Амплитуде напряжения

Таким образом, разрушения при циклических нагрузках отличаются от статических изломов лишь наличием гладкой с матовым блеском поверхности усталостного излома. Строение собственно усталостного излома зависит от большого количества факторов, в частности, от амплитуды циклов, паузы между ними и др. При нагружении с разными амплитудами напряжений и пауз между ними в усталостном изломе отмечаются усталостные линии, кон-центрично расходящиеся от очага разрушения как от центра. По соотношению зоны усталостного и статического излома можно судить о величине максимального напряжения цикла. Чем больше площадь статического долома, тем выше нагрузка. Шероховатость этой зоны также зависит от амплитуды напряжений. Меньшему значению амплитуды напряжений соответствует более гладкая поверхность усталостного излома. Усталостные линии представляют макроскопические признаки усталостного излома, связанные с замедлением скорости или задержкой распространения трещины. Они соответствуют амплитудам на-пряЬкений, не приводящим к увеличению длины трещины после действия более высоких амплитуд. Отсутствие усталостных линий свидетельствуют об устойчивом распространении трещин при неизменной амплитуде напряжений. Различие расстояний между усталостными линиями

го излома можно судить о величине максимального напряжения цикла. Чем больше площадь статического долома, тем выше нагрузка. Шероховатость этой зоны также зависит от амплитуды напряжений. Меньшему значению амплитуды напряжений соответствует более гладкая поверхность усталостного излома. Усталостные линии представляют макроскопические признаки усталостного излома, связанные с замедлением скорости или задержкой распространения трещины. Они соответствуют амплитудам напряжений, не приводящим к увеличению длины трещины после действия более высоких амплитуд. Отсутствие усталостных линий свидетельствует об устойчивом распространении трещины при неизменной амплитуде напряжений. Различие расстояния между усталостными линиями свидетельствует об изменяющемся характере приложенных напряжений циклов. С увеличением длины трещины скорость ее распространения возрастает, в результате чего увеличивается шероховатость поверхности излома. В области статического долома разрушения носят сдвиговой характер. Макрофрактографические особенности изломов малоцикловой усталости заключаются в строении собственно усталостных изломов. При относительно малом числе циклов нагружения (до тысячи) изломы при малоцикловой усталости близки к таковым при статическом растяжении. Разрушение сопровождается заметной макроскопичской деформацией (сужением). По мере увеличения числа циклов нагружения характер разрушения изменяется от вязкого к хрупкому разрушению. Поверхность собственно усталостного излома более шероховатая и составляет значительно меньшую долю в изломе, чем зона статического долома.

2. При постоянной амплитуде напряжений (мягкое нагружение) - переменной величиной испытаний является размах напряжений.

Подавляющее большинство конструктивных элементов аппарата работают в условиях мягкого цикла нагружения, т.е. при постоянной амплитуде напряжений. Однако для расчета элементов конструкции на долговечность широко применяют зависимости, полученные для жестких условий нагружения при постоянной амплитуде деформаций. В зонах концентрации напряжений возникают условия жесткого нагружения даже тогда, когда номинальные напряжения вне

Рис. 66. Кривые циклической ползучести е сплава АТ2 при различных числе циклов /VD, температуре и амплитуде напряжений %,ах:

ходит скачкообразное смещение потенциала в область отрицательных значений. При этом у вершины надреза, где прошли пластические деформации, компромиссный потенциал может достигать величины, достаточной для активного растворения анодных участков. Изложенные теоретические представления и экспериментальные данные подтверждают существование и при малоцикловом нагружении коррозионных пар Эванса. На рис. 72 показано влияние коррозионной среды на малоцикловую усталость стали и титановых сплавов. Если степень этого влияния на циклическую долговечность стали и ряда других конструкционных материалов увеличивается со снижением уровня амплитуды напряжений (с возрастанием длительности пребывания в среде), то для титановых сплавов наблюдается обратная картина: чем ниже амплитуда напряжений, тем меньше влияет среда. При снижении амплитуды напряжений до уровня, при котором в вершине надреза локальные деформации не превышают 2ет (ет — суммарная деформация, возникающая при напряжении, равном пределу текучести), нарушений защитной оксидной пленки не наблюдается, и долговечность в коррозионной среде приближается к долговечности на воздухе независимо от длительности пребывания сплавов в агрессивных растворах. Таким образом, процесс коррозионных разрушений титановых сплавов при малоцикловом нагружении, как и при статическом нагружении, определяется конкуренцией реакции анодного растворения с процессами репассивации. Если репассивация опережает процесс анодного растворения, возрастание длительности пребывания при максимальной нагрузке в ходе циклического нагруже-ния не приводит к изменению чувствительности к агрессивной среде. Последнее установлено А. В. Гурьевым и В. И. Водопьяновым совместно с .авторами. Были проведены исследования надрезанных образцов сплава ВТ5-1 в 3 %-ном растворе NaCI (R = 0) с изменением выдержки при максимальной нагрузке от 0,05 до 1800 с. Результаты испытаний показали, что при амплитуде напряжений до 0,4стт влияние коррозионной среды вообще отсутствовало. Возрастание амплитуды напряжений при

всех выдержках привело к повышению чувствительности к коррозионной среде, оцениваемой по изменению относительной долговечности /V /Л/воз. При амплитуде напряжений 0,5ат эта отношение составило '0.8-ОД а при 1,0ат снизилось до 0,25 при всех выдержках. Таким образом, установлено, что для выявления степени чувствительности сплава к коррозионной среде при циклических испытаниях надрезанных образцов одним из главных факторов является уровень амплитуды напряжений. Учитывая характерный для циклических испытаний разброс экспериментальных данных, наиболее целесообразным оказалось проведение исследований при амплитуде напряжений 0,7-0,8ат с частотой, приблизительно равной 0,02 цикл/с.

Авторы совместно с М.Б.Бодуновой и В.А.Жуковым нашли, что между долговечностью титановых сплавов в коррозионной среде и вязкостью разрушения наблюдается линейная зависимость при амплитуде напряжений 0,7ат (Я = 0) (рис. 73). Возрастание амплитуды напряжений в диапазоне (0,7-1,0) ат приводит лишь к изменению угла наклона кривой.

Указанные данные были получены при одних и тех же относительных амплитудах напряжений 0,7ат. Однако изменение состава сплава за счет легирующих элементов, а также за счет примесей неизбежно влечет повышение (как правило, в пределах одного фазового состава) его предела текучести. При равной относительной амплитуде напряжений в долях от предела текучести абсолютный уровень максимальных напряжений в цикле изменялся пропорционально фактическому пределу текучести. Таким образом, на изменение долговечности сплавов влияли два фактора: изменение химического состава и изменение уровня напряжений. Так как при проведении циклических испытаний (Я = 0) надрезанных образцов с ат = 4,8 в вершине надреза реализовывался симметричный жесткий режим нагружения, а уровень деформаций там был пропорционален амплитуде напряжений а (при постоянном отношении а/ат = 0,7), уравнения Коффина можно записать для данного частного случая в виде: oNm = Cj. На рис. 78 показана зависимость малоцикловой долговечности сплавов надрезанных образцов в отожженном состоянии (ПТ-ЗВ с 2,5 % AI, ПТ-ЗВ, ПТ-7М, ВТ5-1, ВТ6С) при амплитуде напряжений 0,7ат (/?=0) и надрезе с скт = 4,8 от предела текучести а0>2. Как

среде вследствие особенностей их легирования являются испытания 0-сплава типа ВТ15, проведенные авторами совместно с М.Б. Бодуно-вой и В.Ф.Лукьяновым. Был испытан /3-сплав системы Ti-AI-Mo-V-Сг, имевший при а02>834 МПа относительное удлинение 5>20 %, ф>60 % и KCU>2350 кДж/м2. Структура сплава состояла из однородных полигональных зерен /3-фазы. При проведении малоцикловых испытаний в 3 %-ном растворе NaCI сплав разрушился через 10-50 циклов при амплитуде напряжений 0,2-0,5сгт. Разрушение имело хрупкий транскристаллитный излом, характерный для коррозионного растрескивания. При этом хрупкие разрушения наблюдались даже при испытании образцов без концентраторов напряжений. Причиной появления хрупких разрушений являлись предвыделения TiCr2, значительное количество которых (в сплаве было 11 % Сг) приводило к настолько сильному возрастанию анодного тока, что процессы репассивации не успевали протекать даже при резком снижении уровня номинальных напряжений. Удаление хрома из сплава и замена его эквивалентным количеством ванадия (0-сплав Ti-AI-IVfo-25 % V) сделали металл полностью нечувствительным к коррозионной среде при амплитудах напряжений до 1,3ат.

Для получения достоверных сведений по усталостной прочности титановых сплавов конкретной структуры необходима количественная оценка разброса результатов циклических испытаний. При этом предел выносливости определяют с заданной вероятностью неразрушения, т.е. оценивают его надежность/Уже первые статистические обработки результатов усталостных испытаний титановых сплавов показали высокие значения коэффициента вариации условного предела выносливости [96— 98]. Учитывая большой разброс, наиболее правильно для анализа усталостных свойств титановых сплавов применять методы математической статистики и теории вероятности. Для этого строят полные вероятностные диаграммы, например по системе, предложенной Институтом машиностроения АН СССР [ 99, 100]. Эта система основана ра разделении процесса усталостного разрушения на две стадии: до появления макротрещины и развитие трещины до разделения образца на части. При анализе предела выносливости гладких образцов это разделение не имеет принципиального значения, так как долговечность до появления трещины Nt и общая долговечность до разрушение.образца Л/р близки. Часто для построения полных вероятностных диаграмм усталости за основу берут наиболее простой метод, предложенный В. Вейбуллом [101; 102, с. 58— 64]. Для построения полной вероятностной кривой необходимо испытать достаточно большие партии образцов (30—70 шт.) на нескольких уровнях амплитуды напряжений, которые должны быть выше предела выносливости (см., например, рис. 92). На каждом из этих уровней по гистограмме определяют вероятность разрушения при данной амплитуде напряжений. Далее строят кривую Веллера по средним значениям долговечности. По гистограммам строят кривые равной вероятности в тех же координатах (аа — Ig/V). Затем строят семейство кривых, определяющих не только зависимость долговечности от амплитуды-напряжений, но и вероятности разрушения от заданных амплитуды напряжений и долговечности. Далее, принимая математическую форму распределения вероятности, на данном уровне напряжений можно строить кривые зависимости либо от амплитуды напряжений при заданной базе испытаний /V,

сталяют при помощи накладных преобразователей с ортогональными катушками (см. рисунок 3.3.4, г). Возбуждающую катушку обычно располагают параллельно плоскости контролируемого объекта 3, а измерительную - перпендикулярно. По амплитуде напряжения измерительной катушки определяют перекос, а по фазе - его направление.

Для материалов, которые ни при какой амплитуде напряжения не дают горизонтального участка кривой в течение достаточно большого числа циклов пагружения, однозначное определение кривой циклическое напряжение - деформация значительно сложнее. Есть предложение в этом случае положить в основу оценки свойств материала величину циклической пластической деформации, которая измеряется при половине числа циклов нагружения до разрушения (рис. 15, б). Однако такой подход не корректен. Если по этому ТЕРЕНТЬЕВ В.Ф. ЦИКЛИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

ствляют при помощи накладных преобразователей с ортогональными катушками (см. рисунок 3.3.4, г). Возбуждающую катушку обычно располагают параллельно плоскости контролируемого объекта 3, а измерительную - перпендикулярно. По амплитуде напряжения измерительной катушки определяют перекос, а по фазе - его направление.

Рис. 50. Кривые относительной долговечности л/Л/ сплавов при различной амплитуде напряжения А а/2:

В случае обычной усталости разброс усталостной прочности при постоянной долговечности (или, точнее говоря, разброс усталостной долговечности при постоянной амплитуде напряжения) является чаще всего результатом наличия внутренних неоднород-ностей и вызывающих концентрацию напряжения или деформации неровностей, таких, как малые царапины, канавки от машинной обработки и т. д. С феноменологической точки зрения влияние этих неровностей на усталостную прочность часто можно описать, вводя механически эквивалентную совокупность плотностей поверхностных дефектов в том же смысле, как для хрупкого разрушения недеформируемых пластически материалов. В тех случаях, когда такое представление справедливо, можно получить аналогичное соотношение между усталостной прочностью прототипа и проч-ностями модельных лабораторных образцов.

Аналитические зависимости (29) — (32) декремента внутреннего трения от времени (числа циклов) нагружения были сопоставлены с экспериментальными результатами работ [10, 17]. В работе [17] приведено исследование изменения декремента внутреннего трения в стали, содержащей 0,22% С, подвергнутой циклическому нагру-жению изгибом с частотой 3100 цикл/мин при амплитуде напряжения 24 кгс/мм2. Через различные промежутки времени нагружение прерывалось и проводилось измерение декремента внутреннего трения в килогерцевой области частот методом затухания собственных колебаний.

Рис. 1. Зависимость декремента внутреннего трения в стали, содержащей 0,22% С, от числа циклов нагружения изгибом при амплитуде напряжения 24 кгс/мм2 [17J

Даже хорошо отожженные металлы содержат большую плотность дислокаций, оцениваемую приблизительно 106—108 см~2. При пластических деформациях металлов плотность дислокаций значительно возрастает и может достигать 10"—1012 см~2 и выше. Однако плотность дислокаций увеличивается не только при пластических деформациях статического нагружения. Большинство экспериментальных работ, посвященных исследованию дислокационной структуры при усталости и ультразвуковых колебаниях, показывает, что, несмотря на относительно малые амплитуды напряжений (деформаций), плотность дислокаций возрастает в процессе циклического нагружения. После некоторого числа циклов нагружения она достигает определенной величины «насыщения» и в дальнейшем остается практически постоянной. Большей амплитуде напряжения (деформации) циклического нагружения соответствует и большая величина «насыщения» плотности дислокаций. Полученная при этом дислокационная структура зависит не только от величины амплитуды напряжения (деформации) циклического нагружения, но и от кристаллического строения материала и температуры, при которой проводится эксперимент.

Плотность вновь возникающих дислокаций при заданной амплитуде напряжения зависит от времени вибрирования i[19, 20]. На рис. 1 (1) [19] показана зависимость плотности дислокаций в кристаллах фтористого лития от времени вибрирования при амплитуде напряжения 1 кгс/мм2. Соответствующая зависимость для поликристаллической меди, подвергнутой ультразвуковым колебаниям при амплитудах Л1 = 13 мкм (1), Л2=15 мкм (2) и Л3=18 мкм (3), представлена на рис. 2 [20]. С течением времени вибрирования наблюдалась тенденция к на-

Рис. 1. Зависимость плотности дислокаций в кристаллах фтористого лития от времени вибрирования при амплитуде напряжения 1 кгс/мм2 [19]

На рис. 1 показаны расчетные зависимости изменений плотности дислокаций от времени вибрирования при амплитуде напряжения 1 кгс/мм2 для кристаллов фтористого лития, полученные по формулам (11) (2) и (12) (3). Постоянные (?/0 = 6-104 см~2; (a2A./LN) =0,724; \(з=1; х/ = = 4,83-Ю-4 с-1; г/ = 0,3; x7 = 5,33-10~4 с"1) были определены по экспериментальным значениям [19].