Механические свойства металлов

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

скачать книгу Механические свойства металлов

По мере уменьшения максимального напряжения цикла долговечность всех материалов возрастает. При этом у сталей и некоторых цветных сплавов, склонных к динамическому деформационному старению, кривая усталости асимптотически приближается к прямой, параллельной оси абсцисс (см. рис. 176,а,кривая 1).
...
Многие цветные металлы и сплавы не имеют горизонтального участка на кривых усталости (см. рис, 176, а, б, кривые 2).
...
ных, поэтому особенно важна их правильная статистическая обработка. При ограниченном числе образцов предел выносливости определяется с 50%-ной вероятностью. Для этого, строя кривую усталости, необходимо при напряжениях, .равных 0,95 — 1,05 о-я, провести испытание нескольких (ие менее трех) образцов, половина которых должна остаться неразрушенной по достижении заданной базы испытаний.
...
Для оценки среднего значения предела выносливости и его среднего квадратичного отклонения строят кривые распределения предела выносливости. Для этого партию испытываемых образцов делят на шесть-семь групп. По результатам испытаний 8—15 образцов первой группы по обычной методике строят кривую усталости и оценивают or
...
Данные испытаний образцов при каждом уровне напряжений подвергают первичной статистической обработке последовательно определяя /, Р, Ni
...
— lg Л/- (функция распределения) будет прямой. На рис. 177, /// показано несколько таких зависимостей для разных уровней напряжений.
...
Для определенной вероятности разрушения находят напряжения и отвечающие им долговечности (при Р = 50% точки А—
...
Рис. 177. Пример вероятностной диаграммы усталости
...
где од.—значение, предела выносливости в середине интервала; ДР* — прирост вероятности разрушения внутри одного интервала.
...
Кроме того, графики функции распределения предела выносливости (см. рис. 177,//) используют для определения Off
...
Рассмотренные методики определения характеристик выносливости относятся к испытаниям на многоцикловую
...
Испытания иа малоцикловую усталость могут проводиться на некоторых машинах, предназначенных для многоцикловых испытаний, а также универсальных машинах (например, УМЭ-10Т, рис. 83),
...
В условиях эксплуатации конструкции обычно должны выдерживать определенный уровень напряжений, но в ряде важных случаев процесс усталостного разрушения определяется амплитудой дефор
...
мации при циклическом на-гружении. Нагружение с заданной амплитудой деформации называют жестким,
...
Характеристики выносливости в большинстве случаев снижаются при наличии концентраторов напряжений. Для количественной оценки чувствительности предела выносливости к концентраторам напряжений определяют коэффициент чувствительности q:
...
Все большее развитие в последние годы получают усталостные испытания, базирующиеся на концепциях механики разрушения. Эти испытания получили название испытаний на циклическую
...
Рис. 180. Зависимость коэффициента чувствительности к концентраторам напряжений
...
S-образная диаграмма усталостного разрушения может быть описана различными уравнениями, например, по С. Я. Яреме и С. И. Мнкитишину
...
10—40-кратном увеличении при помощи катетометра или передвижного микроскопа и метод разности электрических потенциалов.
...
В результате испытаний по диаграмме усталостного разрушения определяют несколько характеристик циклической трещиностойкости. Наиболее важными из них считают: коэффициенты С
...
Расчет коэффициентов интенсивности напряжений ведут по формулам, вид которых зависит от используемой схемы нагружения. При циклическом растяжении — сжатии
...
Последнее время большое внимание уделяется третьему участку диаграммы усталостного разрушения. Помимо К*(К\с)у
...
Развитие пластической деформации приводит к деформационному упрочнению, которое особенно существенно при малоцикловой усталости, когда величина действующих напряжений велика1. Наглядной характеристикой деформационного упрочнения может служить ширина петли гистерезиса в координатах напряжение — деформация.
...
В стандартных многоцикловых усталостных испытаниях такие кривые не записывают, но если их построить по результатам динамических измерений напряжений и деформаций, то полученная диаграмма за каждый цикл нагружения будет иметь вид асимметричной петли (рис. 182),
...
Асимметрия связана с проявлением эффекта Баушингера. Если образец в первом полуцикле подвергают сжатию, то при заданных характеристиках цикла первая петля (см. рис. 182) придет из точки А
...
1 Прн малоцикловой усталости уже после первых циклов нагружения пластическая деформация заканчивается образованием трещин.
...
Рис. 182. Петли гистерезиса при циклическом натру жении монокристалла алюминия (Томпсон н др.). Цифры у кривых — номер цикла
...
ния, то величина этой деформации и ширина петли должны уменьшаться из-за возрастающих трудностей перераспределения дислокаций при изменении знака напряжений. Действительно, эксперименты показывают быстрое уменьшение ширины W
...
Материалы, у которых ширина петли гистерезиса при мягком нагружении уменьшается (см. рис. 179, б),
...
Циклическое упрочнение или разупрочнение металлов и сплавов связано с особенностями их пластической деформации, зависящими от исходной структуры. В условиях симметричного растяжения — сжатия гладких образцов связь между амплитудами напряжений о*а и пластической деформации гра
...
Знак упрочнения и усталостная повреждаемость металлических материалов в значительной мере обусловлены особенностями дислокационной структуры, формирующейся в условиях циклической деформации. По мере увеличения числа циклов нагружения растет плотность дислокаций, особенно быстро в поверхностных слоях.
...
Отличительный признак дислокационной структуры металлов после низкотемпературного циклического нагружения — многочисленные пороги и дислокационные петли, появляющиеся уже иа начальных этапах испытания^ Это результат частых пересечений дислокаций и повышенной концентрации точечных дефектов, возникающих при движении дислокаций с порогами под действием переменных напряжений. С увеличением числа циклов образуются скопления петель и дислокаций со ступеньками, дислокационных сплетений, а затем формируются плоские малоугловые границы.
...
По мере роста числа циклов нагружения тонкие линии скольжения на поверхности превращаются в грубые полосы с необычным для статической деформации рельефом. Анализ профиля этих полос показывает наличие в них выступов и впадин. Развитие полос скольжения в условиях действия больших напряжений качественно аналогично наблюдаемому при статической деформации. Они могут быть удалены полировкой поверхности, и долговечность образца повысится. Но многие полосы, образующиеся при испытании с малой амплитудой напряжений, более устойчивы и полировкой уже не удаляются. Впадины в таких устойчивых полосах сначала имеют глубину не более 10 мкм, а по истечении ~25% общего времени испытания — до 30 мкм.
...
Устойчивым полосам скольжения на поверхности соответствует специфическая дислокационная структура в приповерхностных слоях и в объеме образца (детали). В разных металлах эта структура различна. Например, в.меди устойчивые полосы скольжения состоят из вытянутых вдоль полос дислокационных ячеек. В целом на стадии образования устойчивых полос скольжения для металлов ха-
...
Первые видимые трещины чаще всего возникают у впадин устойчивых полос скольжения. Это доказано прямыми микроскопическими наблюдениями.
...
Таким образом, зародышами усталостных трещин являются поверхностные впадины. Механизм образования впадин н выступов можно представить по-разному. Они могут возникнуть при последовательном действии источников, генерирующих дислокации в разных системах.
...
Предложен еще ряд механизмов образования выступов и впадин на поверхности образцов во время усталостных испытаний. По Линчу, например, это связано с наличием в материале тонких слоев, менее прочных, чем окружающие их области. Такие слои могут быть в устойчивых полосах скольжения, или, например, в областях, свободных от выделений вокруг границ зерен в стареющих сплавах. Ни один из механизмов нельзя считать общим или твердо доказанным. Наиболее близкими к действительности считаются те, которые базируются на анализе движения винтовых дислокаций. Это объясняется тем, что полосы скольжения, в которых появляются зародышевые трещины у впадин, формируются в условиях интенсивно развитого поперечного скольжения винтовых дислокаций.
...
Зарождение усталостных трещин возможно и по другим механизмам, не связанным с образованием поверхностных выступов и впадин. Рассматривается, в частности, возможность возникновения трещин в результате слияния вакансий, зарождение трещин у границ ячеек, субзерен, зерен и двойников. В гетерофазных сплавах вероятно образование трещин внутри избыточных фаз или на межфазной поверхности частица — матрица.
...
Рис. 184. Механизм образования впадины на поверхности при движении винтовой дислокации (Мотт)
...
Трещины зарождаются уже на начальных стадиях испытания, по истечении 5—10 % общего времени испытания. Все остальное время приходится на их постепенное развитие. Этот процесс изучен еще недостаточно. На начальных стадиях роста, когда зародышевая трещина имеет субмикроскопические размеры, она может разрастаться за счет притока вакансий, в большом количестве возникающих при циклических нагружениях. Во многих случаях впадины в полосах скольжения достигают такой глубины, при которой их дальнейшее развитие может идти в результате концентрации напряжений у дна впадины (вершины трещины).
...
Вначале зародышевые трещины распространяются вдоль полос скольжения, а затем растут перпендикулярно направлению растягивающих напряжений (нормально поверхности образца). Усталостная трещина развивается скачками. На усталостном изломе в этот период под микроскопом хорошо видны бороздки, отражающие последовательное положение распространяющейся трещины (рис. 185). Каждая из этих усталостных бороздок, часто называемых микрополосами, может образоваться за один цикл нагружения. Но ширина микрополосы не всегда соответствует скачку трещины за цикл. Например, в малоуглеродистой стали с 0,01—0,4 % С эта ширина примерно в 8 раз больше среднего значения СРТУ за цикл.
...
Рис. 185. Усталостные бороздки в структуре излома (М. Н. Георгиев и др.)
...
Различают вязкие и хрупкие усталостные бороздки. В первых наблюдается чередование выступов и впадин, формирующих характерный пилообразный профиль излома. Иногда между вязкими микрополосами видны следы пластической деформации. Хрупкие бороздки чаще всего образуются на фоне речного узора, характерного для разрушения сколом (см. гл. IV). При этом линии речного узора примерно перпендикулярны
...
бороздкам. Помимо «чисто» хрупких и вязких микрополос, в структуре реальных усталостных изломов встречается множество промежуточных по виду бороздок.
...
На начальных стадиях испытания в образце возникает множество трещин, но большинство из них почти не развивается. Это объясняется упрочнением материала в локальных объемах, примыкающих к трещинам, из-за концентрации здесь напряжений. Дальнейшее развитие получают только те трещины, которые достигают достаточно боль-
...
Рис. 186. Модель пластического притупления вершины усталостной трещины (Лэйрд, Смит)
...
столько, что приложенные напряжения оказываются выше разрушающего. Как только такое условие будет достигнуто, произойдет очень быстрое окончательное разрушение — чаще хрупкое, иногда (у очень пластичных материалов) вязкое. В последнем случае время окончательного разрушения тоже ничтожно по сравнению со временем всего испытания.
...
четко различимые зоны (рис. 187). Одна из них гладкая, притертая, с макроследами перемещения усталостной трещины (так называемое усталостное пятно). Вторая зона имеет структуру, типичную для хрупкого или вязкого разрушения при статических испытаниях.
...
Микроструктура усталостного пятна зависит от свойств материала и условий развития трещины, определяемых диаграммой усталостного разрушения (см. рис. 181). Рассмотренная выше специфичная для усталостного разрушения микроструктура с бороздками (см. рис. 185) наблюдается на втором участке диаграммы в диапазоне средних скоростей распространения трещины. Развитию ее на первом участке диаграммы усталостного разрушения, когда СРТУ очень мала, соответствуют обычно гладкие поверхности чистого сдвига, а на участке 3
...
Характеристики выносливости, как и всякие механические свойства, зависят от условий проведения испытания, состава и структуры материала.
...
Выше уже отмечалось, что поведение образцов и их усталостная долговечность в первую очередь определяются максимальным напряжением цикла и его амплитудой аа. Чем они больше, тем быстрее происходит усталостное разрушение.
...
Влияние различных факторов на характеристики выносливости
...
Из диаграммы предельных амплитуд следует, что чем больше среднее напряжение цикла, тем меньшая амплитуда напряжений требуется для разрушения материала при одной базе испытания. Допустимые напряжения от
...
определенной базе испытаний и построена по точкам следующим образом. Допустим, что от
...
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 ускоряет.
...
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
...
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.
...
Рис. 190. Зависимость предела выносливости стали 18Х2Н4ВА с раз** личной исходной структурой от усилия обкатки <М. А. Балтер):
...
ходится в жидкой коррозионной среде, то его выносливость может резко снизиться. Это явление коррозионной усталости
...
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
...
Рис. 190. Зависимость предела выносливости стали 18Х2Н4ВА с раз** личной исходной структурой от усилия обкатки <М. А. Балтер):
...
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
...
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.
...
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~\
...
В условиях высокотемпературной усталости, как и прн ползучести, формируется субзеренная структура, характер распространения трещим 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
...
Разрушение здесь происходит как при циклическом нагружения (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 при термоциклировании уровень возникающих напряжений 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 иих напряжения и деформации, рассчитываются различные характеристики термостойкости, подобные обычным характеристикам выносливости.
...
На рис. 191 показаны принципиальные схемы машин для испытаний на термическую усталость. Образец 1
...
меняются в противоположных направлениях. Напржаег> 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.
...
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 ovt образцов без надреза поставляет 0,4—0,6 ав для сталей, 0,3—0,5 0в
...
циклически разупрочняющихся материалов. Это обусловлено их структурной нестабильностью в условиях циклического нагружения. Пониженная пластичность этих сплавов облегчает развитие усталостных трещин (в изломах видны хрупкие бороздки).
...
Сочетания повышенных прочностных и пластических свойств можно добиться, например, легированием твердого раствора, измельчением зерна и субструктуры, созданием композиционных материалов. В последних развитие устало
...
этом необходима высокая прочность сцепления волокна с матрицей. В противном случае трещина сможет легко развиваться вдоль поверхности со слабым сцеплением.
...
Эмпирически установленные связи a_i и других характеристик выносливости с более просто и быстро определяемыми механическими свойствами широко используются для приблизительной ускоренной оценки усталостных свойств. К сожалению, все эти связи являются частными, применимыми лишь для какой-то узкой группы материалов. Более универсальны методы ускоренного определения характеристик выносливости по некоторым свойствам, от* носительно просто определяемым в результате тоже усталостного испытания. Например, В. Т. Трощенко предложил использовать для этого тесную корреляцию предела выносливости с пределом пропорциональности при циклическом нагружении а£ц, универсальную для различных
...
Рнс, 193. Связь пределов выносливости и пропорциональности при циклическом нагружении (В. Т. Трощенко)
...

Газовая сварка и резка металлов
Специальные стали
Трансформаторы для электродуговой сварки
Механические свойства металлов
Сварочный аппарат своими руками
Сварка на контактных машинах
Краткий справочник технолога-термиста

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Механические свойства металлов