Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 [ 53 ] 54 55 56 57

соотношение растягивающих и сжимающих напряжений. Чем больше растягивающие напряжения, тем ниже выносливость. Наоборот, увеличение средних сжимающих напряжений при неизменном растягивающем смещает кривую усталости в сторону больших напряжений. Эти эффекты объясняют противоположным действием растягивающих и сжимающих напряжений на раскрытие трещины. Дополнительное сжатие тормозит этот процесс, а растяжение у.с-коряет.

Характер изменения напряжения между Отах и Omin мало сказывается на выносливости. Поэтому циклы сложной формы, встречающиеся на практике, пытаются свести к простым, а стандартные усталостные испытания проводят с использованием простейших по геометрии циклов.

Повышение частоты циклов при прочих равных условиях обычно вызывает некоторое увеличение характеристик выносливости, особенно при повышенных температурах.

В области малоцикловой усталости, где металл под вергается заметной пластической деформации, ее амплитуда ера становятся важнейшей характеристикой цикла. При жестком нагружении увеличение долговечности материала с уменьшением ера описывается уравнением

V = (e,,)- (112)

где k - константа при Л<10, связанная с пластичностью материала.

Характеристики цикла напряжений (0,„, Ra , частота нагружения) существенно сказываются на скорости развития усталостной трещины. Особенно сильно влияет коэффициент асимметрии цикла: dl/dN = C[Kmaxf(Ra )]. Это уравнение хорошо соответствует экспериментальным данным при f(/?) -1-0,5 /?-0,5 RK

Влияние состояния поверхности и концентраторов напряжений

Поскольку усталостные трещины образуются в поверхностных слоях образцов и деталей, состояние этих слоев играет важную роль.

Для получения высокого предела выносливости структура поверхностного слоя должна обладать максимально возможным сопротивлением деформации. Это достигается химико-термической обработкой, поверхностным наклепом и т. д. Все эти обработки способствуют не только упрочнению поверлйости, но и созданию там дополнительных сжимающих напряжений, которые, как отмечалось выше, тор-

6.j,tina

Рис. 190. Зависимость предела выносливости стали 18X2H4BA с раз-* личной исходной структурой от усилия обкатки (М. А. Балтер):

/ - сорбит; 2 - троостит; тенсит

мар-

мозят развитие усталостных трещин. На рис. 190 показано, как существенно можно повысить предел выносливости стали поверхностным наклепом.

На усталостные свойства сильно влияет внешняя среда, контактирующая с поверхностью. Установлено, что на воздухе усталостные трещины развиваются быстрее, чем в вакууме. Вероятно, кислород адсорбируется на стенках трещины и уменьшает их поверхностную энергию. Поэтому любые способы изоляции поверхности от воздушной атмосферы увеличивают предел выносливости.

Если материал во время циклического нагружения находится в жидкой коррозионной среде, то его выносливость может резко снизиться. Это явление коррозионной усталости наиболее важно для материа- . лов, работаюших в контакте с

водой, особенно морской. При выборе материала для таких условий работы нужно в первую очередь обращать внимание на его коррозионную стойкость и лишь во вторую- иа выносливость в обычных условиях.

Усталостные трещины часто возникают и а поверхности у различных концентраторов напряжений. Поэтому большое внимание уделяют качеству поверхности образцов при испытаниях. Выше отмечалось, что полировка поверхности, особенно электролитическая, приводит к существенному повышению предела выносливости. Этот эффект наглядно проявляется также, если проводить подполировку в процессе испытания, удаляя возникающие из-за пластической деформации поверхностные неровности.

Наиболее важным концентратором напряжений являются надрезы, всегда имеющиеся на поверхности реальных изделий в виде рисок, царапин, мелких трещин. Чувствительность материала к надрезам при усталостных испытаниях оценивают специальным коэффициентом q по формуле (109). Величина q может меняться от нуля (у материалов, выносливость которых не зависит от наличия надреза заданной геометрии), до единицы, когда Кс =аа.

Чувствительность материала к надрезу при усталостных

испытаниях, как и в условиях статического нагружения, определяется в первую очередь его пластичностью. Чем выше пластичность, тем больше работа пластической деформации даже при наличии концентратора напряжений, меньше скорость распространения трещины и больше предел выносливости. Однако нечувствительными к поверхностному надрезу могут оказаться и хрупкие материалы, содержащие большое число внутренних концентраторов напряжений (например, серый чугун). Поэтому низкое значение коэффициента q следует считать ценным свойством материала только в том случае, если оно сочетается с высоким пределом выносливости.

Влияние масштабного фактора также частично связывают с качеством поверхности. При увеличении размеров образца (детали) растет вероятность наличия на его поверхности опасного концентратора напряжения, который вызовет преждевременное усталостное разрушение.

Влияние температуры испытания. Термическая усталость

Изменение температуры качественно не сказывается на характере кривых усталости. По мере ее повышения наблюдается смещение кривых в сторону более низких напряжений. Если при каких-то температурах испытания сплавов происходят фазовые или структурные изменения, то это приводит к немонотонному изменению характеристик выносливости. Например, вследствие деформационного старения на температурной зависимости о-\ углеродистых сталей может появиться максимум вблизи 600 К, где движение дислокаций сильно затруднено углеродными атмосферами.

В условиях высокотемпературной усталости, как и прн ползучести, формируется субзеренная структура, характер распространения трещии вместо внутризеренного часто становится межзеренным. Трещины зарождаются в стыках между зернами в результате межкристаллитных смещений или на пограничных порах. Последние возникают в месте встречи поверхности границы с полосами скольжения.

В реальных условиях высокотемпературной службы материалов усталостные процессы и ползучесть протекают параллельно. Большое значение имеет усталость в условиях циклического изменения температуры, например в материалах камеры сгорания двигателей, поверхности прокатных валков, котлов, тормозных элементов колес и т. д. Если температура изменяется при постоянном напряжении, то мы имеем дело с так называемой термической уста

лостью. Способность материала сопротивляться разрушению в условиях проявления термической усталости называют термостойкостью. Разрушение здесь происходит как при циклическом нагружении (под действием термических на-, пряжений), так и при ползучести, идущей особенно ак-» тивно вблизи максимальной температуры цикла. В большинстве случаев условия термоциклирования отвечают малоцикловому нагружению, при котором сжатию способствует максимальная температура термического цикла, а растяжению - минимальная. Принципиальным отличием термической усталости от механической является то, что прн термоциклировании уровень возникающих напряжен иий определяется упруго-пластическими свойствами материала.

Практическая важность предотвращения разрушения от термической усталости вызвала необходимость проведения специальных испытаний. Они .могут быть условно разделены на качественные, количественные и натурные. В первых образцы подвергают многократному нагреву и охлаждению до заданной степени остаточной деформации или разрушения. При натурных испытаниях имитируют реальные условия эксплуатации, часто на специальных стендах, где в качестве образцов используют реальные детали или конструкции. В лабораторной практике наиболее широко используются количественные методы испытаний, в которых анализируются температурные поля в образцах, возникающие в них напряжения и деформации, рассчитываются различные характеристики термостойкости, подобные обычным характеристикам выносливости.

На рис. 191 показаны принципиальные схемы машии для испытаний на термическую усталость. Образец I с цилиндрической рабочей частью диаметром 4-12 мм

Рис. 191. Схемы установок для испытаний на термическую усталость (Р. А. Дульнев, П. И. Котов)

Рис. 192. Кривая термической усталости

(сплошной или трубчатый) закрепляют захватами 2 и 5 в раме и периодически нагревают чаще всего прямым пропусканием тока. Рама состоит из набора жестких стоек 6 и обойм 5 и (см. рис. 191, а), либо стоек 5 и массивных траверс 4, 6, соединенных жестко или с помощью упругих связей 7 и 5 (см. рис. 191,6), Амплитуду упруго-пластической деформации варьируют с помощью мембран 7, 8

(см. рис. 191, а) или упругих элементов?, 5 (см. рис. 191,6). Испытания проводят по схемам растяжение - сжатие и кручение. Для выявления роли внутренних напряжений образец не закрепляют в захватах, чтобы он мог свободно деформироваться под действием термических напряжений.

В условиях термоциклиро-вания обычно хорошо выполняется уравнение (112). Методика испытаний поэтому часто предусматривает измерение деформации образцов и фиксацию числа циклов до образования сквозной трещины в стенке трубчатого образца. По данным испытаний строят кривые термической усталости Ig ера-IgA (рис. 192). Такие кривые при постоянной максимальной температуре цикла состоят из трех участков (/-3). На первом в каждом полуцикле происходит кратковременная пластическая деформация, схема цикла близка к симметричной знакопеременной. На втором участке растет асимметричная составляющая деформации от О до Ера/2. На третьем величина среднего напряжения цикла От = гра/2Е, При этом ширина петли гистерезиса на втором и третьем участках определяется деформацией ползучести.

Влияние различных факторов на термостойкость противоречиво, и поэтому проблема ее повышения очень сложна. Термостойкость должны повышать все факторы, уменьшающие величину деформации при термоциклировании, в первую очередь снижение коэффициента термического расширения и увеличение теплопроводности. Но положительное влияние этих теплофизических факторов проявляется только в том случае, если параллельно не будут снижаться механические свойства, особенно характеристики жаропрочности. К сожалению, часто теплофизические и мехаин-ческие свойства при легировании и изменении структуры

меняются в противоположных направлениях. Напржйе1> легирование обычно повышает прочность и жаропрочность но снижает теплопроводность.

Росту термостойкости должно способствовать повышение локальной пластичности материала, необходимое для быстрой и полной релаксации напряжений у концентраторов. Уменьшение количества и остроты всякого рода концентраторов напряжений - конструктивных (отверстия, резьба и т. д.), технологических (царапины, надрезы) и металлургических (грубых включений избыточных фаз, несплошностей и др.) -также эффективный путь повышения термостойкости.

Связь выносливости с другими механическими свойствами

Характеристики выносливости определяются сочетанием прочностных и пластических свойств материала при статическом нагружении. Поэтому те эффекты легирования и структурных изменений, которые способны повысить весь комплекс механических свойств сплавов при растяжении и других статических испытаниях, будут повышать и выносливость.

предел выносливости многих материалов скоррелиро-ван с их пределом прочности на растяжение. Величина gi образцов без надреза поставляет 0,4-0,6 Ов для сталей, 0,3-0,5 0в для -латуней и бронз, 0,25-0,4 Ов для алюминиевых сплавов. Неплохая корреляция в ряде случаев наблюдается между пределом выносливости и твердостью. Например, для углеродистых сталей o-i = 0,128-0,156 НВ, для легированных о 1 = 0,168-0,222 НВ, для алюминиевых сплавов (J-1 0,19 НВ.

Но если принимать меры только для увеличения Ов, твердости и других прочностных характеристик, то это может оказаться недостаточным, для повышения выносливости. Упрочнение будет приводить к затруднению зарождения усталостных трещин. Если при этом существенно снизится пластичность, то распространение уже возникшей трещины будет облегчено. Именно поэтому повышение уровня прочностных свойств дисперсионно-упрочняемых сплавов часто не сопровождается соответствующим повышением выносливости. Например, у высокопрочных алюминиевых сплавов чем выше статическая прочность, те.м меньше коэффициент пропорциональности между ai и ав-

Высокопрочные дисперсионно-упрочняемые сплавы на основе железа, никеля, алюминия относятся к категории