ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Усталостные трещины, остановившиеся в своем развитии из "Нераспространяющиеся усталостные трещины " Раньше считалось, что усталостная трещина вызывает весьма резкую концентрацию напряжений и неизбежно приводит к разрушению, если силовые воздействия на образец или деталь остаются неизменными. Однако к 40-м годам были известны работы, в которых исследователи отмечали существование усталостных трещин при напряжениях ниже предела выносливости. Так, с целью исследования условий возникновения и развития трещин, постоянно обнаруживаемых на практике в подступичных частях железнодорожных осей, были проведены испытания на усталость крупных моделей таких осей. Испытывали на изгиб с вращением консольные модели диаметром 51 мм Из низкоуглеродистой никелевой (0,24 % С 3,10 % Ni 0,02 /о S 0,03% Р Ов = 667 МПа 0 = 485 МПа 6 = 30% г з = 70,6 % — сталь А) и углеродистой (0,49% С 0,06 /о Ni 0,035% S 0,017% Р 0,77 % Мп Ов = 624 МПа Qt = 336 МПа 6 = 32 % 1 з = 48,5 % — сталь Б) сталей. На один конец модели напрессовывали литой колесный центр диаметром 159 мм и толщиной 35 мм, имитирующий посадку колеса на ось. [c.8] Результаты испытаний моделей, приведенные на рис. 1, показали, что пределы выносливости, определенные по полному разрушению, оказались для моделей из стали А равными 123 МПа, из стали Б — 985 МПа. Исследования несломавших-ся моделей позволили установить, что при напряжениях, немного меньших предела выносливости, в подступичных частях образуются усталостные трещины, не приводящие к поломке. И только при напряжениях значительно более низких трещины вообще не появляются. Предельные напряжения, не вызывающие появления усталостных трещин в исследованных моделях, для стали А равны 70 МПа, для стали Б — 42 МПа. [c.8] В качестве объяснения полученных результатов приводились данные исследований Мура, который показал, что возникшие во вращающихся образцах усталостные трещины не распространяются дальше при напряжениях изгиба, равных примерно половине предела выносливости исходного металла. Следовательно, остановку развития усталостных трещин в зонах посадки колес на оси можно объяснить тем, что напряжения ниже линии 2 составляют менее 50% предела выносливости исходной оси. [c.9] В 1939 г. была опубликована работа А. Тума, в которой приведены результаты исследований сопротивления усталости при сжатии образцов с концентратором напряжений. Выли обнаружены трещины, развитие которых прекращалось несмотря на увеличение числа циклов нагружения при постоянной амплитуде напряжений. [c.9] В начале 50-х годов появились первые работы, в которых приведены результаты специальных опытов по изучению случаев остановки развития усталостной трещины. Эти исследования были связаны с развитием работ по определению предельной чувствительности материалов к концентрации напряжений при циклическом деформировании. Было обнаружено, что увеличение чувствительности к концентрации напряжений не всегда следует за увеличением теоретического коэффициента концентрации напряжений. [c.10] Один из наиболее важных выводов, сделанных при анализе результатов приведенных работ, — усталостная трещина сама по себе не является более опасным концентратором напряжений, чем исходный надрез, выполненный механическим способом. Вместе с тем известно, что трещина имеет значительно более высокий теоретический коэффициент концентрации напряжений. [c.11] В более поздних работах было также показано, что резкие концентраторы напряжений придают образцам значительно более высокое сопротивление усталости, чем этого можно было ожидать, принимая во внимание их теоретические коэффициенты концентрации напряжений. Причем этот эффект наблюдается независимо от схемы приложения нагрузки. В качестве примера в табл. 1 приведены результаты исследования влияния радиуса при вершине кольцевого надреза на сопротивление усталости двух алюминиевых сплавов. Испытывали на изгиб с вращением образцы диаметром 12,7 мм из алюминиевого сплава (4,5 % Си 1,4 % Мп ап = 470 МПа) с кольцевым надрезом глубиной 1,9 мм и углом раскрытия 45°, а также на осевое растяжение-сжатие образцы диаметром 43,2 мм из алюминиевого сплава (4,4 % Си 0,7 % Mg Ств = 505 МПа) с кольцевым надрезом глубиной 5,1 мм и углом раскрытия 55 .. В обоих случаях с уменьшением радиуса при вершине надреза амплитуда разрушающих напряжений цикла сначала значительно уменьшается, а затем, после достижения некоторого критического значения, заметно увеличивается. Интересно отметить, что в обоих исследованиях критический радиус при вершине надреза, соответствующий минимальной амплитуде разрушающих напряжений, оказался равным примерно 0,03 мм. [c.11] Значительные расхождения между экспериментальными и расчетными значениями пределов выносливости образцов, имеющих резкие концентраторы напряжений, были получены в те годы многими исследователями при различных схемах нагружения (табл. 2). [c.11] Следующим шагом в исследованиях влияния высокой концентрации напряжений на сопротивление усталости металлов было получение полной экспериментальной зависимости пределов выносливости от теоретического коэффициента концентрации напряжений. Такая зависимость впервые была построена Фростом по результатам испытаний образцов из горячекатаной листовой стали (0,22% С 0,086 % S 0,022% Р 0,51 % Мп ат = 295 МПа Ств = 434 МПа 6 = 45%). [c.13] Испытывали на усталость при осевом растяжении-сжатии плоские образцы сечением 64x7,5 мм с краевым V-образным надрезом глубиной 5 мм. Варьирование концентрации напряжений проводили путем изменения радиуса при вершине надреза в диапазоне от 0,1 до 1,25 мм. Остаточные напряжения после изготовления надрезов снимали нагревом до 650 С в вакууме с выдержкой в течение 1 ч. [c.13] Иными словами, в пределах допустимой погрешности в интервале —31 МПа сат 31 МПа усталостная трещина развивается, если номинальное растягивающее напряжение (максимальное напряжение цикла) Отах = 50,4 МПа (указанное значение не зависит от радиуса при вершине надреза). Это эмпирическое правило неприемлемо для случая, когда средние напряжения цикла являются сжимающими напряжениями большой величины. [c.14] В дальнейшем аналогичная зависимость была получена и при испытаниях на изгиб с вращением, проводившихся на образцах из низкоуглеродистой стали (a i = 264 МПа) с кольцевыми концентраторами напряжений различной остроты (см. рис. 5). Амплитуда напряжений, при которой возникшие трещины распространялись и приводили к поломке образцов в зоне высокой концентрации напряжений, как и при растяжении-сжатии, оказалась независящей от аа (аа = 90 МПа). У образцов с теоретическим коэффициентом концентрации напряжений выше критического значения (аа = 264/90 = 2,9) наблюдалось появление нераспространяющихся усталостных трещин при Оа 90 МПа вплоть до амплитуд напряжений, ограниченных кривой трещинообразования. [c.15] Нейбера для гиперболической выточки, Фрост определил расстояние от вершины надреза до точки в. исходном напряженном поле, в которой напряжения были равны пределу выносливости гладкого образца из исследуемого материала. Сравнение полученных значений с экспериментально определенными глубинами нераспространяю-щихся усталостных трещин для алюминиевого сплава, имеющего предел выносливости гладких образцов 154 МПа, показало их хорошее соответствие. Аналогичные результаты были получены и для низкоуглеродистой стали. [c.16] Этими работами была доказана закономерность существования нераспространяющихся трещин и определены некоторые-специфические их особенности. Явление остановки роста усталостных трещин было обнаружено затем для разнообразных материалов при различных режимах нагружения. [c.17] Теперь наряду с продолжающимися во все возрастающем объеме исследованиями основных стадий усталостного повреждения материалов интенсивно развиваются исследования явлений, происходящих на границе между этими стадиями. К настоящему времени в этой области исследований получено большое количество сведений от экспериментального определения влияния металлургических, конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов на параметры нераспространяющихся усталостных треищн до построения теоретических решений для определения условий возникновения таких, трещин. [c.17] Вернуться к основной статье