книги / Циклическая прочность металлов

ЦИКЛИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

§ 34. О Б Щ И Е П О Н Я Т И Я

Машиностроение и строительная промышленность применяют много цветных металлов и сплавов для конструктивных элемен­ тов, работающих статически, и для элементов, работающих в ус­ ловиях циклического загружения.

Хотя конструкторы и стремятся все более и более заменять цветные металлы и сплавы на неметаллические пластичные мате­ риалы, однако применение первых все же остается пока большим. Поэтому вопросы прочности и, в частности, циклической* проч­ ности цветных металлов и сплавов являются в настоящее время важными и актуальными. Наиболее применимыми в современных машинах и инженерных конструкциях цветными металлами являются алюминий, медь, магний и сплавы на основе этих ме­ таллов; все они дают сравнительно легкие материалы при доста­ точной конструктивной прочности их.

Данных о циклической прочности цветных металлов и сплавов имеется весьма недостаточно по двум причинам: 1) различные ис­

следования	одних и тех	же	материалов		дают часто различные
результаты	в зависимости		от	условий	экспериментирования;
2) многие организации,		и у	нас,	и за рубежом, проводят проч­

ностные исследования цветных металлов и сплавов в специаль­ ных целях без широкого опубликования результатов.

Следует заметить также, что данных о циклической прочности литых цветных металлов и их сплавов имеется значительно меньше, чем данных о прокатанных цветных металлах и сплавах, и это потому, что для вторых соответствующие основные показатели могут быть экспериментально получены значительно легче и точ­ нее, чем для первых. Кроме того, в прокатанных цветных метал­ лах и сплавах локальные дефекты меньше отражаются на общих показателях прочности, чем в литых металлах и сплавах.

Механизм усталостного разрушения цветных металлов и спла­ вов тоже еще недостаточно изучен, и даже нет единого мнения по этому врпросу. Попытки Юинга и Розенгейна предложить

260

единую теорию в этом направлении, основанную на механизме внутрикристаллитных сдвигов с выходом последних на поверх­ ность, общей положительной оценки не получили.

Мысль большинства исследователей сводится к тому, что этот механизм различен в зависимости от физических свойств метал­ лов и их сплавов. Весьма вероятно, что использование дислока­ ционной теории прочности и пластичности при изучении меха­ низма усталостного разрушения цветных металлов и сплавов даст авторитетное объяснение этому механизму. Следует заметить также, что характер усталостных изломов образцов, изготовлен­ ных из цветных металлов и сплавов, особенно литых, бывает раз­ личный: в некоторых случаях на изломе наблюдаются концентри­ ческие полосы, в других случаях поверхность излома получается как бы шлифованной. Определение величины предела усталости также часто дает большой разброс даже при одних и тех же усло­ виях эксперимента.

Экспериментальное изучение циклической прочности цветных металлов и сплавов проводится обычно на тех же машинах, кото­ рые используются и для изучения стальных образцов; форма образ­ цов тоже остается такой же. Но база испытаний всегда принимается большей, чем 5 -И 0 •106 циклов; чаще принимают ее в 20 •10е и даже в 50 - 10е и 100*10® циклов, и это потому, что усталостная диа­ грамма цветных металлов и сплавов обычно пе имеет резко выраженного перелома, показывающего величину предела уста­

лости;	она все время и монотонно имеет некоторый наклон
к оси	абсцисс.	Поэтому отсутствие	излома у образцов при
5—10*10® циклов		не гарантирует еще	дальнейшей нормальной
работы их, как у стальных изделий.
При	изучении	циклической прочности цветных металлов и

сплавов приобретает большое значение величина отношения ^ ,

т. е. отношение предела усталости к пределу прочности при растяжении, так как величина предела прочности всех метал­ лов, в том числе и цветных, определяется с наибольшей точ­ ностью и обладает наибольшим постоянством, независимо от Условий определения. Поэтому предел усталости цветных ме­ таллов и сплавов в первом приближении часто оценивают по ве­ личине этого предела прочности их.

Нельзя также в большинстве случаев без соответствующих Поправок перенести на цветные металлы и сплавы методы (меха­ нические, термические и термохимические) повышения предела Усталости, применяемые для сталей.

Ниже рассмотрены данные о циклической прочности некото­ рых цветных металлов и сплавов; при этом имеется в виду, что, Пак указано было, вопросы циклической прочности их изучены Далеко не с тем охватом и топ полнотой, как у сталей, и что имею­ щиеся данные в этом направлении иногда не согласны между Собой и даже противоречивы.

По распространению на земле алюминий занимает пер­ вое место среди металлов. Неограниченные сырьевые ресурсы для получения алюминия, благоприятные условия производства и высокие конструкционные свойства этого металла предопреде­ ляют широкое применение алюминия в машиностроении, авто- и тракторостроении, транспортном машиностроении, судострое­ нии, в строительстве и в производстве товаров народного потре­ бления.

Как промышленный материал, алюминий обладает рядом боль­

ших достоинств,	к числу	которых следует отнести:
1) малый удельный вес		и относительно высокую статическую
прочность при	большой пластичности;

2)большую антикоррозийную стойкость;

3)возможность легкого получения из него сложных профи­ лей, особенно методом прессования.

Имеются у алюминия и его сплавов и недостатки, из которых нужно отметить наиболее значительные:

1)сравнительно низкое значение его модуля нормальной упругости;

2)трудность сварки, особенно при применении термически упрочняемых его сплавов;

3)сравнительно низкие показатели циклической прочности, что ограничивает до сих пор применение алюминия в конструк­ циях, работающих при большом числе циклов повторно-перемен­ ной нагрузки в условиях тяжелых режимов работы.

Алюминий является основой для получения многих легких сплавов, широко применяемых в настоящее время в разных областях машиностроения и инженерного строительства.

Из этих сплавов наибольшее распространение в технике по­ лучили такие:

сплавы алюминия с кремнием (4—13% Si), называемые силу­

минами, которые имеют повышенную сравнительно с чистым алюминием прочность;

сплавы алюминия с медью (4—14% Си), применяемые обычно для машиностроительных отливок сложных конфигураций;

сплавы алюминия с магнием (0,2—11% Mg), обладающие хо­ рошими механическими свойствами и антикоррозийной стой­ костью;

сплавы алюминия с медью и магнием, называемые дюралюминами, которые имеют особенно высокую прочность и хорошо тер­ мически и механически обрабатываются.

В инженерном строительстве для изготовления несущих кон­ струкций применяются еще алюминиевые сплавы: АМчб, АВТ1, Д16Т, объемный вес которых почти в 3 раза меньше, чем у стали. Прочность при растяжении этих сплавов превышает прочность стали Ст. 3 соответственно в 1,86; 2,47 и 3,5 раза. В последнее

время в Советском Союзе получены новые алюминиевые сплавы

В92 Я ВУ5 для применения в промышленном строительстве, еще более прочные по сравнению с указанными выше.

Циклическая прочность алюминия и его сплавов по сравнению со всеми остальными цветными металлами наиболее изучена; изучены более или менее не только прочностные свойства алюми­

ния и его сплавов, но подвергся изучению и механизм усталост­ ного разрушения его.

Интересные результаты получил П. Форзит, изучавший этот процесс на чистом алюминии в отожженном и холоднокатаном состояниях и на сплаве его с медью (4%), в стабилизированном и нестабилизированном состояниях [61]. По его представлению механизм усталостного разрушения алюминия (в образцах) за­ ключается в образовании микроскопических тонких полос сколь­ жения, около которых образуются пустоты; эти пустоты по мере их умножения и развития соединяются между собой, да­ вая начало микроскопическим трещинам. Вследствие локальных пагревов под действием внешних циклических воздействий металл

вобласти каждой такой трещины начинает рекристаллизоваться

ииногда выдавливаться наружу в виде мельчайших ступенек. Этот процесс особенно заметно проявляется при высоких темпе­ ратурах, когда происходит перестарение металла и он выдавли­ вается в зоны, более мягкие сравнительно с окружающими их

плоскостями.

Предел усталости алюминиевых сплавов бывает различный по величине в зависимости от состава сплава; зависит он и от вида деформации: при циклическом изгибе он всегда несколько выше, чем при циклическом кручении. В табл. 74 приведены ориенти­ ровочные значения [79] предела усталости разных алюминиевых сплавов в образцах при циклическом изгибе и при циклическом

кручении.							Таблща и
Значения предела усталости некоторых алюминиевых сплавов
						со	е»
				| |			5
							п	'Т1 ®
	Название сплаваУ*			чн СО		7 8	со
				1*			«оVC	J 1°
				о «	1	н з	Ъ a
Силумин				4,5	'	3,6	___	_,
							—
			• •	6,0		5,4
Отпущенный силумин
у-силумин, отпущенный при температуре 150				10-12		—	25— 28	0,4
в течение 20 час.		• •	V/no’
v-силумин, улучшенный при температуре 510 ,						_
У в течение 24 час. и		при температуре	150	10-13			26— 32	0,4
в течение 20 час. • • • •				4,5		2,5	—	—
Поршневой сплав (14% Си)				9,8		—	35,7	0,27
Дюралюмин в состоянии поставки				8,3		_	35,9	0,23
Закаленный дюралюмин								0,43
				7,5		—	17,8
Отожженный	»

Таблица 7"

Зависимость показателей прочности дюралюмина (при изгибе) от способов обработки его

	О)
Режим механической’ и термической	1	о
обработки образцов	ft)	я
**
to	я	«О

База испыта­ ний N циклов

N

3

	ft)		to
D Я		J	чэ
1	*

Ковка	. .			27,1	20	10-10е	8,5	0,31
Нагрев при температуре 505°, закал­				36?0	16	400 •10е	9,9	0,28
ка в кипящей воде . . .									j
Ковка, нагрев при температуре 500°									j
в течение 60 мин., закалка		в	хо­
лодной воде, нагрев в	масле		при						i
температуре 150° в течение 60 мин.,
охлаждение на воздухе		. . . .		33,3	27	100 •10е	10,6	0,32	|
Ковка, нагрев при температуре 500°
в течение 60 мин., закалка		в	хо­
лодной воде, нагрев при темпера­					25		14,1
туре 100° в течение 6 дней				36,7		10 •10е		0,38

Согласно данным табл. 74, величина предела усталости алю­ миниевых сплавов составляет 0,23—0,43 от величины предела прочности их при разрыве; при циклическом растяжении-сжатии

		она имеет		несколько			большую
		величину,		чем при		изгибе.
		Исследования показали, что
		влияние на циклическую проч­
		ность	алюминиевых				сплавов
		всякого	рода		надрезов сказы­
		вается	различно:			при	отливке
		изделий в землю				это	влияние
		весьма	незначительно,				но при
		кокильном		литье		оно весьма
Фиг. 121. График зависимости пре­		заметно понижает циклическую
		прочность.
дела усталости от частоты циклов для
алюминиевого	сплава R K - 56.	Рассмотрим еще данные (при­
о циклической	прочности при	близительные)			о статической и
		изгибе дюралюмина				[79], пока­

зывающие зависимость ее от режима механической и терми­ ческой обработки, приведенные в табл. 75.

Интересное в практическом отношении исследование выпол­ нили А. Р. Баде и П. Грутеннис [61] по вопросу о том, как влияет

частота циклов повторно-переменной нагрузки ^п Qa предел

усталости алюминиевого сплава RK-56; результаты этого ис­ следования показаны в виде графика на фиг. 121, из которого видно, что с повышением частоты грузовых циклов предел уста­ лости этого сплава повышается весьма заметно.

По применению в промышленности медь занимает одно и& первых мест среди цветных металлов, так как она обладает ценнейшими свойствами: высокой пластичностью, повышенной антикоррозийной стойкостью, теплопроводностью и электропро­ водностью. Медь служит основой для получения многих спла­ вов; сплавы меди с цинком называются латунями, все другие* медные сплавы обычно называются бронзами.

Из латуней, обрабатываемых давлением, в промышленности нашли наибольшее применение: томпак, свинцовая латунь и крем­ нистая латунь.

Из литейных латуней в промышленности применяются алюми­ ниевая латунь, марганцевосвинцовая латунь и марганцевожелез­ ная латунь.

Из бронз в промышленности получили распространениеоловянная бронза, алюминиевая бронза, кремнистая бронза и марганцевая бронза. Распространены также никелевые бронзы, имеющие обычно специальные названия: мельхиор (медь с 18— 20% никеля), константан (медь с 39—41% никеля) и др.

Специальных работ, посвященных циклической прочности медных сплавов, имеется весьма мало.

Втабл. 76 приведены показатели пластичности и твердости,

атакже показатели статической и циклической прочности не­ которых медных сплавов (латуней и бронз), полученные в ре­ зультате разных экспериментальных исследований. Так как эти исследования проводились разными людьми и в разных местах,

то база в этих исследованиях была различная — от 2-106 до100 -106 циклов; была различна и механическая и термическая обработка образцов перед испытаниями. Поэтому числовые зна­ чения показателей прочности и пластичности, приведенные

втабл. 76, нужно рассматривать как ориентировочные; они пока­ зывают, что циклическая прочность медных сплавов (в образцах)

взначительной степени зависит от термической обработки и от тех­ нологического режима их изготовления. Наибольшую прочность имеют образцы из латуни с поверхностным наклепом, получен­ ным при продавливают заготовок через отверстия с последую­

щим волочением.

В направлении изучения особенностей усталостного разру­ шения медных сплавов интересную работу провел Н. Томпсон [61 ], который исследовал поверхности поли- и монокристаллической меди и никеля в процессе их нагружения при частоте 60 000 циклов в минуту. Обнаружив в процессе экспериментов микроско­ пические полосы скольжения на полированной поверхности об­ разцов, он произвел вторичную полировку этих образцов; от этогочасть полос скольжения исчезла, но часть осталась и не исчезала при дальнейших повторяющихся полировках. Эти полосы появи­ лись рано, уже после 5% от общего числа циклов до разрушения;

26S

266

П рочность,	пластичность и твердость некоторы х медных сплавов
						<£>	«
						и
						I	3
Наименование и состав сплава	Характер механической и термической		01	о		I	~
						1	-
	обработки образцов		со	к
	%					а ~		О
		в	X	тн СО Л О			о
	йв		В			% 8		Ь
		•э-	t>°	*ьJ вB	о	О	о
						а 11

Медь почти чистая: 99,895% Си				Продавливание через отверстие,			от­
				жиг при	температуре	520°,		72	22,8	7,1	0,31
				охлаждение с	печыо		56
Латунь:	69,85% Си;		0,04% Fe;	Отжиг			84	85	31,2	14,2	0,45	—
30,11% Zn
Латунь:	60,25% Си,-		0,02% Fe;	Литье, нагрев при температуре 780°,
39,61% Zn; 0,02% Pb				продавливание через отверстие
				при температуре 700°, нагрев при
				температуре	540°, травление		и	38	46,5	22,2	0,48
				промывка, волочение			48
Мунц-металл:		58% Си;	0,8% Fe;	Состояние поставки			30	31	52,5	—		19,7	0,38
41,2% Zn
Марганцевая		бронза:	56,85% Си;	Литье			33	41	49,2	12,0	0,24	—	—
1,5% Fe;		40,9% Zn;	0,32% Sn;
0,20% Mn
Медноникелевый сплав:			80,03% Си;	Состояние поставки			4	18	47,5	16,2	0,34	“ -
0,16% Fe;	19,43% Ni

в процессе дальнейшего циклического нагружения они стали удлиняться; после 50% числа циклов до разрушения эти полосы

начали захватывать уже соседние зерна и дали вследствие этого начало усталостным трещинам.

G точки зрения вакансионной теории усталостного разрушения описанное зарождение усталостных трещин в медных сплавах можно объяснить образованием вакансий и их скоплений в рай­ оне полос скольжения. Эти локальные скопления вакансий вы­ зывают значительные местные искажения кристаллической ре­ шетки; металл теряет в этих местах свою структурную однород­ ность, вследствие чего в процессе дальнейшего циклического за-

гружения зарождаются	указанные выше усталостные трещины.
§ 37.	МАГНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Магний — очень легкий металл, имеет малую антикоррозий­ ную стойкость, а потому в чистом виде не находит распростране­ ния в технике. Он применяется обычно в качестве основы для производства легких сплавов, из которых наибольшую извести

ность	получил		электрон.		быть алюминий,
В	этом	сплаве		добавками к магнию могут
цинк,	медь	и	пр.	Пластические и прочностные	свойства элек­

трона зависят от его химического состава и термообработки; зави­ сят они также и от вида внешних циклических нагрузок (изгиба или кручения).

Втабл. 77 приведены показатели (ориентировочные) прочности

ипластичности некоторых магниевых сплавов (электронов), полученные разными исследователями [61].

Из табл. 77 видно, что термическая обработка изделий из магниевых сплавов заметно изменяет их пластические свойства, но очень мало влияет на величину предела усталости. Весьма циклически прочными являются электроны с большим количе­

ством цинка (вместо алюминия).

Исследованиями обнаружено, что надрезы и литейные корки на изделиях из магниевых сплавов значительно (до 15%) сни­ жают их циклическую прочность; также снижают ее низкие тем­

пературы, от которых	эти изделия делаются заметно хрупкими.
§ 38. АНТИФРИКЦИОННЫЕ (МЯГКИЕ) СПЛАВЫ
Сплавы, состоящие	из пластичного (мягкого) металла как ос­

новы с более или менее равномерно рассеянными в нем твердыми частицами, называются антифрикционными. Они обычно имеют малый коэффициент трения и потому весьма часто применяются, как материал для вкладышей п о д ш и п н и к о в и и м подобных деталей

машин и конструкций.

В качестве п о д ш и п н и к о в ы х сплавов чаще всего применяют баб­ бит на свинцовой или оловянной основе, затем мягкие алюминие­ вые сплавы, мягкие бронзы, сплавы цинка и кадмия и т. п.

Влияние разных способов обработки на прочность и пластичность магниевы х сплавов (электрона)

Химический со­		°вр	°всж		T- i
став электрона	Способы обработки образцов			а-1
(магниевого		6 в % в	в		в
сплава)		кг /мм2 кг/МмР		в к г/мм2	кг/мм*
8% А); 0,2 Мп	Литье в песок	3—7 17—20 31-34 4,2—5,3			—
	Нагрев при температуре	8-12 22—25 31—34 4,2—5,3			—
	420° в течение 16 час.

Литье в песок Нагрев при температуре

420°, в течение 16 час. 10% А); 0,1 Мп Закалка от температуры 420°, дисперсионное твердение при темпе­ ратуре 175° в течение

16 час.

1—3	15-17сосо	1	5,3-7,1	—
		СПсо
6 -9	21—24 34-37		6,3-7,1

1—4 22-25 37—40 5,3—7,1

	Литье в песок		4 -8 18—21
6% А1; 0,2 Мп;	Закалка от температуры
3% Zn	'420°	дисперсионное
	твердение при		темпе­
	ратуре 175° в		течение
	16 час.		3—7 26—29

1 соСО	!>-Г
	"

6,3—7,7

3,8

4% А1; 3% Zn		Литье в песок
0,25%	Fe;	Без обработки
0,24%	Si;
0,41%	Си;
4,38%	Zn;

А1 следы

4 -9 17—21

18 25,7

—

сл

—

сл 1 СП

12,0

5,5

—

При исследовании циклической прочности таких сплавов боль­ шая трудность (вследствие их мягкости) заключается в невозмож­ ности изготовить из них нормальные образцы для испытаний на обычных испытательных машинах. Поэтому для этой цели прихо­ дится или делать образцы такой специальной конструкции, которая позволяла бы испытывать их на существующих обычных машинахг или конструировать для этого специальные испытательные ма­ шины.

Специальные образцы для исследования циклической проч­ ности мягких металлов и сплавон на обыкновенных испытатель­ ных машинах изготовляют чаще всего биметаллическими; форма

268 ^

этих образцов была показана на фиг. 57. При циклических испы­ таниях таких биметаллических образцов усталостные трещины появляются всегда на поверхности испытываемых сплавов, как имеющих меньшую прочность; изломы происходят в средней частя образцов, где стальной сердечник имеет наименьший диаметр, по величине вообще весьма небольшой. Вследствие этого при под­ счете напряжений в таких биметаллических образцах влиянием стального сердечника можно пренебрегать и рассматривать об­ разец как монометаллический.

На фиг. 122 изображена схема установки специально для изучения циклической прочности тонких электролитических по­ крытий, применяемых в качестве антифрикционных материалов

Фиг. 122. Конструктивная схема установки для цикли­ ческих испытаний тонких электролитических покрытий (антифрикционных материалов).

[93]. В этой установке двухопорный с консолью плоский моно­ металлический (из испытываемого материала) образец 4 плотно прижимается к поддерживающему его стальному стержню, который закрепляется внизу с помощью тисков б, а в середине своей длины — с помощью специальных прижимов 7. На верхний копец образца через шток 2 действует циклически изгибающая сила от кривошипно-шатунного механизма 1. К образцу подве­ дены провода 3 и 5, образующие замкнутую цепь, в которую включен миллиамперметр, чувствительный к появлению даже мельчайших трещин. По этому прибору ведут постоянное наблю­ дение за образцом в процессе всего испытания. Параметры циклических колебаний образцов на этой машине подбираются

всоответствии с условиями эксперимента.

Спомощью биметаллических образцов была изучена, в част­

ности, циклическая прочность баббита марки БТ и сплава СОС 6-6. Результаты этого исследования приведены на фиг. 123 в виде двух усталостных диаграмм, из которых видно, что баббит БТ имеет предел усталости 1,7 кг/мм2, а для сплава СОС 6-6 величина предела усталости равна 1,5 кг/мм2.