Теории физического предела выносливости металлических материалов

из "Усталость металлических материалов "

Под физическим пределом выносливости понимают максимальное напряжение, при действии которого в условиях циклического разрушения не наступает при сколь угодно большом числе циклов нагружения. Это приводит к наличию на кривой усталости горизонтального участка (см. рис. 1.4, кривая 7). Многие металлы при испытании на усталость, однако, не выявляют горизонтального участка даже при весьма длительных испытаниях (кривая 2), т.е. предполагается, то в этом случае отсутствует физический предел выносливости. [c.155]
Ранние теории усталости металлов и сплавов в исторической перспективе рассмотрены в ряде обзоров и монографий [1-5]. Несмотря на то, что явление усталости изучается уже около 150 лет, вопрос о причинах наличия или отсутствия предела выносливости, а также о том, почему наблюдается разрушение при напряжениях ниже статического предела текучести, остается дискуссионным, хотя уже в 1842 г. было высказано предположение, что разрушение от усталости осей железнодорожных вагонов связано с молекулярными изменениями в структуре железа [4]. Эволюция структуры и этапы накоплений повреждений в металлических материалах с позиций современных представлений были детально рассмотрены в 3 и 4 главах книги. [c.155]
Для анализа теорий физического предела выносливости важны процессы, происходящие в периоде зарождения усталостных трещин (деформационное упрочнение/разупрочнение, структурные и фазовые изменения, механизмы зарождения микротрещин, условия нераспространения малых усталостных трещин при напряжении, равном пределу выносливости). [c.156]
Было замечено [6, 7], что физический предел выносливости чаще всего наблюдается у углеродистых сталей, у которых также проявляются такие феномены, как физический предел текучести и резкий порог хладноломкости. Природа проявления этих феноменов является взаимосвязанной. Действительно, даже при отсутствии прямой корреляции между значениями предела текучести и предела выносливости (В.Т. Трощенко [8] было показано, что существует корреляция между пределом выносливости и циклическим пределом упругости поверхностных слоев) можно утверждать, что в природе эти явления имеют много общего [6, 7,9,10-12]. [c.156]
Поскольку наличие физического предела текучести однозначно связывают в ОЦК-металлах и сплавах с протеканием процесса динамического деформационного старения [13], то и многие современные теории физического предела выносливости объясняют его с учетом этого процесса [14], хотя некоторые исследователи считают, что физической предел выносливости является природным свойством кристаллической структуры [15, 16]. Ниже мы рассмотрим этот вопрос более детально. [c.157]
При деформационном старении атомы азота и углерода, находящиеся в твердом растворе, блокируют дислокации в результате упругого взаимодействия силовых полей дислокации и внедренных атомов [80]. Различают деформационное старение, возникающее в металле после предварительной деформации (статистическое деформационное старение), и старение, развивающееся непосредственно в процессе деформирования (динамическое деформационное старение). Оба вида старения, в конечном итоге, приводят к упрочнению (повышение сопротивления деформированию), однако кинетика процесса старения сильно зависит от того, под напряжением или при отсутствии внешнего напряжения протекает этот процесс. [c.157]
В работе [17] было высказано предположение, что выявление физического предела усталости может быть объяснено по аналогии с явлением физического предела текучести в том смысле, что циклическое напряжение выше предела усталости должно приводить к интенсивной разблокировке дислокации. Ниже предела усталости большинство дислокаций остаются заблокированными. [c.157]
При обработке по первому режиму была получена структу-ра, в которой содержание углерода и азота в матрице (феррит) составляло 0,001%, так как при медленном охлаждении армко-железа углерод и азот выделяются в виде карбидной фазы. Во втором случае (охлаждение в воде), при таком же общем содержании углерода и азота, в феррите растворено большее количество атомов внедрения, чем в первом, хотя с течением времени наблюдается выделение части карбидов при комнатной температуре. Размер зерна после обоих режимов термообработки был одинаков (0,07 мм). После термообработки образцы статически деформировали на 4-19% и затем старили при температуре 250 °С в течение 1 ч. [c.158]
Данные испытаний на усталость приведены на рис. 5.1. исходная кривая усталости отожженного армко-железа, как видно из рис. 5Л, а, имеет вид плавной кривой, в то время как в случае закаленных образцов наблюдается четкий физический предел усталости (см. рис. 5.1, б). Дополнительное старение закаленных образцов (исходная кривая) приводит к тому, что кривая усталости приобретает тот же вид, что и кривая усталости отожженных образцов (см. рис. 5.1, б). [c.158]
Для доказательства правильности своей теории Дж.К. Леви [20] провел опыты на усталость малоуглеродистой стали (0,11% С, 0,5% Мп, 0,0033% ) после циклической ступенчатой тренировки (схема тренировки и результаты усталостных испытаний проведены на рис. 5.3). Образцы, у которых способность к де-формационному старению в результате тренировки была исчерпана, не имели четкого перегиба при напряжениях в районе предполагаемого предела усталости. Однако следует отметить, что кривая усталости образцов, прошедших циклическую тренировку (кривая 2 на рис. 5.3), все же имеет предел усталости при /V = К) циклов нагружения и поэтому эти результаты не могут служить подтверждением правильности предпосылок работы [14]. [c.160]
Если предположить, что физический предел усталости обусловлен процессом деформационного старения, то количество азота и углерода, а также их распределение в металле или в сплаве должны оказывать сильное влияние на форму кривой усталости и величину предела усталости. Действительно, отмечалось, что частичное уменьшение содержания углерода и азота снижает предел усталости и смещает перегиб на кривой усталости в сторону более высокого числа циклов нагружения. В связи с этим высказано предположение, что при меньшем содержании атомов примесей в растворе для диффузии этих атомов к дислокациям и для закрепления этих дислокаций требуется большее время и, следовательно, большее число циклов нагружения [23]. [c.161]
Интересные данные были получены в работе [23], в которой не обнаружили физического предела вьшосливости у чистого титана, однако прибавление к титану до 0,7 ат. % С, N и В, способствующих деформационному старению, привело к появлению резкого и очень высокого предела усталости. Авторы [23] предположили, что процесс усталости представляет собой комбинацию трех процессов повреждаемости, деформационного упрочнения и деформационного старения. Первые два процесса являются функциями от приложенного напряжения, а третий -нет. Следовательно, равновесие возможно при определенном напряжении, и это напряжение является пределом вьшосливости. [c.161]
Получены данные [24], подтверждающие тот факт, что динамическое деформационное старение оказывает сильное влияние на форму кривой усталости и способствует наличию физического предела выносливости. Испытания на усталость при знакопеременном изгибе и кручении проводились на образцах из малоуглеродистой стали в диапазоне температур испытания 20-500 °С. Из полученных результатов следует (рис, 5,4), что при температуре испытания 300 С, при которой в этих условиях должно протекать наиболее интенсивное деформационное старение, кривые усталости имеют четко выраженный физический предел выносливости (предел выносливости имеет при этом наибольшее значение). [c.162]
Интересные доказательства того, что при амплитудах циклического нагружения, близких к пределу вьшосливости, в углеродистых сталях протекают процессы динамического деформационного старения, получены в работах [25, 26], Исследования [25] проводили на сталях с содержанием углерода от 0,045 до 0,74% при симметричном растяжении-сжатии (частота нагружения 200 цикл/с). Реакцию деформационного старения фиксировали путем измерения температуры образцов (точность измерения температуры составляла 0,05 °С). Перед усталостными испытаниями образцы статически деформировали на 5%, чтобы устранить эффект исходной блокировки дислокаций. [c.162]
Предварительное статическое деформационное старение приводит к устранению первоначального уменьшения энергии рассеяния (уменьшению температуры образцов), что отчетливо видно из рис. 5.6. Таким образом, предварительное статическое деформационное старение подавляет процессы динамического деформационного старения. [c.163]
Эффекты локального нагрева в активных полосах скольжения в процессе циклического нагружения могут способствовать обратной растворимости углерода. Следует отметить, что рассмотренное выше макроскопическое возрастание температуры при циклическом нагружении отнесено ко всей массе образца, следовательно, температура в локальных активных полосах скольжения значительно выше, чем в образце в целом. Это должно способствовать протеканию процессов динамического деформационного старения в активных полосах скольжения. В связи с этим необходимо подчеркнуть, что процесс динамического деформационного старения наблюдается и при температурах испытания ниже нуля [25]. [c.165]
Таким образом, данные по кинетике динамического деформационного старения углеродистых сталей в процессе циклического нагружения при низких амплитудах нагружения (близких к пределу усталости) показывают, что возможны два типа реакций динамического деформационного старения. Реакция динамического деформационного старения первого типа имеет сходство со статическим деформационным старением, и скорость ее проявления пропорциональна концентрации растворенных атомов внедрения. Второй тип старения возникает при циклическом нагружении закаленных и отпущенных углеродистых сталей, которые содержат многочисленные тонкие цементные пластинки, и не зависит от находящегося в растворе в начале циклического нагружения углерода. В этом случае эффект динамического деформационного старения обусловлен переходом атомов углерода из тонких цементитных частиц в раствор в активных полосах скольжения. Исследования внутреннего трения показали, что оба рассмотренных типа реакций старения имеют низкую энергию активации (около 0,5 эв) [25]. [c.165]
Изучение влияния деформационного старения на форму кривых усталости позволило выявить ряд закономерностей. В частности, можно утверждать, что статическое и динамическое деформационное старение способствуют повышению значения предела усталости. Наклон кривых усталости в результате предварительного статического деформационного старения возрастает, а точка перегиба кривой усталости при выходе на горизонтальной участок смещается в сторону меньших циклов нагружения [27]. [c.165]
В работах итальянских ученых [16, 28, 29] физический предел вьшосливости рассматривается как проявление природных свойств кристаллической решетки, независимо от того, склонен или не склонен данный металл к старению. Обнаружилось нали-чие физического предела выносливости у железа высокой чистоты (среднее содержание углерода вблизи поверхности составляло 0,0002%, площадка текучести на кривых растяжения отсутствовала), хотя в целом кривая усталости располагалась ниже, по сравнению с кривой усталости железа, содержащего обычное количество примесей. Было показано, что резкий перегиб на кривой усталости наблюдается у сплавов никеля (ГЦК решетка) [28, 29], а также у монокристаллов меди [30]. [c.166]
Таким образом, с точки зрения авторов работ [16,28,29], физический предел усталости должен проявляться у всех металлов, однако база испытания при этом должна быть различной. Фактически, экспериментально подтвердить существование физического предела усталости для некоторых цветных металлов, видимо, не представляется возможным, так как для некоторых пластичных цветных металлов база испытания должна быть больше 10 -1012 циклов нагружения. Однако длительность испытаний может быть уменьшена при проведении опытов в условиях низких температур. Опыты при низких температурах интересны и в том отношении, что они позволяют уточнить влияние динамического деформационного старения на выявление физического предела усталости, так как известно, что скорость деформационного старения быстро снижается с температурой. Если предел усталости обусловлен динамическим деформационным старением, то с понижением температуры должно наблюдаться смещение точки выхода кривой усталости на горизонтальный участок в сторону большого числа циклов, а при дальнейшем понижении температуры испытания физический предел должен исчезнуть. [c.166]

Вернуться к основной статье

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...