Закономерностей структурных

Заканчивая рассмотрение закономерностей сопротивления материалов циклическому упругопластическому деформированию, отметим, что аналитическое выражение диаграмм в форме обобщенной диаграммы деформирования позволяет отразить все основные особенности поведения материалов при повторном нагружении за пределами упругости. Накопленные данные по параметрам обобщенной диаграммы дают возможность для достаточно широкого круга конструкционных материалов рассчитывать кинетику циклических напряжений и деформаций в связи с разработкой критериев и оценкой прочности при малом числе циклов нагружения конструктивных элементов.

Как было показано выше, в результате экспериментального-изучения закономерностей сопротивления деформированию при малоцикловом нагружении установлено существование обобщенной диаграммы циклического деформирования, которая позволяет описывать процесс знакопеременного деформирования в диапазоне мягкого и жесткого нагружении, т. е. в условиях нерегулярного-нагружения, когда SW <^ ?да <; / (eW) — для циклически упрочняющихся материалов, / (е*1') <; 5W <^ SW — для циклически разупрочняющихся материалов, обобщенная диаграмма дает возможность с достаточной точностью определять напряжения и деформации после /с-го полуцикла нагружения.

При этом оценка прочности и пластичности обычно производится по данным испытаний на растяжение — сжатие в условиях, сопоставимых со стандартными статическими испытаниями. Испытания же при сдвиге трубчатых образцов являются предпочтительными для изучения закономерностей сопротивления деформированию, ибо дают возможность избежать влияния формоизменения образца и направления исходного нагружения на интенсивность и характер протекания процесса.

Ряд общих закономерностей сопротивления неизотермической (в том числе термической) малоцикловой усталости может быть проиллюстрирован на примере контрастных по прочности и пластичности конструкционных жаропрочных сплавов ЭП-693ВД (ХН73МБТЮВД) и ЭП-220 (ХН51ВМТЮФР), для которых приняты рабочие диапазоны температур: 473 ^ 1133К 473 ^ 1203 К соответ-

Последние три требования имеют особенно большое значение в связи с развитием вероятностных методов расчета на усталость. В таких расчетах характеристики рассеяния механических свойств материала, для исследования которых необходимо проведение массовых испытаний, используются как самостоятельные расчетные параметры, поэтому они должны быть обусловлены только природой самого материала, а не условиями проведения испытаний. При этом весьма важно динамическое исследование машин для испытания на усталость, рассматриваемое как один из ответственных этапов их доводки. Цель таких исследований состоит в, опытном определении динамических свойств соответствующих колебательных систем, отличающихся от расчетных моделей в- связи с обычно принимаемыми в последних упрощениями, а также в накоплении данных, позволяющих достаточно тонно судить о том, в'какой мере результаты исследования закономерностей сопротивления усталости, получаемые с помощью этих машин, могут считаться достоверными.

При обосновании специальных требований, которым должны удовлетворять только машины для программных испытаний на усталость, следует, очевидно, исходить из того, какие цели преследуют такие испытания. В г,л. I показано, что основной задачей программных испытаний на усталость в конечном счете является изучение закономерностей сопротивления усталости при нестационарных режимах нагружения. В большинстве случаев взаимное распределение экстремальных значений эксплуатационных нагрузок деталей носит случайный характер, поэтому, естественно, возникает вопрос о необходимости воспроизведения при программных испытаниях случайного чередования нагрузок и замены его более простым, но эквивалентным (по степени вызываемого усталостного повреждения) случайному.

При некоторых исследованиях закономерностей сопротивления усталости необходимо осуществлять испытания по схеме жесткого нагружения. Для проведения этих исследований узел нагружения машины (см. рис. 42) сконструирован таким образом, что позволяет замену пружины жесткой тягой. Конструктивное выполнение узла крепления образца допускает оснащение машины разнообразными устройствами для высокотемпературных испытаний (электропечь с аппаратурой для автоматического поддержания заданного температурного режима), а также для испытаний на коррозионную усталость. На рис. 53 приведена конструкция устройства для подачи к образцу агрессивной среды, описанная в работе [12]. Средняя часть вращающегося образца 2 находится внутри неподвижного корпуса 3. Агрессивная среда (вода) захватывается струей воздуха, поступающего под давлением из инжектора 4. С помощью специального командного устройства (на рисунке оно не показано) подача воды к образцу на заданный период времени может прекращаться, чем достигается программирование воздействия среды. В периоды прекращения подачи агрессивной среды образец обдувается сухим воздухом через форсунку /.

Результаты исследования машин позволяют сделать вывод, что при соответствующем выборе динамических параметров и соблюдении ряда специфических условий при конструировании программные испытательные машины с возбуждением переменных напряжений постоянным усилием обеспечивают высокую точность воспроизведения задаваемого программного режима и варьирование его в широких пределах. Это позволяет рекомендовать такие машины для исследования закономерностей сопротивления усталости при действии нестационарных нагрузок, характерных для большинства современных машин и механизмов.

нагружении» (1979 г.) — рассматривает методы и результаты исследований напряженно-деформированных состояний в зонах концентрации, их кинетику по циклам нагружения и достижение предельных состояний по условию накопленных повреждений. Монография «Прочность при изотермическом и неизотермическом малоцикловом нагружении» (1979 г.) распространяет описание закономерностей сопротивления малоцикловому деформированию и разрушению на область высоких температур. Последняя из вышедших в данной серии монографий — «Уравнения состояния при малоцикловом нагружении» (1981 г.) — обобщает полученные к этому времени результаты по описанию поведения материалов в условиях циклического упругопластического деформирования для различных случаев нагружения, включая сложные его режимы, неоднородное напряженное состояние, температурно-временную кинетику свойств материалов, и дает с помощью соответствующих феноменологических зависимостей и модельных представлений описание указанных процессов деформирования.

Необходимость исследования закономерностей сопротивления циклического деформирования материалов в условиях малоциклового, длительного циклического и неизотермического нагружении определяется, как было рассмотрено выше (см. гл. 1), прежде всего потребностями разработки экспериментально обоснованных уравнений состояния, позволяющих определять поцикловое напряженно-деформированное состояние и анализировать кинетику деформаций в наиболее напряженных зонах (амплитуды местных упругопластических деформаций и величины односторонне накопленных пластических деформаций). Это в свою очередь позволяет рассмотреть процесс накопления циклических повреждений с целью расчетной оценки прочности и долговечности элементов конструкций.

При сопоставлении критериев оценки долговечности при длительной термической и высокотемпературной изотермической малоцикловой . усталости в жестком режиме нагружения можно выявить определенную общность основных закономерностей сопротивления материалов разрушению в условиях действия длительных циклических нагрузок при высоких температурах. Характерно при этом, что почти все имеющиеся предложения по оценке долговечности основаны на деформационных и частотно-временных предпосылках.

Детальное исследование формирования структуры, закономерностей структурных изменений и связи структурного состояния со свойствами стали 15Х1М1ФЛ выполнено в [25, 26]. Исследованы натурные отливки массой до 11,6 т с толщиной стенки от 70 до 500 мм, термически обработанные в производственных условиях по типовому технологическому режиму.

Предлагаемая работа не ставит своей задачей проанализировать все многообразие условий фрикционного воздействия, приводящего к износу. В ней с позиций усталостных представлений рассматриваются некоторые результаты исследования закономерностей структурных изменений поверхностных слоев при трении, причем, предпочтение отдается металлическим материалам, работающим в обычных условиях. На взгляд автора, такое рассмотрение является целесообразным и актуальным, так как может послужить основой для распространения на общепринятые «неусталостные» виды износа существующих аналитических зависимостей, базирующихся на

§ 1. Методика исследования закономерностей структурных изменений

Проведение эксперимента. Анализ литературных данных свидетельствует о том, что процесс разрушения металлов и сплавов при объемном циклическом деформировании характеризуется однозначными закономерностями структурных изменений только в области малоцикловой усталости. На этом основании область контактных давлений, превышающих предел текучести материала, была выбрана для анализа закономерностей структурных изменений при трении. Малоцикловая усталость (область пластического контакта) реализуется преимущественно при сухом трении скольжения при больших контактных давлениях и температурах выше 100 °С. В этих условиях работают муфты, тормозные устройства, опорно-поворотные круги экскаваторов [20, 22, 51, 93]. Наиболее распространенным материалом в такого рода узлах являются стали и металлокерамики на железной основе. Выбор материала для исследования (сталь 45) обусловлен не только его практической применимостью в узлах трения, но и изученностью с точки зрения развития разрушения при объемном циклическом деформировании, что является необходимым условием для сопоставления механизма разрушения при объемной и фрикционной усталости.

Одинаковый характер распределения пластической деформации по глубине при сухом трении и трении со смазкой часовым маслом делает возможным сопоставление закономерностей структурных изменений и установление их связи с интенсивностью износа.

Результаты рентгеновского анализа показали, что несмотря на дискретный характер контактирования в каждый момент времени можно получить обобщенную характеристику состояния поверхностного слоя, связанную с различной степенью его упрочнения вли нарушения сплошности. Существование такой интегральной характеристики делает возможным использование метода измерения электросопротивления для исследования закономерностей структурных изменений при трении, как с целью проверки, качественной и количественной, результатов рентгеновского анализа, так и для выявления роли второй фазы (Fe3C) и всей деформированной зоны (80—90 мкм) в общем процессе разрушения. Последнее представляет интерес в свете работы [53], в которой устанавливается связь между накоплением повреждений в поверхностном слое и нижележащих слоях по мере их выхода на поверхность.

Выявленное методом рентгеновского анализа и измерения электросопротивления существование интегральной характеристики поверхностного слоя в каждый момент времени обусловило необходимость выбора нагрузки на пирамиду, при которой отпечаток характеризует «среднеагрегатное» состояние исследуемого сплава. В противном случае разброс значений, связанный с раздельным измерением микротвердости феррита и перлита, делает невозможным анализ закономерностей структурных изменений методом микротвердости. Известно, что твердость феррита по Бри-неллю в зависимости от величины зерна колеблется в пределах 65—130 кгс/мм 2, в то время как твердость перлита (также в зависимости от величины зерна) составляет 160—250 кгс/мм2 при вредней твердости стали 45 160—180 кгс/мм3 [113]. Опробование нагрузок на пирамиду от 10 до 200 гс показало, что минимальной нагрузкой, характеризующей «среднеагрегатную» твердость стали/ 45, является Р = 50 гс, при этом глубина отпечатка составляет 3—4 мкм. Результаты измерения микротвердости представлены на рис. 32. Условия трения аналогичны тем, при которых проводились исследования методом рентгеновского анализа и измерения электросопротивления. Из приведенных результатов следует, что изменение микротвердости аналогично изменению ширины дифракционной линии (220)a-Fe и электросопротивления. С увеличением нагрузки число циклов до разрушения уменьшается, а среднее максимальное значение микротвердости, пропорциональное величине действующей деформации, увеличивается (рис. 33). Количественная оценка числа циклов до разрушения по результатам измерения микротвердости совпадает со значениями, полученными двумя предыдущими методами (рис. 34).

нением и разрушением поверхностного слоя. Число циклов до разрушения по результатам трех методов исследования совпадает достаточно хорошо, что имеет большое значение для создания новых методов оценки износостойкости металлов и сплавов на базе количественного анализа закономерностей структурных изменений.

Таким образом, результаты исследований, проведенных на модели фрикционного контакта при трении скольжения показали, что периодический характер структурных изменений связан с периодическим упрочнением и разрушением поверхностного слоя. Количественная оценка закономерностей структурных изменений выявила общность уравнений, описывающих разрушение металлов и сплавов при объемной и фрикционной усталости, что дает основание рассматривать периодический характер структурных изменений как физическое подтверждение усталостной природы износа.

закономерностей структурных изменений при фрикционно-контактном воздействии

Общность представления об усталостном разрушении поверхностей трения, которое в последнее время распространяется и на такие виды изнашивания, как адгезионный износ [53] или износ под действием абразивных частиц [52], дает основание полагать, что имеет место и определенная общность характера структурных изменений при фрикционно-контактном воздействии. Это, например, подтверждается работой [122], где выявлено периодическое изменение микротвердости стальных поверхностей в процессе гидроабразивной обработки, которое авторы связывают с периодическим упрочнением и разрушением поверхностного слоя. Ниже приведены результаты исследования закономерностей структурных изменений при изнашивании металла в струе твердых сферических частиц. Теоретический анализ, выполненный в работе [123], свидетельствует об усталостной природе разрушения в этих условиях.