Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение (методы анализа, лабораторные работы и задачи)

Подождите немного. Документ загружается.

сти.

Для стали, особенно легированной в состоянии повышенной

прочности при а

90—120

кгс/мм

, если при этом заметно сни-

жается пластичность, предел выносливости (для гладких образцов)

соответствует

меньшему значению приведенного здесь коэффициента,

а для стали с мартенситной или троостито-мартенситной

структурой

может быть еще ниже. Такое снижение предела выносливости в мень-

шей

степени наблюдается у новых сталей высокой прочности: мартен-

ситно

стареющих (см. табл. 23).

2. Предел выносливости значительно более резко, чем предел

прочности при растяжении, зависит от состояния поверхности об-

разца. Недостаточная чистота поверхности после резания (шерохова-

тость меньше класса 6), наличие участков коррозии или обезуглеро-

женного слоя

могут

резко снизить предел выносливости. В этом же

направлении

влияют различные включения (неметаллические, а

стали и крупные карбиды), газовые пузыри. В поверхностных уча-

стках с такими дефектами при повторно-переменном нагружении уси-

ливается концентрация напряжений и быстрее начинается

усталост-

ный

излом.

По

этим причинам операции,

улучшающие

качество поверхности

(хонингование,

полирование), и методы обработки, повышающие

прочность поверхностного слоя и создающие в нем сжимающие напря-

жения

(цементация, азотирование), увеличивают предел выносли-

вости. Весьма эффективной является также дробеструйная обработка

обкатка роликами стальных деталей, вызывающая наклеп поверх-

ностного слоя.

3. Наличие в детали надрезов и резких переходов по сечению,

вызываемых конструктивными соображениями, значительно

пони-

жает

по тем же причинам предел выносливости материалов, особенно

стали повышенной прочности (при пониженной пластичности).

Более пластичные материалы, например дуралюмин и латунь,

менее чувствительны к надрезам и под действием этих факторов

меньше снижают предел выносливости. Это же относится к серым

чугунам,

в которых пластинчатые включения графита играют роль

внутренних надрезов.

4. Большое влияние на предел выносливости оказывают размеры

детали (образца). Увеличение диаметра образца конструкционной

стали с 7 до 200 мм снижает предел выносливости на

50—60%.

Еще

больше снижается предел выносливости сталей, имеющих избыточ-

ные

карбиды, неравномерность распределения которых возрастает

крупных сечениях.

Предел выносливости определяют на машинах различных кон-

струкций, позволяющих получить повторно-переменные напряжения

при

изгибе, растяжении, сжатии, кручении или

ударе

(главным обра-

зом в условиях симметричного цикла). Выбор условий испытания

зависит от требований, которым должен

удовлетворять

испытуемый

металл в готовой детали. Предел выносливости чаще определяют при

изгибе вращающихся образцов и

реже

при кручении или

ударе.

Зна-

чения

предела выносливости пластичных материалов, найденные в ус-

ловиях изгиба и растяжения, достаточно близки.

151

Схема машины и форма образца для испытаний на изгиб при вра-

щении

приведены на рис. 89.

Предел выносливости при изгибе определяют

на основании испы-

тания

серии образцов (не менее 6 шт.), одинаковых по составу, обра-

ботке, форме и состоянию поверхности. Первый образец испытывают

при

постоянном напряжении, равном для сталей

0,6о

а для легких

сплавов 0,4o

. Для второго и последующего образцов напряжение

каждый раз снижают или повышают на 2 или 4 кгс/мм

в зависимости

от числа циклов, вызывающих разрушение первого образца. Таким

Под

нормальный конус N'2

-£§682

6Г

Рис.

89.

Схема

машины

для

определения

выносливости

при

изгибе

вращающихся

образцов

(а);

форма

размеры

образца

(б)

образом находят то наибольшее напряжение, при котором образец

выдерживает без разрушения заданное число циклов. Разность между

напряжением

для последних

двух

образцов из проверяемой серии

не

должна превышать 2 кгс/мм

Предел выносливости стальных образцов определяют обычно на

базе 5 млн. циклов

. Для сталей, вновь применяемых или назначае-

мых для изготовления деталей, длительность работы которых может

значительно превышать 5 млн. циклов, базу испытаний устанавли-

вают до 10 млн. циклов.

Предел выносливости образцов из легких литейных сплавов

(алюминиевых или магниевых) определяют на базе 20 млн. циклов,

а легких деформируемых сплавов — на базе 10 млн. циклов (или на

иной

базе, задаваемой в зависимости от условий работы детали).

Методика

испытаний для

определения

предела

выносливости

рекомендована

ГОСТ

2860—65.

Это относится

только

к испытаниям при комнатной

температуре.

условиях

высокотемпературных

испытаний на

усталость

число

циклов,

составляющих

базу

испытаний,

значительно

увеличивается.

152

о 7

• г

1 1

10 10

10* /0

10" W

Число

цимод

При

указании предела выносливости отмечают базу испытаний

при

которой проводили испытания.

По

полученным результатам строят кривую в координатах а—N

(рис.

90). Для стали и некоторых

других

металлов эта кривая с уве-

личением числа циклов испытаний асимптотически приближается

горизонтали. Такой ход кривой показывает, что увеличение числа

циклов сверх

—10'

почти не

снижает предела выносливости

стали. Наибольшее напряже-

ние,

соответствующее в этих ус-

ловиях приближению к горизон-

тальной линии, принимают за

предел выносливости.

Однако получаемая экспери-

ментальная кривая непрерывно

снижается для дуралюмина по-

сле естественного старения; ря-

да ДруГИХ ЦВеТНЫХ МеТаЛЛОВ; Рис. 90. Диаграмма a—N для расчета предела

КруПНЫХ СТаЛЬНЫХ обраЗЦОВ выносливости:

(см.

пунктирную линию на ' -

об

азе

pa3

pyS

/ ~

об

азе

не

рис.

90) и образцов, испыты-

ваемых в условиях одновремен-

ного воздействия усталости и коррозии. Для этих условий предел

выносливости определяют лишь для определенного числа циклов

(например,

); такой предел выносливости является условным и его

величина зависит от продолжительности работы детали.

На

величину предела выносливости влияют также условия веде-

ния

испытаний. Перерыв в процессе испытаний или же предвари-

тельная тренировка при нагрузках, меньших предела выносливости,

даже

перегрузка образца, но в определенных пределах, повышают

предел выносливости.

ДИНАМИЧЕСКИЕ

ИСПЫТАНИЯ

Эти испытания применяют для металлов с решеткой объемноцен-

трированного куба и, следовательно, для сталей (главным образом

пластичных конструкционных), для цинка и его сплавов, а также

для некоторых полимерных материалов. Динамические испытания

ценны

тем, что материалы, не проявляющие хрупкости в испытаниях

при

растяжении, как относительно мягком способе нагружения, ста-

новятся хрупкими под действием ряда факторов, которые

могут

воз-

никать в эксплуатации: большой скорости деформирования, т. е. при

ударных нагрузках, при наличии надрезов или трещин, двухосного

трехосного напряженного состояния, понижении температуры и т. д.

В условиях симметричного цикла нагружения предел выносливости обозна-

чается а.

при асимметричном цикле сгг (г — коэффициент асимметрии цикла — отно-

шение наименьшего напряжения цикла к наибольшему с

учетом

алгебраического

знака),

при знакопеременном цикле нагружения — обозначение о^

при знакопо-

стоянном а>

, при отнулевом цикле а

и при отнулевом цикле сжатия Ооо.

153

Склонность

стали

хрупкому разрушению возрастает, если

она

имеет повышенное содержание фосфора, крупное зерно, распределе-

ние

карбидов

по

границам зерен, полосчатость

(в

последнем

случае

хрупкость возрастает

определенных направлениях,

см. гл. II).

Динамические испытания получают применение

и для

сталей

в со-

стоянии

высокой твердости,

частности инструментальных.

Эти испытания излишни

для

сталей

сплавов

аустенитной

структурой, дуралюминов, однофазных латуней

бронз; такие

сплавы трудно перевести

хрупкое состояние.

30°

//ом

маятника

2,510,5)

5510,2

RttQJ

о?"

Ь0±0,5

ЮЩ1\

Определения

ударной

вязкости

Ударной

вязкостью

для

пластичных

и а

б н

для

более хрупких

материалов, определяемой

рассматриваемых здесь испытаниях,

на-

зывается отношение работы ударного разрушения (путем изгиба)

образца

площади

его

поперечного сечения

месте надреза

(кгс-м/см

На

рис. 91

показан образец основного типа. Размеры образца,

форма

надреза

способ обработки места надреза оказывают большое

влияние

на

результаты испы-

таний.

Надрезы надо выпол-

нять

абразивным камнем,

мягких металлах

— фа-

сонной

фрезой

дополнитель-

ным

шлифованием

или

довод-

кой

дна

надреза.

Результаты испытаний

за-

висят также

от

направления

волокон

металла; поэтому

технических условиях опре-

деляют место вырезки образ-

ца

и его

положение

по

отношению

направлению деформации

при

прокатке, ковке

или

штамповке,

частности вдоль прокатки

(продольные образцы), поперек прокатки (поперечные образцы)

или

радиальном направлении. Кроме того, например,

при

вырезке

об-

разцов

из

металла сортовых профилей (круглых, квадратных

и т. п.)

ось надреза

поперечных образцов может быть параллельна направ-

лению полосчатости металла,

а при

вырезке образцов

из

листов

и по-

лос надрез должен быть перпендикулярен

поверхности проката.

Ё процессе изготовления образцов надо избегать наклепа

нагрева,

при их

термической обработке

—

окисления

обезуглероживания.

Если

последние нельзя полностью устранить

при

нагреве,

то

образец

надо шлифовать после термической обработки. Рекомендуется прово-

дить надрез после термической обработки.

Определение ударной вязкости выполняют

на

копрах

(рис. 92).

Разрушение выполняют маятником, свободно качающимся

опорах

имеющим

нож

определенной формы

размеров.

Рис.

91.

Форма

размеры образца

для

испыта-

ний

на

ударную вязкость

— образец с надрезом; а

— образец без надреза.

154

Образец устанавливают на нижних опорах копра симметрично

относительно опор и так, чтобы надрез был обращен в сторону,

противоположную направлению

удара.

Вначале маятник поднимают в верхнее положение и закрепляют

с помощью защелки. В этом положении маятник обладает потенциаль-

ной

энергией Ph

, где Р — вес маятника; h

— высота подъема. Затем

маятник

опускают. При падении он разрушает образец и поднимается

fiecmo

надреза

Удар

яаятнипа

Рис. 92. Схема маятникового копра

(а);

положение образца при испыта-

нии

(б):

/ — маятник; 2 — образец; 3 —

шкала; 4 — стрела; 5 — тормоз

на

некоторую высоту h.

, обладая энергией Ph

, меньшей чем Ph

Разность

между

и Ph

определяет работу, затраченную на разру-

шение образца.

Стрелка 4, установленная на станине копра, захватывается маят-

ником

и указывает на шкале 3

угол

подъема маятника после разру-

шения

образца. Работа разрушения Л

определяется по формуле

= PI (cos Р — cos a),

где / — расстояние от оси маятника до его центра тяжести;

аир —

углы

подъема соответственно до и после разрушения.

Угол

а принимают постоянным, переводя стрелку перед началом

испытания в положение, соответствующее 0° на шкале.

Весь расчет работы разрушения можно не проводить, так как

копры

снабжают таблицей, в которой против каждой величины

угла

указаны соответствующие значения А

Чем меньше работа разрушения Л

, тем более точным должно быть

измерение; поэтому для образцов, показывающих небольшую работу

разрушения, надо применять менее мощный копер. Удобными для

испытания являются маятниковые копры, в которых можно изменять

высоту подъема маятника и тем самым изменять энергию

удара.

155

Зная

работу разрушения А

, можно определить величину ударной

вязкости:

= AJF кгс-м/см

где F — площадь поперечного сечения образца в месте надреза, см

В приведенной формуле работа разрушения А

отнесена к пло-

щади поперечного сечения образца в месте надреза. Между тем

удар

маятника

воспринимается не площадью сечения образца, а опреде-

ленным

объемом вокруг места надреза, в котором происходит дефор-

мация.

Чем больше этот деформируемый объем, тем выше способ-

ность металла рассредоточить деформацию и больше величина удар-

ной

вязкости.

Ударная вязкость снижается при повышении прочностных свойств

(если одновременно

ухудшается

пластичность). Однако для инже-

нерных решений надо учитывать

следующую

важную особенность

изменений

вязкости. В сопротивлении ударному разрушению

участ-

вует,

хотя и неодинаково, определенный объем материала по всему

поперечному сечению образца (детали). Между тем при кручении или

изгибе при однократном или циклическом нагружении максимальные

напряжения

создаются только в наружном слое, и серединные слои

остаются почти не нагруженными. Поэтому упрочнение, создаваемое

поверхностной обработкой, индукционным нагревом, холодной дефор-

мацией

и в меньшей степени химико-термической обработкой, почти

не

снижает вязкости (кроме деталей небольшого сечения).

Более правильным было бы отнести работу разрушения к единице

деформированного объема. Однако экспериментальное определение

этого объема очень сложно. Поэтому для вычисления ударной вяз-

кости

применяют более простой, но условный прием, произведя деле-

ние

работы разрушения Л

на площадь поперечного сечения в месте

разрушения. Можно также ограничиваться определением работы

разрушения стандартного образца, не относя ее к площади попереч-

ного сечения.

Работа разрушения малопластичных металлов (в частности,

сталей с твердостью более HRC 55), определяемая на образцах с над-

резом, по абсолютной величине незначительна и может не превышать

рассеивания

результатов, получаемого в испытаниях серии образцов

пластичной стали, одинаковых по составу и обработке. Поэтому для

более хрупких металлов применяют образцы без надреза.

Ударная вязкость при динамических испытаниях изменяется при

понижении

температуры (в условиях, когда вязкое разрушение

становится хрупким) значительнее, чем свойства, определяемые в ста-

тических испытаниях. Поэтому испытания на

ударную

вязкость

используют для определения хладноломкости, т. е. перехода стали

из

вязкого в хрупкое состояние при пониженных температурах

(рис.

93).

При

понижении температуры сначала наблюдается постепенное

снижение

ударной вязкости; при определенной температуре она дости-

гает

наиболее низкого значения, которое при еще большем понижении

156

Хрупкое

состояние /

/Пере-\

Вязкое

уходпый

состояние

Jurtmep-

1 бал

Интер-

вал

синелоп-

носгли

температуры уже не изменяется. Температуры t

и t

(см. рис. 93)

называют соответственно верхней и нижней температурами хруп-

кости

или порогами хладноломкости.

Переход в хрупкое состояние сопровождается изменением харак-

тера разрушения, а следовательно, и вида излома. У конструкцион-

ных сталей в отожженном и улучшенном состоянии в изломе при

верхней температуре (t^ наблюдается визуально (см. гл. II) ^90%

вязкой

составляющей (волокнистый излом), а при низкой температуре

~90% хрупкой составляющей (кристаллический излом). Этот при-

знак

рекомендуется (по А. П. Гуляеву) для более точного определе-

ния

температур t

и Л

. Он, однако, неприменим для конструкцион-

ных сталей с повышенной твер-

достью (более HRC

45—50)

для сталей, содержащих больше

0,6% С; в таких сталях зоны

вязкой

и хрупкой составляю-

щих в изломе плохо различимы,

так

как они располагаются сов-

местно в пределах одного или

нескольких зерен.

Теплеращра испытания

Верхняя температура хруп-

кпгти

v птлрлкныу

гтяттрй

МП-

Рис

Схематическая

диаграмма

испытания

КОНИ

О1ДелЬНЫХ

СМЛеи MU

ударной

вязкости в зависимости от

температу-

жет находиться выше 0 С. По- ры испытания

этому испытания выполняют от

+50

(и даже+100° С для некоторых легированных высокоуглероди-

стых сталей) до

—60°

С, если металлы должны быть использованы в ус-

ловиях атмосферных колебаний температур. Испытания образцов

этом случае

ведут

при разных температурах с интервалом 20—

25° С. По достижении заданной температуры при нагреве или охлаж-

дении

образцы немедленно разрушают. С этой целью у копра

уста-

навливают термостат и охлаждающее устройство (проще всего сосуд

со смесью спирта или бензин с твердой углекислотой). Продолжитель-

ность переноса и испытания образца не должна превышать 10—15 с.

Вязкость металла в рассмотренных динамических испытаниях

ограничивается определением величины общей работы ударного

разрушения, т. е. сопротивления образованию и развитию трещины.

Между тем работа разрушения определяется работой, затрачиваемой

на

зарождение трещины (Л

) и ее распространение (Л

). Для более

полной

и надежной характеристики поведения металла в условиях

динамического нагружения во многих случаях надо знать эти отдель-

ные

составляющие общей работы разрушения.

5. ИСПЫТАНИЯ НА ВЯЗКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ

Материалы, особенно высокопрочные, не проявляющие хрупкости

при

относительно мягких условиях нагружения, становятся хруп-

кими

при действии ряда факторов: наличии трещин или надрезов,

двух-

или трехосного напряженного состояния, понижении темпера-

туры и т. д.

157

Величины ударной вязкости (а

) и удельной работы распростра-

нения

трещины при ударном изгибе образца с трещиной (о,.

) * не

характеризуют в достаточной мере склонность конструкционных ма-

териалов к хрупкому разрушению. Это связано с тем, что, во-первых,

и а

Г]

у являются характеристиками сопротивления разрушению

конкретного

образца при заданных условиях нагружения в лаборатор-

ных условиях. Во-вторых, ударная вязкость (а

) является интеграль-

ной

характеристикой, учитывающей энергию зарождения и энергию

распространения

трещины, в то время как в реальном металле всегда

имеются готовые трещины, для зарождения которых не требуется

энергии.

В-третьих,

и а

т у

могут

быть использованы только в каче-

стве отборочных, но не служебных характеристик, гарантирующих

безопасность от разрушения.

Более полную характеристику вязкости металлов

дают

испытания на вязкость

разрушения. В этих испытаниях строят диаграммы разрушения, показывающие за-

висимость прироста длины трещины от приложенного напряжения (или числа цик-

лов нагружения), что позволяет вычислять вязкость разрушения. Она характери-

зуется величиной коэффициента интенсивности напряжений К (кгс/мм

) в вер-

шине

трещины или силой G (кгс/мм, кгс-м/см

), необходимой для продвижения

трещины на единицу длины. К и G связаны

между

собой соотношениями: G = К

/Е

для плоского напряженного состояния, когда напряжение по толщине образца равно

нулю и разрушение происходит посредством сдвига. При этом плоскость излома

составляет с плоскостью образца

угол,

близкий к 45°, или G = К

(1 — (х)

/£ для

условий плоской деформации, где ц — коэффициент Пуассона. В этом

случае

плос-

кость излома перпендикулярна поверхности образца, деформация по толщине равна

нулю и разрушение происходит путем отрыва.

При

нагружении образца с трещиной в ее вершине создается местное повышение

растягивающих напряжений (рис. 94):

"ИЬ^Нг

(

+ sin

~5Г~

sin

)•

На

оси X — 0=0 и, следовательно, а

К/\/~2лг.

Отсюда видно, что поле растягивающих напряжений в вершине трещины опре-

деляется только величиной К, называемой коэффициентом интенсивности повышения

растягивающих напряжений в вершине трещины или просто коэффициентом интен-

сивности напряжений. Эта величина не зависит от г и 0 и является некоторой

конс-

тантой материала, определяемой из опыта для образца данного типа.

К = оУ~я1 для образца бесконечных размеров (/ — полудлина трещины) и К =

OVJI/,I/

ДЛЯ

образца конечной ширины; величина у — поправка на конечную ши-

рину образца (или К — тарировка) и выводится из анализа напряжений для каждого

типа образца.

Самопроизвольное разрушение наступает как только в

результате

медленного

роста трещины величина К достигнет некоторой критической величины, определяе-

мой

в свою очередь критическим значением длины трещины (1

) и напряжения на

образце.

Критическая

величина К для условий плоского напряженного состояния обо-

значается К

, а для условий плоской деформации К

1с

* Величина а

характеризует работу распространения трещины. Она опреде-

ляется на образце размером 10Х

10X55

мм с V-образным надрезом глубиной 1,5 мм,

от дна которого идет специально нанесенная усталостная трещина (частота нагруже-

нии

обычно

300—400

циклов/мин) глубиной 1—2 мм. Величина а

= A/F, где А —

работа разрушения, кгс-м; F — поперечное сечение (нетто), см

, в месте надреза и тре-

щины.

158

Для испытаний применяют образцы с центральной трещиной (рис. 95). От

отвер»

стия,

просверленного в центре образца,

делают

надрез, в обе стороны от которого

затем создают усталостные трещины. Для получения достоверных значений вязкости

разрушения необходимо, чтобы протяженность пластической зоны в вершине созда-

ваемой усталостной трещины была меньше возникающей при последующем разрыве

(при

определении К

1с

) и чтобы путь, проходимый трещиной до перехода в закрити-

ческую стадию (при определении К

), был меньше. Это достигается подбором вели-

чины

максимального растягивающего напряжения цикла, которая не должна пре-

ттттттгт

Рис. 94. Распределение напряжений в вер-

шине

трещины в бесконечной пластине под

действием растягивающих напряжений

Рис. 95. Образец с центральной трещиной

для испытания на вязкость разрушения

при

растяжении

вышать 0,5а и быть такой, чтобы нанесение трещины длиной 0,3W (где W — ширина

образца) происходило за 20

000—30

000 циклов нагружения.

Образец с усталостной трещиной растягивают при пропускании тока большой

силы.

При приложении нагрузки начинается рост трещины, вследствие чего увели-

чивается разность потенциалов

между

ее краями.

Для записи роста трещины в зависимости от нагрузки измеряют разность элек-

трических потенциалов и смещение (раскрытие трещины)

между

двумя точками,

расположенными на оси образца по разные стороны от надреза. Разность потенциа-

лов на обе стороны от развивающейся трещины увеличивается (при условии неизмен-

ности силы тока). Схема установки показана на рис. 96. К образцу в точках А и Б

от выпрямителя подводится ток 40 А.

Возникающий сигнал подается через фотоусилитель 0 116/2 на двухкоорди-

натный

самописец ПДС-021; на его второй

вход

через тензометрический усилитель

подается сигнал с месдозы, служащей для измерения нагрузки на образце.

Запись

расшифровывается с помощью тарировочной кривой длина трещины —

величина сигнала (АЕ); она приведена на рис. 97 для расшифровки записей образцов,

размеры которых пропорциональны размерам образца, указанного на рис. 95. По оси

ординат отложена разность потенциалов

между

точками Л и О в процентах от напря-

жения

на образце.

При

этом методе записи длины трещины образец должен быть электрически изо-

лирован от испытательной машины, являющейся по отношению к нему

«землей».

Токоподводящие контакты располагаются на достаточном расстоянии от поверхности

трещины,

чтобы малые изменения в их расположении не повлияли на результаты из-

мерений.

Их помещают ближе к вершине трещины для обеспечения большей чувстви-

тельности к начальному моменту ее развития.

159

-220

Струбцины

Рис. 96. Схема установки для записи диаграммы разность потенциалов — нагрузка: Cm —

стабилизатор напряжения; В — вариатор; Тр — трансформатор; R

— постоянное сопротив-

ление (0,5 Ом); Н

— постоянное сопротивление (500 Ом);

Д242Л

— диоды, вольтметр (до

100 В); А — амперметр (до 40 A); mV — милливольтметр (до 20 мВ)

5д

1 1 1

•

—

Рис. 97. Тарировочная кри-

вая для пересчета разности

потенциалов в длину трещи-

ны

(для образца со сквоз-

ной

трещиной)

О 0,2 О,Ь 0,6 О,в 1.0

Относительная

длина

трещины

21/IV

160