книги / Циклическая прочность металлов

будут описаны ниже) позволяют находить только приблизитель­ ную величину предела усталости и никак не могут заменить со­ бой метод Вёлера.

Весьма большой выигрыш времени при определении предела* усталости металлов дают экспериментально-аналитические ме­ тоды (они будут описаны также ниже), но они заключаются в ис­ пользовании при экспериментировании аналитических формул, а потому сравнивать их по затрате времени вообще с экспери­ ментальными методами нельзя.

Большое значение в отношении продолжительности экспери­ ментального (классического) метода определения предела уста­ лости металлов, а также в части получения точных результатов испытаний имеют, помимо тщательности изготовления и контроля образцов, еще два фактора, а именно: подготовка машины к испы­ таниям и выбор базы испытаний. Подготовка машины к испы­ таниям заключается в приведении ее в состояние, годное для дли­ тельной и надежной работы. С этой целью проверяется чувстви­ тельность машины, состояние ее захватов, надежность крепления в ней образцов, состояние нагрузочного и силоизмерительного устройств, состояние и надежность действия автомата для оста­ новки машины.

Степень чувствительности каждой машины является харак­ теристикой ее конструкции, с которой она выпускается заводом. Чувствительность определяется величиной того наименьшего груза, который еще вызывает отклонение силоизмерительных ее приспособлений. Чувствительность машины зависит от трения в цапфах, трения поршней, сопротивления амортизаторов и т. д. Чем чувствительнее машина, т. е. чем меньше контрольный груз

еечувствительности, тем она совершеннее по своему назначению. Состояние захватов машины, а также надежность и правиль­

ность крепления образцов в этих захватах являются осо­ бенно важными в работе каждой машины, так как от этого зависит степень точности получаемых результатов испытаний.

Каждый образец, устанавливаемый в машине, должен быть обязательно проверен инструментально, с помощью специальных индикаторов, на биение с тем, чтобы величина этого биения не превышала нормально допустимой для данной машины (по ее паспорту) ни до пуска машины, ни во время работы машины под нагрузкой.

Величина допустимого биения образца назначается заранее для каждой машины при ее выпуске с завода и является важной кон­ структивной характеристикой машины. Часто большое биение об­ разца в машине зависит не от конструкции захватов машины (гнезд шпинделей, цанг и пр.), а от неправильной установки его (образца) в захватах’, и на это обстоятельство нужно всегда обращать вни­ мание. Достаточно допустить хотя бы небольшое смещение оси образца относительно оси вращения шпинделей, как от полу­ чившегося эксцентрицитета нагрузка на образец и связанные

с ним вращающиеся массы оказываются неуравновешенными; появляются центробежные силы, которые вызывают вынужденные колебания образца и дополнительные вследствие этого напряже­ ния в нем, иногда значительной величины. Подсчитано, например, что перекос образца всего лишь на 0,1 мм вызывает в некоторых случаях дополнительные напряжения в нем, величина которых

достигает до	20% от основных	напряжений.		должна допу­
По ГОСТу 2860-45 конструкция захватов не
скать биения	образцов больше	чем ±0,03	мм	для	длинных
образцов (226—234 мм) и ±0,05		мм для	коротких		образцов
(90 мм).

Предварительная проверка каждого образца на биение про­ изводится индикатором в плоскостях нагружения его при мед­ ленном (от руки) вращении захвата с закрепленным образцом. Поворотом образца в захватах добиваются возможно наимень­ шего биения. Окончательное биение образца замеряют при рабо­ чем режиме машины.

Вторым важным фактором, характеризующим процесс экспе­ риментального определения предела усталости материалов, яв­ ляется, как было указано выше, база испытаний, т. е. то наиболь­ шее число грузовых циклов, которое должны выдерживать образ­ цы испытываемой серии, не разрушаясь, при напряжении, равном пределу усталости их.

Основанием для выбора базы испытаний служит положение о том, что если образцы испытываемой серии, изготовленные и обработанные определенным заданным способом, при напряжении, равном пределу усталости их, выдержали число циклов, равное принятой базе испытаний, то такие образцы, как правило, уже не разрушатся и при всяком другом число циклов, большем базы, в том числе даже и при неограниченно большом числе их.

При Изучении циклической прочности стали на образцах диа­ метром 7—Ю мм базу испытаний принимают чаще в 10 10е циклов; специальные исследования в этом направлении показы­

вают, что образцы, выдержавшие 10	10е циклов,	уже не дают
изломов при дальнейшей своей работе	при напряжении, равном
пределу усталости их. Однако во многих случаях		наблюдается,
что стальные образцы диаметром 7—10 мм при		напряжении,
равном пределу усталости, не дают	изломов уже	после 5 •106

циклов; па этом именно основании за базу испытаний принимают

иногда 5 .Ю 6 циклов, особенно для сталей низко- и среднеуглеродисты*.

По ГОСТу 2860-45 рекомендуется при определении предела усталости стальных образцов принимать базу испытаний в 5 Ю 6 циклов, а дЛЯ образцов из легких литых сплавов — в 20 Ю6 циклов, и только для сталей, вновь применяемых для конструк­ ций, длительность работы которых на практике может значительно превышдть 5 •106 циклов, база испытаний должна быть увели­ чена до Ю .106 циклов.

При испытаниях сталей легированных и подвергнутых улуч­ шению следует, как правило, принимать базу испытаний тоже в 10*10® циклов.

Уместно отметить, что в практике испытаний известны случаи, хотя и редкие, когда отдельные стальные образцы при напряже­ ниях, равных или близких к пределу усталости, ломаются и после 10 - 10е циклов; однако такие случаи нужно рассматривать как^ исключительные, объясняемые чаще всего специфическим состоя­ нием материала, сдерживающим развитие трещины усталости, а потому влияние таких случаев на выбор величины базы испы­ таний принимать во внимание не следует.

Наблюдения над усталостным разрушением стальных образ­ цов больших диаметров (30—80 дж), а также конструкций в их натуральную величину, таких, например, как коленчатые валы, вагонные оси и т. п., показывают, что они разрушаются чаще дсего после весьма большого числа грузовых циклов (в десятки д даже сотни миллионов). Поэтому и базы испытаний их прини­ маются соответственно большие. Например, в США для цик­ лических испытаний железнодорожных осей принято брать базу

в	85*10® циклов [88].
	Для нахождения предела усталости цветных сплавов прини­
мают базу		испытаний в 50—100 •Ю6 циклов, увеличивая ее
в	некоторых	случаях.

Для испытаний деревянных, каменных и железобетонных конструкций принимают условную, чаще всего такую базу: для деревянных конструкций 5*10® циклов, для каменных, бетонных и железобетонных конструкций 2*10® — 3*10® циклов.

Как было выше отмечено, процесс экспериментального опре­ деления предела усталости стали (на образцах) является процес­ сом продолжительным; для этого нужно, как правило, изготовить серию совершенно одинаковых образцов в 8—12 шт. и все их подвергнуть испытанию на одной и той же машине. На это при базе испытаний в 10*10® циклов обычно требуется 150—170 час., не считая времени, уходящего на подготовку машины для испы­ таний, на установку образцов в машину и на различные перерывы в работе машины между последовательными испытаниями образцов.

Однако это потребное для определения предела усталости стали время можно несколько сократить, а также можно несколько уменьшить число нужных для этого образцов в зависимости от того, насколько хорошо продумана и разработана методика испытаний и, в частности, от того, какой величины принята нагрузка на первый образец и какая последовательность приня­ та в нагружении следующих образцов.

В этой части механические лаборатории разрабатывают обыч­ но свои методические приемы, по тем или другим соображениям их наиболее устраивающие.

Некоторые лаборатории на первый образец (образец № 1) дают нагрузку, вызывающую в нем напряжение, равное 2/з от

предела прочности материала, т. е. напряжение заведомо боль­ шее отыскиваемого предела усталости

	< 4 =	~Y о в >	Gy.
При таком	напряжении	образец	ломается после	циклов.
Напряжения	на следующие	образцы	(№ 2, 3, 4 и т. д.) назна­

чаются равномерно уменьшающиеся на 1—2 кг/мм2, и для этих образцов определяются все увеличивающиеся количества циклов до их фактического излома, т. е. Nx < N2< N3 < iV4 и т. д. При каком-то аП1 наконец, образец не ломается, и это напряжение будет, очевидно, близко к искомому пределу усталости. Для уточнения величины последнего испытывают еще 2—3 образца при напряжении <тп, затем при напряжении, несколько меньшем ап, чаще всего при среднем напряжении между оп и предыдущим crn- i, а также иногда при напряжении, несколько большем оп.

При этом, как обязательное правило, использование несломавшихся образцов для испытаний при более высоких и даже при бо­ лее низких напряжениях допускать нельзя.

Уточнение величины определяемого предела усталости яв­ ляется весьма ответственным этапом эксперимента, и некоторые лаборатории для этого разрабатывают свою методику. Чаще всего напряжение ап принимается за предел усталости испытываемой серии образцов тогда, когда разность (сгп—on-i) не превышает 0,1оп и во всяком случае не больше 1 кг/мм2.

Описанный здесь прием определения предела усталости хотя и является логически последовательным и правильным, но он требует большего количества образцов сравнительно с другими методическими приемами.

Другой прием для определения предела усталости стали, тоже часто применяемый в механических лабораториях, состоит

в следующем. Образец № 1					ставится в машину с напряжением
заведомо большим,				но на немного,		искомого предела		усталости;
обычно		для	этого	достаточно		назначить	ог ^ 0,5сгв. При
этом	напряжении образец				ломается. Напряжение			на образец
№ 2	берется несколько меньшим (на 1—2 кг/мм2), чем в образце
№1,	но	оно	тоже	должно	быть	больше	предела	усталости,

чтобы и этот второй образец ломался. Таким образом уста­ навливается более или менее определенно напряжение, хотя

ибольшее, но близкое к пределу усталости исследуемой серии. Напряжение на образец № 3 назначается заведомо меньшее, хотя

ина немного, предела усталости, с тем чтобы этот третий образец не ломался. Это напряжение может быть меньше напряжения на образец № 2 на 4—6 кг/мм2', напряжение на образец № 4 на­

значают большим, чем на образец № 3, с тем чтобы он все же не ломался. Таким образом, с помощью четырех образцов в боль­ шинстве случаев удается нащупать границы, в которых лежит искомая величина предела усталости. Испытанием еще 3—4

образцов с напряжениями в этих границах удается обычно доста­ точно точно установить предел усталости испытываемой серии

образцов.

Как показывает опыт, этот второй прием позволяет сократить число образцов, нужных для точного определения предела уста­ лости, и в связи с этим позволяет несколько сократить стоимость и продолжительность описываемых экспериментальных работг.

Иногда предел усталости исследуемой серии образцов удается с необходимой точностью установить вообще на сравнительно весьма малом количестве обр 13цов. Это обычно бывает при научно-экспериментальных исследованиях сравнительного харак­ тера, например таких, как из ,гчение влияния на циклическую прочность стальных изделий параметров режима резания: ско­ рости резания, продольной подачи резца и т. д. Положим, что

при заданной скорости	резания, соответствующей, например,
1010 об/мин, у стали (в	образцах) найден одним из описанных
выше приемов о__i = 23,5	кг/мм21. Тогда для определения предела

усталости той же стали при другом числе оборотов, напримерг при 1420 об/мин, при одинаковых всех прочих параметрах, доста­ точно будет испытать только 3—4 образца, так как предел уста­ лости в этом случае будет не намного отличаться от найденного ранее.

Ускоренные экспериментальные методы определения предела усталости металлов будут описаны ниже.

Обработка результатов испытаний для определения предела усталости является также важным этапом исследований. Методы этой обработки могут быть различные в зависимости от цели проводимого исследования. Укажем здесь на некоторые обще­ принятые положения в этой области.

По ГОСТу 2860-45 рекомендуется результаты испытаний за­ носить в протокол, составляемый по форме, приведенной в табл. 10 (когда образцы испытываются на изгиб при вращении).

Многие механические лаборатории вырабатывают для этой цели свои приемы. Можно привести как пример форму2 прото­ кола-карточки для определения предела усталости каждой ис­ следуемой серии образцов.

Эта форма по своей универсальности пригодна для любой темы по изучению циклической прочности металлов (стали), так как содержит данные по многим вопросам, могущим понадо­ биться при обработке разных тем.

Наиболее ответственной частью обработки результатов экс­ периментальных исследований является составление соответствую­ щих таблиц, графиков и диаграмм. Таблицы и графики состав­ ляются. обычными способами в соответствии с их целевым на-

1 Этот прием принят в лаборатории динамической прочности Куйбы­ шевского индустриального института.

2 Эта форма была принята в лаборатории динамической прочности Куйбышевского индустриального института.

Протокол №--------

испы таний для определения предела усталости при изгибе

вращ аемого образца	(на м аш инах ти п а Ш е н к)
Дата испытаний------------------------------------
Шифр образца------------------------------------	Материал------------------------

Число оборотов образца в минуту------------------------------------

Характеристика		Время испытания
	образца
№	Диаметр в м м Начало Конец

Показания	Напряже­	Число
	ние образ­	циклов до	Примеча­
счетчика	ца	конца ис­
при замере	в кг/мм*	пытания	ние

Предел усталости------------------------------------	кг/мм2
Испытания проводил---------------------------	(подпись)
Начальник лаборатории--------------------------	(подпись)

значением; многие примеры таких таблиц и графиков приведены в дальнейших главах настоящей книги.

Общепринятым графическим изображением зависимости между напряжениями (а) в образцах и числом соответствующих разру­ шающих циклов (N) является диаграмма усталости (диаграмма выносливости). Такая диаграмма строится вручную для каждой исследуемой серии образцов; она различна для каждой серии образцов и является графической характеристикой их цикличе­ ской прочности. Диаграмма усталости может быть, по получен­ ным экспериментальным данным, построена несколькими спосо­ бами, но во всех случаях она строится в прямоугольпых коорди­ натах, причем ординаты диаграммы зависят от напряжений в об­

разце, а абсциссы — от	числа грузовых циклов, действующих
на образец.	диаграмму о — N, или диаграмму Вё­
Первый способ дает

лера (кривую Вёлера); на вертикальной оси этой диаграммы откладываются в масштабе наибольшие напряжения (в кг/мм2) в образцах испытываемой серии; на горизонтальной оси откла­ дываются, тоже в масштабе, количества циклов, при которых испытываемые образцы дают усталостные изломы. Полученные точки соединяются плавной кривой, которая всегда состоит ив двух участков: первого участка, круто нисходящего, и второго

g*

115

КУЙБЫШЕВСКИЙ		Тема
ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ
ЛАБОРАТОРИЯ		Научный руководитель			Исполнители
динамической прочности				...............................
ПРОТОКОЛ-КАРТОЧКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА УСТАЛОСТИ				серии № -------------	для	стали
Сталь (марка)--------------------------------------------------	Завода--------------------------------
Химический состав стали-------------------------------------------------------
Микроструктура стали------------------------------------	Рентгенография------------------------------------
Заготовки для образцов в виде--------------------------		Плавка № -----------------------		Твердость	--------------------------	(по	-------------------)
Статическая прочность (растяжение на машине--------		): ств =	а т ; --------- ---------	=	; 6 = ---------	%; ф = --------	%.

Механическая обработка образцов

Число оборотов в мин. Скорость резания в

м /м и н

Глубина в м м Число проходов Подача в мм/об

Толщина последней стружки в мм

UwpTQa ттг

Класс чистоты образцов по ГОСТу

Разные отметки

Термохтшческая обработка образцов	Заметки по испытанию на усталость
Глубина цементованного слоя в мм	Всего в данной серии испытано
	образцов
Закалка
Отпуск	Испытания данной серии проводи­
	лись
	с
2789-59	по

Результаты испы таний

Кривая усталости в координатах

Кривая усталости в координатах

I I I

I I I

Научный руководитель темы: Исполнители:

участка почти горизонтального, асимптотически приближающе­ гося к параллельности с абсциссой (фиг. 58, а).

Постоянная ордината второго участка этой диаграммы, где она становится параллельной оси абсцисс, показывает величину предела усталости испытываемой серии образцов, т. е. то наиболь­ шее напряжение (нормальное или касательное), которое не вы­ зывает их разрушения при любом числе циклов напряжений, или, правильнее, при числе циклов, равном принятой базе испы­ таний. Эту ординату часто приходится назначать несколько условно, так как при испытаниях на базе ограниченного числа циклов (например, 5 10е циклов) иногда может не наблюдаться

Фиг. 58.	Диаграммы усталости металлов	(стали):
а — диаграмма	а — JV; б — диаграмма а — lg N;	в — диаграмма
	lg о — lg N; г — диаграмма а -----^

отчетливого приближения второго участка диаграммы к парал­ лельности с осью абсцисс. Именно поэтому к построению диаграмм о —N прибегают сравнительно редко, несмотря на их наглядность. Эти диаграммы, в частности, как увидим далее, являются про­ стым и вместе с тем достаточным основанием для вывода анали­ тических формул предела усталости металлов и пределов их

долговечности.

Второй способ дает или диаграмму сг—lg N (полулогарифми­ ческую диаграмму), или диаграмму lg о—lg N (логарифмическую диаграмму). Для построения этих диаграмм на оси абсцисс от­ кладываются (в масштабе) логарифмы чисел циклов, разрушаю­ щих образцы испытываемой серии, а на оси ординат—или напря­ жения (в масштабе) или логарифмы этих напряжений (фиг. 58, б я в). Диаграммы эти, и полулогарифмическая и логарифмиче­ ская, получаются похожими по своему виду; каждая из них со­ стоит из двух почти прямых участков, пересекающихся между

собой под тупым углом; у сталей диаграммы эти после перелома имеют обычно горизонтальный участок, параллельный оси аб­ сцисс. Постоянная ордината этого четко выраженного гори­ зонтального участка показывает величину определяемого предела усталости.

У некоторых цветных металлов и их сплавов второй участок диаграммы не является горизонтальным и имеет наклон к оси абсцисс; в этих случаях предел усталости по этой диаграмме может быть намечен только условно, как напряжение, выдержи­ ваемое металлом без разрушения при определенном, заранее заданном числе циклов.

Нередко строят диаграмму а ----

в которой на оси абсцисс

откладываются (в масштабе) величины, обратные числам разру­ шающих циклов (фиг. 58, г). В этом случае величина предела усталости испытываемой серии образцов находится путем про­ должения диаграммы до пересечения с начальной вертикаль­ ной координатой; ордината точки пересечения будет показывать

величину предела усталости.

А

Диаграмма а — сравнительно удобна тогда, когда для опре­

деления предела усталости имеется небольшое число образцов для испытаний; кривую, построенную по небольшому числу точек, в этом случае (достаточно даже трех точек) можно экстра­ полировать и получить величину предела усталости, достаточно близкую к действительности.

Из описанных диаграмм наибольшее применение при изуче­ нии циклической прочности металлов в настоящее время имеют полулогарифмические и логарифмические диаграммы. Они в про­ цессе их построения по данным эксперимента наиболее наглядно показывают существование или, наоборот, отсутствие искомых зависимостей между а и N , предупреждая экспериментатора о на­ личии и необходимости своевременного устранения причин, вы­ зывающих неудовлетворительный ход экспериментирования.

У несимметричных' циклов нагружения существует, как из­ вестно, два предельных напряжения: одно из них обычно равно наибольшему растягивающему напряжению, а другое — наиболь­ шему сжимающему напряжению. Для суждения о циклической прочности металла в этом случае нужно определять предельные напряжения при разных возможных рабочих режимах. Обычно испытания проводят при трех режимах: 1) при симметричном цикле; 2) при знакопеременном несимметричном цикле и 3) при знакопостоянном пульсирующем цикле. Подобные испытания для каждой серии образцов с построением усталостных диаграмм

являются	делом весьма сложным		и	длительным. Поэтому чаще
получают	усталостную	диаграмму		для симметричных циклов,
а при несимметричных		циклах	ограничиваются определением
только предельного напряжения,				наибольшего по величине.