ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Причины остановки трещины, связанные с напряженным состоянием у ее вершины из "Нераспространяющиеся усталостные трещины " Предположение о существовании перегиба кривой Ог подтверждается опытными данными И. А. Одинга и С. Е. Гуревича, полученными при испытаниях на усталость образцов из сталей СтЗ и ЗОХГСА. На изломах круглых образцов с концентраторами напряжений, испытывавшихся на усталость при круговом изгибе с вращением, определяли минимальное расстояние X от вершины надреза до границы зоны долома. Отношение k/d значительно уменьшается при увеличении теоретического коэффициента, концентрации напряжений Оо, в области малых значений аа и практически не изменяется в области высоких значений аа- Показательным является тот факт, что перегиб зависимостей kld = f aa соответствует критическим значениям для исследованных сталей для стали СтЗ аскр = = 3,1 для стали ЗОХГСА аакр = 4,3. Так как значение аакр существенно зависит от параметра К то ход кривых k/d = f aa подтверждает перегиб кривой зависимости . , = (па), как и зависимости 02=f(aa). [c.22] В общем виде диаграмма усталостного разрушения материалов (см. рис. 8), полученная на основе теоретических и экспериментальных исследований, при наличии концентрации напряжений состоит из областей, отражающих качествеипо различные степени повреждаемости при усталостном нагружении / — область разрушения металла, II — область нераспространяющихся усталостных трещин, III — область субмикроскопи-ческих повреждений и /V — область отсутствия усталостных повреждений. [c.22] Изменение асимметрии цикла нагружения в вершине трещины с ее ростом. Перераспределение напряжений от внешней нагрузки, действующих в области вершины трещины в полу-циклах растяжения и сжатия, может вызывать остановку развития усталостной трещины. Анализ такого перераспределения был проведен в работах И. В. Кудрявцева и В. Линхарта. На рис. 9,а показана схема распределения осевых напряжений в образце с концентратором, полученная при испытании на усталость при симметричном цикле напряжений (растяжения-сжатия) с амплитудой номинального напряжения Оц. До возникновения усталостной трещины эпюры растягивающих и сжимающих напряжений идентичны, а материал в области вершины концентратора реально подвергается нагружению по симметричному циклу с амплитудой а Оп и R = — (цикл 1—2). Если эта амплитуда превышает предел выносливости исследуемого материала, то в вершине надреза возникает усталостная трещина. После ее развития на глубину I распределение сжимающих напряжений не изменится, так как трещина, сомкнувшись, будет передавать нагрузку как исходное неповрежденное сечение, а по величине сжимающие напряжения при вершине трещины уменьшаются растягивающие напряжения сконцентрируются в вершине трещины, максимум их будет соответствовать величине аат(Тн(а(гт — теоретический коэффициент концентрации напряжений для трещины глубиной h + l). [c.23] Таким образом, цикл напряжений в вершине трещины (цикл 3—4) изменяется от симметричного к асимметричному, сопровождаясь появлением растягивающего среднего напряжения. Если теоретический коэффициент концентрации напряжений в вершине трещины сат мало отличается от коэффициента концентрации в вершине надреза, то размах нового измененного цикла может существенно уменьшиться по сравнению с исходным циклом нагружения. [c.23] Если представить зависимость предельных напряжений (omin и атах), не вызывающих усталостных разрушений, от среднего напрялсения цикла (от) графически (рис. 9,6), то нетрудно увидеть, что симметричный цикл нагружения с некоторым значением максимальных растягивающих напряжений (точка 2) вызывает возникновение усталостной трещины в вершине концентратора. Однако даже несколько большие максимальные напряжения цикла (точка 4) могут оказаться безопасными при асимметричном цикле напряжений и не вызвать усталостного разрушения в вершине трещины. [c.23] Исходя из предпосылок (для первого приближения), что сл имающие напряжения снизятся до Он, а влиянием среднего напряжения цикла можно пренебречь, представим выражение для теоретического коэффициента концентрации напряжений, необходимого для возникновения нераспространяющихся трещин, в виде акр ( от+ 1)/2. [c.23] Изменение асимметрии цикла нагружения, обусловливающее остановку роста усталостной трещины, может усиливаться также в результате изменения номинальных напряжений, вызванного ростом трещины в некоторых сечениях. Так, в деталях или образцах круглого сечения, испытывающих циклическое нагружение по схеме изгиба в одной плоскости, возникают и развиваются трещины, фронт которых более или менее близок к хорде. В начальный период развития трещины увеличение максимальных напряжений цикла происходит медленнее, чем уменьшение минимальных напряжений. Это приводит к увеличению среднего напряжения цикла, но амплитуда цикла вплоть до глубины трещины, составляющей 0,6 радиуса, остается меньше амплитуды исходного цикла напряжений. Отмеченное ухменьшение амплитуды номинальных напряжений цикла и есть дополнительный фактор, который может усилить эффект изменения асимметрии цикла в вершине концентратора, приводящий к остановке развития трещины. [c.24] Возможен случай, когда с увеличением среднего напряжения цикла, вызванным ростом сегментной трещины, уменьшение его амплитуды будет больше, чем аналогичное уменьшение, определяемое коэффициентом tji r для данного материала. Тогда исходный симметричный цикл напряжений в наиболее нагруженной точке целого (не поврех денного трещиной) сечения будет более опасным, чем асимметричный цикл в вершине трещины небольшой глубины. [c.24] При некоторых видах поверхностного упрочнения (при дробеструйной обработке, обкатке роликами и др.) характерной особенностью распределения остаточных напряжений является существование максимума сжимающих напряжений на некоторой глубине от поверхности детали. [c.25] Установление на основе анализа ряда исследований этой особенности распределения остаточных напряжений позволило И. В. Кудрявцеву предложить следующую схему перераспределения напряжений при образовании усталостной трещины (рис. 10), объясняющую остановку развития усталостной трещины в этом случае. Если представить эпюру распределения остаточных напряжений в поверхностно наклепанной детали с концентратором напряжений кривой 1 (рис. 10, а), а эпюру распределения растягивающих напрял ений от внешней нагрузки — кривой 2, то эпюра суммарных напряжений изобразится кривой 3. Суммарные напряжения в этом случае имеют максимум у вершины концентратора. Возникновение усталостной трещины при таком характере распределения суммарных напряжений и распространение ее на глубину h вызовут перераспределение напряжений (рис. 10,6). Эпюра остаточных напряжений (кривая /) останется без изменения, так как появившаяся трещина, полностью лежащая в области сжимающих напряжений, не вызовет разгрузки прилегающей к ней зоны. Растягивающие напряжения от внешней нагрузки будут сняты на всей глубине /г трещины, а максимум их переместится к вершине трещины (кривая 2). Перераспределение суммарных напряжений (кривая 3) приводит к тому, что их величина у вершины трещины оказывается существенно более низкой, чем соответствующее суммарное напряжение у вершины концентратора до появления трещины. Иными словами, напряженное состояние в опасной зоне с образованием трещины становится более благоприятным, чем до ее образования. [c.25] Для распределения остаточных напряжений, вызванных такими процессами обработки поверхности, как шлифование или поверхностная закалка (особенно в зоне обрыва закаленного слоя), характерно возникновение растянутой зоны у поверхности детали. В связи с этим возможно появление уста-, лостных трещин, прекращающих свое развитие при выходе из зоны остаточных напряжений растяжения. Неразвивающиеся усталостные трещины могут возникать в этом случае в деталях с концентраторами напряжений и без них. [c.26] Изменение поля напряжений у вершины усталостной трещины при нагружении по отнулевому циклу сжатия. При знакопостоянном цикле напряжений сжатия развитие трещины в концентраторах напряжений происходит в полуцикле разгрузки под действием образовавшихся в полуцикле нагружения остаточных напряжений растяжения. Если сжимающие напряжения от внешнего нагружения превосходят предел текучести, образуя пластически деформированную зону у вершины концентратора, то при разгрузке в этой зоне возникают остаточные напряжения растяжения. В связи с этим при нагружении образца или детали по знакопостоянному циклу сжатия в вершине концентратора реально осуществляется знакопеременный цикл напряжений, сжимающая часть которого определяется внешней нагрузкой, а растягивающая — остаточными напряжениями. При возникновении и развитии усталостной трещины, как показал Л. Хаббард, пластическая зона у вершины концентратора не меняется, а остаточные напряжения растяжения у вершины трещины уменьшаются номере ее роста. Таким образом, амплитуда действительного цикла напряжений в вершине трещины уменьшается, вызывая замедление скорости ее роста и остановку. Так, при исследовании развития усталостных трещин в алюминиевом сплаве с высоким пределом текучести в условиях сжатия на плоских образцах с центральным отверстием было показано, что с увеличением длины трещины по мере прохождения ее через пластическую зону скорость роста трещины непрерывно уменьшается. [c.26] Экспериментальная проверка этого положения была проведена на плоских образцах толщиной 8 мм из стали (ов = = 580 МПа, оо,2=400 МПа) с концентратором в виде центрального надреза (аа=10). Результаты замеров длин трещин при нагружении с различной асимметрией цикла приведены на рис. 11. При симметричном цикле напряжений (R = — 1) и при цикле со средними напряжениями сх атия, когда максимальное напряжение цикла растягивающее, трещина постоянно растет. При отнулевом цикле напряжений сжатия рост трещины постепенно замедляется, а ее предельная длина стремится к длине пластически деформированной зоны. [c.27] Таким образом, изменение поля напряжений у вершины трещины, происходящее при ее росте в условиях нагружения ло отнулевому циклу сжатия, может быть источником образования нераспространяющихся усталостных трещин. Остановившиеся трещины, причиной образования которых был отну-левой цикл сжатия, обнарул ены также в деталях крупных сечений (180x170 мм )из стали 35Л [И]. [c.27] На рис. 12, а показано изменение деформаций при знакопеременном цикле напряжений в области вершины резкого концентратора напряжений. Участок между точками О и 1 соответствует упругопластической деформации в первом полу-цикле растяжения. При этом зона пластической деформации локализована в небольшой области у вершины концентратора, а в остальном материале существуют только упругие деформации. Снятие нагрузки приводит к уменьшению деформации (точка 2), а затем в результате воздействия зон материала, находящихся в упругодеформированном состоянии, к их исчезновению (точка 3). Приложение внешней сжимающей нагрузки вызывает продолжепие петли гистерезиса до точки 4. Разгрузка приводит к полному снятию деформаций (точка 5),, а новое приложение растягивающей нагрузки увеличивает деформации до значения, соответствующего точке 6. Дальнейшее знакопеременное циклическое деформирование приводит к изменению деформации по петле между точками 5 и до тех пор, пока не возникнет усталостная трещина. [c.28] Увеличение жесткости напряженного состояния у вершины усталостной трещины при ее развитии. Если усталостная трещина возникает на поверхности гладкого образца или образца с надрезом, вызывающим невысокую концентрацию напряжений, то развитие ее на некоторую глубину сопровождается увеличением жесткости напряженного состояния материала при вершине трещины, что вызывает стеснение пластической деформации, накапливание которой необходимо для дальнейшего роста усталостной трещины. Таким образом, при одном и том же внешнем нагружении на поверхности образца пластическая деформация протекает свободно и приводит к появлению усталостной трещины, а на некоторой глубине (у вершины возникшей трещины) пластическая деформация затруднена настолько, что дальнейший рост трещины при данном цикле изменения напряжений становится невозможным и трешина превращается в нерасиространяющуюся [30]. [c.29] Один из современных подходов к объяснению эффекта прекращения роста усталостной трещины при уменьшении амплитуды цикла напряжений основан на явлении так называемого закрытия трещины. Он состоит в следующем. Изменение скорости роста трещины, связанное с изменением амплитуды напряжений, зависит от амплитуды коэффициента интенсивности напряжений ЛК. Однако величина АК, определенная по полному размаху напряжений, не является действительной, определяющей рост трещины, поскольку трещина не остается открытой на протяжении всего цикла нагружения [20]. Возникновение зоны пластической деформации у вершины трещины при максимальном растягивающем напряжении знакопостоянного цикла ведет к образованию остаточных напряжений сжатия, которые при разгрузке могут закрыть трещину [14]. При знакопеременном цикле напряжений трещина закрывается при действии сжимающих напряжений цикла, однако и в этом случае эффект возникновения зоны пластической деформации у вершины трещины приводит к более раннему ее закрытию. Истинная скорость распространения усталостной трещины зависит от так называемого эффективного размаха коэффициента интенсивности напряжений АКпф, определяемого по части цикла нагружения, в которой трещина находится в открытом состоянии. [c.31] например, усталостная трещина развивается при нагружении с постоянной амплитудой Асть то ей соответствует определенный уровень напряжения открытия трещины A ti [18]. Эффективную амплитуду коэффициента интенсивности напряжений можно определить в этом случае в диапазоне Ао . .. Аа . При увеличении уровня напряжений до Аог в первых циклах скорость роста трещины будет весьма высокой, так как трещина остается открытой при значительно большей амплитуде напряжений и, следовательно, большей эффективной амплитуде коэффициента интенсивности напряжений. Затем с ростом числа циклов нагружения на уровне Асгг установится новый уровень напряжений открытия трещины Аа , соответствующий новой амплитуде нагружения. При уменьшении уровня нагружений наблюдается обратное явление — замедленное развитие трещины на первых циклах нагружения на новом, более низком уровне. [c.31] Вернуться к основной статье