполагаемая экстраполяция может привести к ошибочным результатам. Это также важно для усталостных испытаний со случайным спектром нагружения, когда применяются гипотезы суммирования усталостных повреждений. [c.28] Вернуться к основной статье