книги / Циклическая прочность металлов

Ц икл ическая прочность железоцинковы х сплавов

Номер железо­	Отношение кон­	Микротвердость	Число циклов	Амплитуда
	центрации солей
цинкового сплава железа и цинка		в кг/мм2	до разрушения	колебаний
	в электролите		образца	образцов в мм
1	0,33	65	74 880	2,5
2	0,5	70	97 920	2.5
3	0,66	73	123 840	2,5
4	0,77	89	208 800	2,5
5	1	94	319 680	2,5
6	1,16	102	305 280	2,5
7	1,33	104	181 440	2,5
8	1,5	123	5 760	2,5
9	1,66	138	2880	2,5

Отношение — у обоих этих материалов получилось при-

Од

близительно одинаковое, равное 0,25; поэтому циклическую проч­

ность

в

первом

приближении

можно оценивать по

их

пределу

прочности.

На

описанной выше установке

была

исследована,

в

частности,

циклическая прочность

антифрик­

ционных

железоцинковых

покры­

тий,

полученных

при

различных

отношениях концентраций

основ­

ных солей их в электролите.

Результаты этого исследования

фиг. 123. Диаграммы усталости в

приведены в табл. 78, в которой

каждое

число

циклов

до разру­

координатах а, N для некоторых

антифрикционных

сплавов:

шения

образца

получено

как

1 — для баббита марки

БТ; 2 — для

среднее

из трех

измерений.

сплава С ОС 6-6.

В

заключение

необходимо

отметить,

что

с развитием различ­

ных отраслей современной техники потребности в цветных метал­ лах и сплавах непрерывно увеличиваются. Машиностроение* химическая промышленность, энергетика, реактивная техника, радиотехника и др. предъявляют к металлам и их сплавам высо­ кие требования.

Поэтому наряду с применением известных и (хорошо изучен­ ных цветных металлов и их сплавов наблюдается также неуклонно возрастающий спрос на новые металлы и сплавы. Кроме

270

указанных выше алюминия,	магния и меди, нужно отметить
как особенно перспективные	в современной и будущей технике

еще титан и никель.

Титан широко распространен в природе; он и его сплавы имеют малый объемный вес, высокую температуру плавления, высокую статическую прочность, большую устойчивость против коррозии.

Высокими прочностными свойствами и антикоррозийностью отличается также и никель со своими сплавами.

К сожалению, приходится отметить, что изучение цикличе­ ской прочности этих металлов в настоящее время только еще начинается, и данных в этом направлении в соответствующей литературе пока 'почти не имеется.

УДАРНАЯ И УДАРНО-ЦИКЛИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ

§ 39. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

Всякая нагрузка на конструкцию называется ударной тогда, когда она прикладывается весьма быстро и со скоростью, изменяю­ щейся от наибольшего своего значения до нул:я в очень короткий промежуток времени.

Под действием ударной нагрузки в поведении конструкций и их материалов наблюдаются особенности, которые отсутствуют при статической работе конструкций. Укажем на некоторые из этих особенностей.

1.Упругая конструкция под действием всякой ударной на­ грузки приходит в колебательное движение, которое постепенно затухает вследствие сопротивления воздуха, внутреннего трения между частицами материала и т. д.

2.В сопротивлении ударной нагрузке принимает участие иногда не весь материал конструкции, а только часть его в районе места удара; это бывает тогда, когда при очень кратковременном ударе с большой скоростью упругая деформация не успевает распространиться по всей конструкции, например при ударе пули от выстрела и т. п.

Напряжения, возникающие в конструкции тотчас же после приложения ударной (неразрушающей) нагрузки, значительно больше тех напряжений, которые возникают в дальнейшем при статическом уже действии этой нагрузки. Эти наибольшие напря­ жения иногда называют ударными напряжениями. В связи с этим

идеформации при ударе должны быть также значительно больше соответствующих статических деформаций.

Механические свойства каждого металла, определяющие его ударную прочность, могут изменяться в довольно широких преде­ лах в зависимости от факторов, связанных как с природой металла и условиями его обработки, так и с условиями его эксплуатации (в конструкциях). Исследование механических сройств металлов при ударных нагрузках должпо заключаться в изучении картины их разрушения, а также в изучении тех закономерностей, по ко-

торым изменяются показатели прочности и пластичности. Г1РИ этом изучении нужно различать два случая действия ударной нагрузки: 1) случай однократного приложения ударной нагрузки к конструкции, прочность материала которой в этом случае называют ударной прочностью, и 2) случай неограниченно много­ кратного, более или менее ритмического действия ударной на­ грузки на конструкцию; прочность материала ее в этом случае называют ударно-циклической прочностью; напряжения возни­ кающие в этом случае в материале, называют ударно-циклическйми напряжениями.

§ 40. УДАРНАЯ ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ

Общепринятым способом экспериментального изучения по­ ведения металлов при однократной ударной нагрузке является испытание вплоть до разрушения изгибающей нагрузкой стан­ дартных образцов, надрезанных посредине своей длины. Испы­ тания эти проводятся на специальных испытательных машинах, называемых копрами, и носят название ударной пробы.

При таких испытаниях определяют количество работы дефор­ мации, поглощаемой при ударе изучаемым металлом. Эту работу относят к единице площади наименьшего поперечного сечения образца (в изломе) и называют ударной вязкостью металла

Як	^к кгм/см2.
	Fmin

Кроме испытаний на ударный изгиб, применяют также испы­ тания на ударные растяжение, кручение и другие виды деформа­ ций.

Основное преимущество испытаний ударной изгибающей на­ грузкой перед другими способами механических испытаний за­ ключается в высокой чувствительности металлов к изменениям их структуры и к скрытым порокам, которые другими спосо­ бами выявить или совсем нельзя, или можно только в весьма

слабой степени.

Надрезываются образцы с целью лучшего выявления степени сопротивляемости испытываемого металла ударной нагрузке, так как у дна надрезов происходит концентрация напряжений, материал там находится в сложном напряженном состоянии и дает всегда более или менее четкую картину хрупкого разруше­ ния; надрез как бы сосредоточивает всю деформацию, поглощаю­ щую энергию удара, в небольшом объеме.

Чем выше ударная вязкость металла, тем лучше его сопроти­

вляемость	ударным	нагрузкам.	Нормами устанавливаются для
металлов	(сталей)	предельно	наименьшие значения	ударной
вязкости,	например:		ак > 6 — 8	в кгм/см
для котельной стали
для мостовой стали			8-^10 и т. Д*
жQ	45.			273
1о Заказ

Большой недостаток ударной вязкости, как характерИСтики прочности металлов заключается в том, что эту характеристику нельзя использовать при определении размеров Конструкций в процессе проектирования последних; в то же время она (ударная вязкость) не дает и достаточных данных для полного выявления закономерностей пластичности металлов При удар­ ных нагрузках. Поэтому в последнее время были Предложены новые характеристики ударной прочности металлов, тцк называе­

мые деформационные характеристики.

За деформационные характеристики ударной прочности ме­ таллов, которые можно получать при однократных ударных испы­

(X

таниях

изгибающей нагрузкой,

20

принимают: прогиб испытывае­

100

мого

образца,

угол

загиба,

75

15

J L

искажение поперечного сечения,

/у

50

-

10

деформацию

крайнего растяну­

того

волокна и

величину де­

25

-

5

формированного объема

метал­

J

&

ла,

т.

е.

величину

объема

L

10

15 20 25 JU А кап

образца,

втянутого

в

пласти­

О 0 '5

Работа деформации

ческую

деформацию его.

Фиг.

124. Графики изменений дефор­

Эти характеристики являют­

ся

показателями

пластичности

мационных

характеристик металлов

металлов, но они в своем количе­

при

ударе.

ственном

измерении

позволяют

иметь суждение также и об ударной прочности последних. Из всех них наиболее ценными и наиболее просто определимыми при удар­ ных испытаниях являются две первые, а именно: прогиб об­ разца (/) и остаточный угол (а) загиба его. Определение этих характеристик можно выполнять на тех же испытательных маши­ нах (копрах), на которых определяется и ударная вязкость, только

образцы следует применять ненадрезаниые.

Опыты (пока недостаточно многочисленные) показывают, что эти две деформационные характеристики для одного и того же металла изменяются почти одинаково и почти пропорционально работе ударной деформации; графики f = Fi(A) и а° = F(A)

на фиг. 124 подтверждают это положение.

Графики зависимости стрелы прогиба и угла загиба образца от работы деформации пересекаются с осью абсцисс в одной и той же точке (O'), не совпадающей с началом координат; числовое значение отрезка 00' пропорционально работе упругой деформа­ ции удара в момент появления заметных пластических деформа­ ций, соответствующих наступлению предела текучести материала. Следовательно, определение динамического усилия при насту­ плении предела текучести испытываемого металла можно с боль­ шой точностью сделать путем измерения длины отрезка 00'

Для суждения о механических свойствах кажд9го металла зна­ чительный интерес представляет, как Известно, его диаграмма

деформации. При статическом загружении эта диаграмма под назва­ нием диаграммы растяжения, или диаграммы сжатия, записы­ вается испытательной Машиной автоматически. При ударпом испытании автоматическую диаграмму получить нельзя вслед­ ствие большой инерционности применяемой аппаратуры; поэтому для построения диаграммы ударной деформации использу*от приближенный способ, основанный на многократном (серийном) измерении как запасенной образцами работы, так и деформацион­ ных характеристик испытываемого материала. На фиг. 125 поКа“ зана построенная таким способом диаграмма растягивающего удара при испытании образцов из мягкой углеродистой стали.

Фиг. 125. Диаграммы статического и ударного

(однократного) растяжений	образцов	из мягкой
стали:
1 — статическое растяжение; 2	— ударное*	растяжение.

Она на всем своем протяжении лежит выше диаграммы статиче­ ского растяжения; при этом наиболее резко (до 60%) повышается предел текучести; предел прочности тоже повышается, но в мень­ шей степени; характерно также смещение наибольшей силовой координаты в сторону начала диаграммы; коэффициент (т|) пол­ ноты диаграммы ударной деформации выше аналогичного коэф­ фициента диаграммы статической деформации и близок обычно

к единице; поэтому диаграмму ударной деформации иногда при­
ближенно	считают прямой линией, параллельной оси абсцисс,
и тогда среднее ударное усилие будет мало отличаться по величине
от наибольшего ударного усилия. Именно это обстоятельство и
позволяет среднее усилие (Рср) ударной деформации принимать
за предел ударной прочности металла; эта характеристика весьма
просто определяется при ударных испытаниях образцов, дове­
денных до	разрушения, и принимается равной

для высокопластичных материалов	(при ц-0,95)	Рср = Q дс*}?' »
для малойластичных высокопрочных	материалов	п	полн — А у п Р у г
		Рср —	~б

Возвращаясь к ударной вязкости как характеристике проч- ности металлов, следует сказать, что величина ее уменьшается

с понижением температуры, и наоборот; иногда уменьшение удар­ ной вязкости металла со снижением температуры вызывает хлад­ ноломкость его и ведет к разрушению конструкции. Поэтому для оценки способности каждого металла противостоять ударным на­ грузкам важно установить так называемую критическую темпе­ ратуру этого металла, при которой и ниже которой происходит резкое падение величины его ударной вязкости. Эта критическая

температура устанавливает­ ся обычно по получаемому экспериментально графику

Лк — f (t°),

разновидности

которого при­

ведены на

фиг.

126. Как

видно, у некоторых

металлов

высокое

значение

ударной

-200

-120

-40

О

+40

+120 г

вязкости

при

комнатной

Фиг. 126. Графики для установления

температуре

не

является

критической

температуры

при

ударе

гарантией

хорошей

сопро­

1 — при

металлов:

тивляемости

их ударным на­

статическом

растяжении; 2 — при

грузкам при пониженных тем­

ударном

растяжении (гладкие

образцы); 3 —

при ударном

изгибе

(надрезанные образцы).

пературах; при

этих

темпе­

как бы не хватает

вязкости,

ратурах

у

таких

металлов

а потому применять

их

в

таких

условиях

службы нельзя.

Сплавы из цветных металлов не имеют критических темпера­ тур; их ударная вязкость в широком диапазоне температур из­ меняется весьма незначительно.

§ 41. УДАРНО-ЦИКЛИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ

Во многих конструкциях, например, в автоматических меха­ низмах, в быстроходных двигателях и др., элементы подвер­ гаются иногда весьма продолжительному действию повторяю­ щихся ударов.

В этих условиях речь может идти уже об ударно-циклической прочности металлов. Характеристики этой прочности будут, конечно, отличаться от характеристик прочности при обычных циклических нагрузках и должны быть получены при испыта­ ниях повторными ударами, быстро следующими один за другим.

Специальные исследования ударно-циклической прочности ме­ таллов следует признать в настоящее время важными еще и по­ тому, что до сих пор в учении о прочности металлов существует и даже иногда внедряется в практику проектирования неверное представление о том, что процесс ударно-усталостного разру­ шения металлов при небольшом числе повторных ударов (до 500)

сталей. Заготовки для образцов в этом исследовании были наклепаны кручением; образцы были надрезанные и гладкие и имели размер 10 X 10 х 55 мм. Ударная нагрузка осуществля­ лась падающим бойком с частотой 93 удара в минуту. База испытаний была 10е циклов.

Марка стали

Ст.З

						Таблица 79
Влияние	наклепа	образцов на предел*ударной			у с та л о с ти		Пределудар­ нойустало­ стив %
Вид образцов	Степеньна­ клепав %	Энергияуда­ вракг/см	Пределудар­ нойустало­ стив %	Маркастали	Степеньна­ клепав %	Энергияуда­ враm j см
				Вид образцов
Гладкие	_	4,9	100 I	Гладкие	_	9,1	100
»	20	7,0	133	»	20	12,0	132
»	80	8,1	165	»	65	14,5	159
»	120	8,9	182	Ст. 5 Надрезан­	—	2,5	—
Надрезан­	—	2,2	—	ные	20	1,8	—
ные	20	1,4	—	»
»				»	65	2,3	—
»	80	1,9	—
»	120	2,0	—

Анализируя по этой таблице результаты ударно-циклических испытаний, видим, что в гладких образцах предел ударной уста­ лости все время повышается с увеличением наклепа до самых больших степеней его; в надрезанных же образцах ударно-цик­ лическая прочность, как показывают соответствующие исследо­ вания, не только не повышается от наклепа, но даже несколько снижается.