книги / Усталость металлов

усталости в продольном направлении, однако заметно снижают его в поперечном направлении или при кручении.

Наличие включений незначительно влияет на сопротивление усталости мягких сталей; например, добавление свинца и серы не будет заметно снижать их сопротивление усталости.

Тид [109] отмечал, что у конструкционной стали, содержащей до 2,5% кремнистых включений, винтообразно расположенных в направлении прокатки, сопротивление усталости в поперечном направлении равно сопротивлению усталости в продольном на­ правлении, а коэффициент выносливости в поперечном направ­ лении немного выше, чем в продольном. Фриш нашел, что вклю­ чения в катаных легированных сталях, по-видимому, не влияют на сопротивление усталости сталей, если их прочность при рас­ тяжении составляет не более 94,2 кГ/мм2. Если повысить проч­ ность при растяжении до 125,6 кГ/мм2, то включения несколько уменьшают сопротивление усталости в поперечном направлении, а при овр = 172,7 кГ/мм2 как в продольном, так и в поперечном направлении, сопротивление усталости «снижается значительно (см. табл. 82). Недеформируемые сферические кремнистые вклю­ чения оказывают наиболее заметное влияние на сопротивление усталости сталей, выплавленных в основной электродуговой печи.

Кенсом и Мел [110] показали, что наличие включений в хромоникелемолибденовой стали SAE 4340 больше влияет на сопро­ тивление усталости в поперечном направлении, чем в продоль­ ном. Они нашли, что понижению сопротивления усталости в попе­ речном направлении сопутствует понижение пластичности в этом

же направлении и это связано с наличием включений вытянутого типа; при вакуумной выплавке стали, которая в основном свобод­ на от включений, сопротивление усталости в поперечном направ­ лении увеличивалось на 50% и достигало значения почти равного пределу усталости в продольном направлении [111]. Стьюворт и Уильямс [112] исследовали влияние включений при испытаниях на изгиб и на кручение. Они нашли, что для относительно мяг­ ких сталей (Овр = 62,8 кГ/мм2) наличие продольных включений не влияет на сопротивление усталости при изгибе в продольном направлении, но снижает его при кручении на 20—25%. Это дает в результате необычно низкие значения отношения сопротивле­ ния усталости при кручении к сопротивлению усталости при из­ гибе. Важность значения размера включений была продемонст­ рирована Камминксом, Штуленом и Шультом [113] на результа­ тах многих испытаний на усталость низколегированных сталей SAE 4340 и 4350 с овр = 94 и 212 кГ/мм2.

Включения имели сферическую форму диаметром до 0,076 мм. При небольших размахах напряжения усталостные разрушения распространяются от единичных включений диаметром больше 0,025 мм, а долговечность при данном размахе напряжения была обратно пропорциональна размеру включения. Не было получено

62

простой зависимости между размером включения и долговечно­ стью при больших размахах напряжения, потому что образцы разрушались в результате образования нескольких трещин.

Влияние включений на предел усталости ряда сталей с овР = *= 196 кГ/мм2 исследовалось Аткинсоном {662]. Он пришел к вы­ воду, что включения нельзя оценивать только по размеру, но что также должны учитываться их число и форма. Поэтому Аткинсон ввел метод подсчета ч!исла и формы включений по Файрею и по­ казал, что эти факторы можно связать с сопротивлением уста­ лости.

Епримен и Мел [114] исследовали зависимость между метал­ лургическими факторами и статистическим отклонением уста­ лостных свойств. Их результаты по испытаниям стали SAE 4340 и армко-железа показали, что разброс в усталостной долговеч­ ности и пределах усталости больше зависит от содержания вклю­ чений, чем от состава стали или термообработки. Поэтому можно было бы ожидать, что разброс для стали при вакуумном плав­ лении будет меньший, однако оказалось, что хотя сопротивление усталости заметно повышается, разброс остается прежним [98, 115]. Стейри [115] отнес разброс к местному увеличению слабых площадок в структуре и считал, что, кроме включений на раз­ брос, могут влиять местные выделения свободного феррита, ос­ таточного аустенита и внутренние напряжения.

Влияние процесса изготовления на сопротивление усталости исследовалось в последнее время Фишером и Шихеном [661] для легированной стали SAE 4340, термообработанной до овр = 180,5 и 220 кГ/мм2. Результаты показали, что наличие больших вклю­ чений было вредным, хотя четкой зависимости между размером включения и сопротивлением усталости не было получено. При вакуумной выплавке сопротивление усталости увеличилось, но наиболее высокое его значение было получено при плавке в от­ крытых индукционных печах с восстановлением сначала угле­ родом, затем алюминием. После закалки в масле при темпера­

туре 843° С и отпуска			при температуре 204° С		предел устало­
сти	составлял	103,6	кГ/мм2 при	50% выживания		на базе
107	циклов.		что такого	значения предела		усталости
Авторы полагают,
можно достичь		для любого металла, однако			это утверждение

можно оспаривать в отношении медистых сталей для вкладышей подшипников.

Ориентированность. Сравнение сопротивления усталости ста­ лей в продольном и поперечном направлениях показало, что различие пределов усталости в этих двух направлениях может оказаться значительным для сталей приблизительно одной и той же прочности за счет наличия включений и ориентации зерен, вводимой обработкой. Результаты, полученные Фришем [92] для сталей с овР = 173 кГ/мм2, показали снижение сопротивления

усталости в поперечном направлении от 21 до 36% при обжатии до 86% от слитка до стержня и на 41% при обжатии на 95%.

Было также установлено, что ориентированность больше про­ является вблизи поверхности слитка, чем в центре, где материал менее деформирован [116].

					Т а б л и ц а 5
П онижение сопротивления устал ости стал и в поперечном
направлении
Предел усталости			Среднее понижение	Число испытаний,	Максимальное
в продольном			предела усталости
направлении			в поперечном	для которого взято	приведенное пони­
в кГ/ммг			направлении в %	среднее значение	жение в %
Д о	31,5		15	15	26
31,5	до	47,1	17	16	31
47,1	до	62,8	20	23	45
С вы ш е		62,8	29	13	41

Фриш [92] привел результаты других исследователей, которые показали, что вообще сопротивление усталости в поперечном на­ правлении уменьшается с возрастанием прочности стали. Среднее

и максимальное значение наблю­

даемых изменений,

включающие

его собственные

и

некоторые

другие результаты [110, 111, 116,

117, 118], показаны в табл. 5.

Сопротивление усталости про­

волоки и влияние холодной обра­

ботки.

Усталостные

свойства

патентированной

стальной

про­

волоки были исследованы Гимом

Рис. 31.

Вли яни е сод ерж ан и я

у г­

и Гудейкри [119].

Они

показали,

что сопротивление

усталости

су­

л ер од а

на

предел усталости

при

щественно зависит

от

состояния

изги бе

с

вращ ен и ем проволоки

(п р отян у та

из

охл аж д ен н ого

в

поверхности.

Если обезуглеро-

свинце

п атен ти рован н ого обезуг-

женный

поверхностный

слой

не

л ерож ен н ого п р у т к а):

удален,

то

сопротивление

уста­

Обжатие

1 — 85%; 2 — 80%; 3 — 75%;

лости практически не зависит от

4 — 50%; 5 — 25%;

6 — патентирова-

ние

содержания

углерода

и

снижа­

ется при

обжатии

свыше

75%

(рис. 31). Если обезуглероженный слой был удален перед воло­ чением, то сопротивление усталости растет как при увеличении

содержания углерода, так и с увеличением	степени обжатия
(рис. 32).
Улучшение сопротивления усталости' сопровождалось неко­
торым снижением коэффициента выносливости	(рис. 33), что яв-

64

ляется типичным при холодной обработке стали прокаткой или волочением, так как сопротивление усталости повышается не в такой степени, как прочность при растяжении (116, 120, 121]. Ана­ логичные результаты получили на углеродистой стальной прово­ локе Шелтон и Свейнгер [122] и Гудфрей (123]. В дальнейших испытаниях Гилл и Гудшкри показали, что сопротивление уста­ лости патентированной стальной проволоки может быть улучшено на 20% при температуре от­ пуска 150 или 200° С.

Рис. 32. В ли яни е

сод ерж ан и я

у г­

Рис. 33. Вли яни е процента

о бж ати я

(отл ож ен

по

оси

абсц и сс)

на

л ер о д а

на

предел

устал ости

при

относительны й

предел

усталости

и зги бе

с

вращ ен и ем

проволоки

проволоки,

протянутой

из

о х л а ж ­

(п р отян у та

из охл аж д ен н о го

в

денного в

свинце п атен ти рован н о ­

свинце

п атен ти рован н ого

прутка,

го

прутка,

н еобезуглерож ен н ого:

обезу гл ер ож и ван и е

о тсу тству ет

/ —

0,36%

С;

2 — 0,55%

С;

3 —

[119].

(О бозн ачен и я

см.

рис.

31)

0,79%

С

Хрупкое разрушение и усталость. В некоторых случаях про­ исходит хрупкое разрушение стали в процессе нагружения, без повторного действия напряжения; в этом случае разрушение от­ личается от усталостного. Такие хрупкие разрушения представ­ ляют большой практический интерес, так как приводят к ката­ строфическим последствиям. Они наиболее вероятны в деталях больших размеров и конструкциях, как результат ударного на­ гружения, особенно при низкой температуре [656].

При хрупком разрушении металл либо раскалывается по зер­ нам, либо по границам зерен. Если предел текучести металла ниже напряжения, вызывающего хрупкое разрушение, то разру­ шение будет пластическим, как показано на рис. 34, а, в против­ ном случае произойдет хрупкое разрушение (рис. 34, б). Такая точка зрения является упрощенной и не объясняет механизма, управляющего хрупким разрушением (124].

Чувствительность к хрупкому разрушению возрастает с паде­ нием температуры и с ростом скорости деформации, так как эти условия в большей степени повышают предел текучести, чем на­ пряжение хрупкого разрушения. Наличие надреза также повы-

5 Заказ 893

65

шает вероятность хрупкого разрушения,

потому

что

трехосное

вблизи надреза, снижает отношение напряжения

среза

к нор­

мальному напряжению. Испытания на удар, при которых

надре­

занные образцы разрушаются от ударной нагрузки,

предназна­

чаются для того, чтобы выявить

склонность к хрупкому

разру­

шению.

При проведении испытаний на удар

яри

различных

темпе­

ратурах можно

определить переход от хрупкого

к пластичному

разрушению; этим измеряется склонность металла

к хрупкому

разрушению.

усталостные

раз­

б

Так

как

рушения

происходят

при

не­

____

Г" Разруш ение

значительной общей

деформа­

Ъ ^ н а з р у ш е н ц е

ции,

то можно

предполагать,

'2

что

стали,

чувствительные

к

хрупкому

разрушению,

будут

иметь

пониженное сопротивле­

ние усталости. Однако

попыт­

»)

6)

ки установить соответствие по­

Рис. 34. Сопротивление хрупкому раз­

казали, что это не так. Напри­

мер,

при

сравнении

двух

ста­

рушению (1) и

кривая растяже­

лей с авр =

94 -5-102 кГ/мм2; од­

ния

(2):

а — для пластичного материала; б — для

на, практически

свободная

от

хрупкого

материала

фосфора,

после закалки

и от­

пуска

имеет

переходную

тем­

пературу по ударной вязкости — 88° С,

а

другая,

содержащая

0,06%

фосфора и термообработанная, имеет переходную

темпе­

ратуру

+ 130° С [125].

при

нор­

Усталостные испытания обеих сталей проводились

мальной температуре на гладких образцах и на образцах с над­ резом (а = 3,4), результаты отличались незначительно. Подоб­ ные результаты были получены при испытаниях стали с 1% Сг при нормальной температуре и при —37° С [126].

Возможно, что разница между сопротивлением усталости ста­ лей в этих экспериментах была бы найдена при низких темпера­ турах. Однако из имеющихся данных по сопротивлению устало­ сти сталей при низких температурах видно, что усталость не влияет на охрупчивание, если температура не очень низка.

Снижение как прочности на растяжение, так и сопротивления усталости стали и цинка отмечали Мак-Кеммон и Розенберг [127], но только при температуре ниже 183° С.

Другой аспект интерпретации хрупкого разрушения и уста­ лости заключается в том, что действие циклических напряжений может повысить склонность к хрупкому разрушению. При отсут­ ствии усталостных трещин это влияние незначительно [128], но как только трещина образовалась, то сопротивление хрупкому разрушению значительно снижается.

Разрушение от	статической	усталости.	Стали	с овр >
> 125,6 кГ/мм2 могут разрушаться		после длительного		действия
статической нагрузки.	Это свойство известно		как замедленное

разрушение или длительное статическое разрушение, но этот про­ цесс совершенно отличается от процесса усталости, происходя­ щего при переменном напряжении. Эффект особенно заметен на гальванизированных сталях, и поэтому полагают, что разрушение происходит в результате водородного охрупчивания [129, 670].

Литая сталь. Сопротивление усталости литой стали обычно ниже, чем кованой стали одной и той же прочности на растяже­ ние, но литая сталь часто менее чувствительна к надрезам, и пределы усталости кованой и литой сталей при концентрации на­ пряжений могут различаться незначительно. Это иллюстрируется сравнением усталостных свойств литой и кованой сталей, прове­ денным Ивенсом, Эбертом и Бриггсом (табл. 6).

			Т а б л и ц а 6
Коэффициенты выносливости литых и кованых сталей [130]
Образцы			Сталь
		кованая	литая
Без надрезов из стали:
углеродистой	. .	0,48	0,40
низколегированной		0,55—0,60	0,42—0,50
С надрезами из углеродистой		и низколеги­	0,27—0,32
рованной стали		0,27—0,32

Авторы отметили, что у литых сталей сопротивление устало­ сти может снижаться далее при чистовой обработке поверхности

иобезуглероживании, но ориентированность, вероятно, не долж­ на значительно проявляться.

Чугун. Чугун, как и сталь, обычно имеет определенный пре? дел усталости; отношение предела усталости к пределу прочно­ сти при растяжении приблизительно равно половине для низких

исредних прочностей и уменьшается при высокой прочности. Однако чугун отличается от стали и других металлов относи­ тельно малой чувствительностью к надрезам при циклических напряжениях. Это объясняется наличием графитных включений, которые являются концентраторами напряжения, так что допол­

нительный эффект механического надреза меньше влияет, чем в других металлах. В чугунах с глобулярным графитом включе­ ния являются менее сильными концентраторами, в результате сопротивление усталости таких чугунов выше, но они более чув­ ствительны к надрезам.

5*

Сопротивление усталости чугуна рассматривалось Морро [131] и Енгасом [676].

Большинство доступных данных по усталости относится к чугунам с пластинчатым графитом; имеются некоторые данные для чугунов с глобулярным графитом и относительно небольшие для ковких чугунов. На рис. 35 для ряда чугунов нанесен предел усталости при изгибе в зависимости от предела прочности на ра­ стяжение. Из рисунка видно, что сопротивление усталости гло­ булярных чугунов обычно выше, чем пластинчато-графитовых с одним и тем же пределом прочности при растяжении.

Рис. 35. Зависимость между пределом усталости при изгибе с вращением и временным сопротивлением на разрыв чугуна, основанная на пределе усталос­ ти или разрушении за 107 циклов:

1 — коэффициент выносливости 0,5; 2 — коэффициент выносливости 0,35; 3 — пластин­

чатографитный чугун; 4 — глобулярный	чугун;	5 — ковкий чугун; 6 — стальное литье;
7 —	поковки	из стали

Прочность при растяжении и сопротивление усталости чугу­ нов могут быть улучшены термообработкой. Нормализация обыч­ но дает тонкую перлитную структуру, которая лучше, чем ча­ стично ферритная структура, иногда встречающаяся в литом материале. Сопротивление усталости глобулярного чугуна с пер­ литной структурой увеличивают нормализацией, однако при на­ личии концентрации напряжений сопротивление усталости не увеличивается [132]. Предел прочности на растяжение глобуляр­ ного чугуна можно повысить до 157 кГ/мм2 упрочнением и тер­ мообработкой; эти операции повышают сопротивление устало­ сти, но снижают коэффициент выносливости и увеличивают чув­ ствительность к надрезу [133].

Сопротивление усталости сплавов цветных металлов

Алюминиевые сплавы. Из-за большого значения алюминие­ вых сплавов в самолетостроении на их усталостные свойства обращается большое внимание. Обзор опубликованных данных 68

был сделан Форрестом [87] и Темплином [134], большое количе­ ство данных собрано Гровером, Гудманом и Джексоном [135].

Алюминиевые сплавы можно разделить на две группы: спла­ вы низкой и средней прочности, на свойства которых в основном влияют легирующие элементы в растворе, и сплавы высокой прочности, подвергающиеся специальной термообработке для по­ лучения высокой прочности при выпадении упрочняющих фаз, т. е. при упрочнении старением. Для первой группы предел уста­ лости при растяжении оказался достаточно высоким. Кривые ва — N для этих материалов имеют тенденцию становиться го-

fa

Рис. 36. Кривые сга — N			для алюми­	Рис.	37. Кривая	оа — N для алю­
ниевых сплавов			[136].	миниевого сплава 75S-T6					[137].
Алюминиевый	сплав: /	— алюмнниево-		Точка	1 — временное		сопротивление
4'/4%-ный медный сплав,		полностью тер­		на разрыв; Точка 2 — предел текуче­
мообработан;	2 — 6%-ный		Zn, 2'/2%-ный	сти (10,2% допуск)		57	и	63,5	кг!мм7\
Mg, 1 '/2 % Си, полностью		термообработан;		• — разрушение,		90 цикл/мин\			о —
3 — алюмнннево-	6%-ный		магниевый	разрушение, 10600		цикл/мин\			О-* —
сплав: 4 — ЭЭ’/^/о-лый алюминий					образец не разрушился
ризонтальными прямыми при больших долговечностях;								алюми­

ниево-магниевые сплавы могут иметь выраженный предел уста­ лости.

Наклон кривых оа — N для сплавов, упрочненных старением, при увеличении числа циклов не уменьшается; их пределы уста­ лости малы по отношению к прочностям при растяжении. Разни­ ца в наклоне кривых оа — N для различных типов алюминиевых сплавов показана на рис. 36.

Обычно наблюдается большой разброс в результатах для более прочных сплавов. Оберг [137] показал, что кривая оа — N для алюминиево-цинково-магниевого сплава в конце концов на­ чинает спадать слабее (рис. 37); три образца, которые не разру­ шились после 7 - 109 циклов, были испытаны вновь при более вы­

соком	уровне напряжения. Число			циклов до	разрушения при
высоком уровне		напряжения	для	каждого из		трех образцов
было	выше, чем для образцов		предварительно			не напряжен­
ных. Очевидно,		имея в виду эти результаты,			для большинства

69

практических целей предел усталости этих сплавов следует опре­ делять на базе 108 циклов.

Зависимость между пределом усталости (база 108 циклов) и прочностью на растяжение показана на рис. 38. Видно, что коэф­ фициенты выносливости для низкопрочных кованых сплавов сравнимы с коэффициентами выносливости низкопрочных сталей (см. рис. 28), но наблюдается небольшое увеличение сопротивле­ ния усталости с увеличением прочности на растяжение выше 31 кГ/мм2.

Алюминиево-медные сплавы более низкой прочности [такие, как L65 (DTD364) и американский сплав 24S] имеют сопротив-

0

19

38

5 7

76 б$ркГ/мм*

Рис. 38. Зависимость между пределом усталости при изгибе с вращением и временным сопротивлением на разрыв алюминиевых сплавов на базе 10® циклов:

X — кованые сплавы; о — литые сплавы; / — коэффициент выносливости 0,5; 2 — коэффициент выносливости 0,35

ление усталости, сравнимое с сопротивлением сплавов Al-Zn-Mg

[138]. Предполагают,			что	пониженные		усталостные		свойства
и непрерывное падение кривых а — N,					упрочненных			старением
сплавов, вызывается			переостариванием,		ускоренным			действием
циклических		напряжений;		в подтверждение этих			соображений
имеются некоторые доказательства [139—141].								влияет в
На сопротивление усталости алюминиевого сплава
некоторой	степени процесс			изготовления.		Одним	из	факторов,
влияющих	на	сопротивление усталости,				является		структура

слитка и его размер. Например, сопротивление усталости образ­ цов, вырезанных из болванок диаметром 100 мм, было на 15% ниже, чем для образцов, вырезанных из болванок диаметром менее 50 мм [87]. Вообще сопротивление усталости изделий, по­ лученных горячей штамповкой, выше^ чем сопротивление устало­ сти кованых изделий подобного состава. Влияние размера зерна неопределенно, но имеются некоторые доказательства того, что с уменьшением зерна сопротивление усталости возрастает [87].

70

В этой же работе отмечено, что неметаллические включения влияют на сопротивление усталости алюминиево-магниевых спла­ вов так же, как на сопротивление усталости высокопрочных ста­ лей [668].

Вейсман и др. (142] исследовали влияние пороков в прокат­ ной плите сплава 7075 (Al-Zn-Mg) после термообработки при испытаниях на пульсирующее растяжение образцов диаметром

12,75 мм. Наличие больших дискообразных трещин

длиной от

2,5

до 5 мм мало влияло на сопротивление усталости образцов,

вырезанных

по

направле­

6.,

нию прокатки,

но снижало

сопротивление

усталости

в

поперечном

направлении

на

20%, а если трещины были

на поверхности — то на

30—40%.

Такое

поведение

является

исключительным,

*т

i

, /v

.+

однако установлено, что

на

мм*

сопротивление

усталости

алюминиевых

сплавов

ори­

7,5

%

ентированность

влияет

ма­

ло

(143].

(87} установил,

Форрест

0

что

разница между

значе­

10 20 30 50

50

60

70 80 F%

ниями сопротивления

уста­

Рис. 39. Влияние холодной обработки

лости в продольном и попе­

на ограниченный предел усталости и

речном

направлениях

со­

коэффициент выносливости

термиче­

ставляет

не более

10%.

ски

необработанных

алюминиевых

Сопротивление

устало­

сплавов [87] F — обжатие:

сти

/ — сплав

A!-MgNS4;

2

—

технически

алюминиевых

сплавов

чистый алюминий; 3 — сплав

A1-MBNS3

низкой и средней прочности

может увеличиваться

при холодной

обработке

(рис.

39), од­

нако после холодной обработки сплавов,

упрочненных

старени­

ем, сопротивление усталости не увеличивается.

Усталостные свойства литых алюминиевых сплавов были ис­ следованы Темплином (144]. Способ отливки в основном не влия­ ет на сопротивление усталости; однако при непрерывном литье и литье под давлением усталостные свойства несколько повы­ шаются. Зависимости между пределами усталости и прочности на растяжение для литых и кованых сталей показаны на рис. 38. Значительное количество данных опубликовано по усталостным свойствам листового алюминия (135].

Сравнение пределов усталости листов и штампованных про­ филей приведено в табл. 7.

Магниевые сплавы. По усталостным свойствам магниевых сплавов имеется много опубликованных данных (135, 145, 146]. Эти сплавы обычно не имеют определенного предела усталости,

71