книги / Структура и усталостное разрушение металлов
..pdfВ. М. ГОРИЦКИЙ, В. Ф. ТЕРЕНТЬЕВ
СТ Р У К Т У Р А
ИУ С Т А Л О С Т Н О Е Р А З Р У Ш Е Н И Е М Е Т А Л Л О В
Мо с кв а
«МЕТАЛЛУРГИЯ»
|
Стр. |
Введение |
5 |
Глава |
I. |
|
|
|
|
|
|
|
|
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ |
|
||||||
|
ЦИКЛИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ |
|
||||||
|
И РАЗУПРОЧНЕНИЯ |
|
|
|
7 |
|||
|
МЕТАЛЛОВ |
И СПЛАВОВ |
|
|
||||
|
Циклическое |
упрочнение и |
разупрочнение |
7 |
||||
|
Влияние микроструктуры |
и |
уровня прочности |
|
||||
|
на |
закономерности упрочнения и разупрочне |
|
|||||
|
ния |
при |
усталости |
стадии |
распространения |
11 |
||
|
Микроструктура и |
|
||||||
|
усталостной |
трещины |
|
|
. |
15 |
||
|
Определение предела усталости по деформаци |
|
||||||
|
онным |
критериям |
|
|
|
17 |
||
Г л а в а |
II. |
|
|
|
|
|
|
|
|
ОСНОВНЫЕ |
|
|
|
|
|
||
|
МИКРОМЕХАНИЗМЫ РАЗРУШЕНИЯ |
|
||||||
|
И СОПРОТИВЛЕНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЮ |
19 |
||||||
|
у с т а л о с т н о й т р е щ и н ы |
|
|
|||||
|
Основные микромеханизмы |
разрушения |
20 |
|||||
|
Связь микромеханизма разрушения со скоро |
|
||||||
|
стью распространения |
усталостных трещин |
43 |
|||||
Г л а в а |
III. |
|
|
|
|
|
|
|
ус т а л о с т н а я
по в р е ж д а е м о с т ь
ОДНОФАЗНЫХ |
|
|
58 |
|
МАТЕРИАЛОВ |
|
|
||
Формирование развитой субструктуры в про |
||||
цессе усталостного |
нагружения |
58 |
||
Условия появления |
и |
особенности |
строения |
|
устойчивых |
полос |
скольжения |
65 |
|
Зарождение |
усталостных |
трещин |
77 |
|
Субструктурное разупрочнение |
85 |
Глава IV.
у с т а л о с т н а я |
|
|
ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ И РАЗУПРОЧНЕНИЕ |
|
|
ДИСПЕРСИОННО-УПРОЧНЯЕМЫХ |
90 |
|
СПЛАВОВ |
|
|
Влияние структурной неоднородности старею |
|
|
щих алюминиевых сплавов |
на развитие уста |
|
лостной повреждаемости и |
разрушения |
91 |
Нестабильность структуры и циклическое раз |
|
|
упрочнение дисперсионно-упрочняемыхсплавов |
96 |
|
Некоторые особенности разрушения алюминие |
|
|
вых сплавов |
|
108 |
1* |
3 |
Г л а в а |
V. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
УСТАЛОСТНАЯ |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
п о в р е ж д а е м о с т ь |
|
|
|
|
|
|
|||
|
И СОПРОТИВЛЕНИЕ |
|
|
|
|
ПО |
||||
|
РАЗРУШЕНИЮ |
СТАЛЕЙ |
|
|
|
|||||
|
Структура |
и |
субструктура сталей |
после |
за |
|
||||
|
калки и отпуска . |
|
|
|
|
|
ПО |
|||
|
Образование микротрещин в закаленных и низ- |
|
||||||||
|
коотпущенных сталях |
|
|
|
|
ИЗ |
||||
|
Механическое |
разупрочнение |
|
. |
|
117 |
||||
|
Нестабильность структуры и циклическое раз |
|
||||||||
|
упрочнение дисперсионно-упрочняемых Fe—С- |
|
||||||||
|
сталей . . . |
|
|
. . . |
. |
. |
. . |
119 |
||
|
Влияние |
|
температуры |
отпуска |
на |
развитие |
|
|||
|
циклического разупрочнения закаленно-отпу |
|
||||||||
|
щенной стали |
. |
|
. |
|
|
|
125 |
||
|
Влияние температуры |
отпуска на |
распростра |
|
||||||
|
нение усталостной |
трещины |
|
|
|
128 |
||||
|
Влияние |
температуры |
испытания |
|
. |
|
134 |
|||
|
Фазовая |
нестабильность циклически |
деформи |
|
||||||
|
руемых |
материалов |
|
|
|
|
147 |
|||
Г л а в а |
VI. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в л и я н и е |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ |
|
|
|
|
|||||
|
НА РАЗВИТИЕ УСТАЛОСТНОЙ |
|
|
|
|
|||||
|
п о в р е ж д а е м о с т и и р а з р у ш е н и я |
|
|
152 |
||||||
|
В СТАЛЯХ |
И |
СПЛАВАХ |
|
|
|
||||
Г л а в а |
VII. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ЦИКЛИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ |
|
|
|
|
|||||
|
И ФИЗИЧЕСКИЙ ПРЕДЕЛ |
|
|
|
|
|||||
|
УСТАЛОСТИ |
|
|
|
|
|
|
165 |
||
|
МЕТАЛЛОВ |
И СПЛАВОВ |
|
|
|
|||||
|
Основные теории и представления о появлении |
165 |
||||||||
|
физического предела усталости |
|
|
|
||||||
|
Влияние размера зерна на циклическую проч |
176 |
||||||||
|
ность |
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
Влияние дисперсных выделений карбидов на |
|
||||||||
|
циклическую прочность стали |
|
|
|
178 |
|||||
|
Нераспространяющиеся |
усталостные |
трещины |
180 |
||||||
Г л а в а |
VIII. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ПУТИ И СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ |
|
|
|
|
|||||
|
ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ |
|
|
|
185 |
|||||
|
СТАЛЕЙ |
И СПЛАВОВ |
|
|
|
|
||||
|
Поверхностный |
наклеп |
|
|
|
187 |
||||
|
Термомеханическая |
обработка |
|
|
|
191 |
||||
|
Покрытия, |
отпуск |
под |
напряжением |
и другие |
|
||||
|
способы повышения циклической прочности и |
|
||||||||
|
долговечности |
материалов |
|
|
|
196 |
||||
Библиографический список |
|
|
|
|
|
|
|
200 |
Снижение материалоемкости выпускаемой продук ции и повышение ее технического уровня и качества — од на из важнейших задач, поставленных перед народным хозяйством XXV съездом КПСС. Предпосылкой ее реше ния является, ускоренное внедрение достижений науки и техники в производство.
Проблема усталостного разрушения имеет исключи тельно большое значение для дальнейшего развития авиации, космонавтики, транспортного машиностроения
идругих ведущих отраслей народного хозяйства страны.
Внастоящее время в связи с ужесточением темпера турно-силовых режимов эксплуатации машин и конст
рукций, а также применением высокопрочных материа лов эта проблема приобретает особую актуальность.
Влиянию металлургических, технологических, конст руктивных и эксплуатационных факторов на усталостные свойства материалов посвящено значительное число ра бот, в которых подробно рассмотрены закономерности распространения усталостных трещин с применением критериев линейной механики разрушения.
Внастоящей книге рассмотрено влияние структуры на циклическую прочность, развитие усталостной по вреждаемости и разрушение конструкционных металлов
исплавов и охвачены все основные направления этой проблемы.
Вкниге обобщены теоретические и эксперименталь ные работы в области металловедения и физики метал лов, выполненные в последние годы в СССР и за рубе жом с применением просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии.
Авторы считают своим долгом выразить благодар ность заведующей лабораторией прочности металличес ких материалов Института металлургии им. А. А. Байко ва, проф. В. С. Ивановой за помощь и поддержку в про ведении исследований, нашедших свое отражение в этой книге.
Глава I написана канд. техн. наук. В. Ф. Терентьевым, главы II, IV—VI — канд техн. наук В. М. Горицким, гла вы III, VII и VIII — авторами совместно.
йряженйя насыщения, представленные в зависимости от циклической деформации, дают диаграмму циклического деформирования. На рис. 1,в показано построение такой диаграммы для стали SAE 4340 [9]: циклическая диаг
рамма а—е для этой стали |
(кривая 2) намного ниже по |
|
лученной |
при статическом |
нагружении (кривая 1). |
На рис. |
2 приведена диаграмма циклического деформи |
|
рования |
растяжение — сжатие для образца титаново |
|
го сплава Ti+6A1+4V. Кривые напряжение— дефор |
мация для циклически стабильных пластичных метал лов могут располагаться выше соответствующих кри вых статического деформирования, что обусловлено деформационным упрочнением во время циклирования; такое расположение наблюдали [9] и в случае стали
AISI 310.
Напряжение циклического течения определяется амп литудой пластической деформации и температурой испы тания. Металлы и сплавы с извилистыми полосами
скольжения (рис. 2, а) в отлийие от материалов |
с плос |
кими полосами скольжения (рис. 2, б) имеют |
универ |
сальную диаграмму циклического состояния, вид кото рой не зависит от предварительной деформации и терми ческой обработки материала. Из рис. 2 видно, что упрочнение образцов меди в отожженном и наклепанном состояниях в условиях циклического деформирования
Рис. I. Закон изменения петли механического гистерезиса для упроч няющегося (а) и разупрочняющегося (б) материала при циклическом деформировании и диаграмма циклического деформирования (о) для стали ЭАЕ'ШО
происходит по одной и той же кривой (рис. 2,6, кривая 2), а циклическое упрочнение сплава Cu+7,5% А1 зави сит от предыстории материала (рис. 2,в).
Диаграммы циклического деформирования могут быть построены и по результатам испытания одного об разца в условиях ступенчатого или непрерывного увели чения нагрузки. В этом случае существенным является определение условий испытания, при которых могут быть получены диаграммы, совпадающие со стабилизи рованными диаграммами деформирования [1].
В соответствии с представлениями, развиваемыми Коффином, Мэнсоном и Морроу [7, 14, 15], процесс уста лости при больших и средних амплитудах деформации можно описать следующими уравнениями, которые описызают поведение образцов без концентратора напряже
ний в условиях |
симметричного |
растяжения — сжатия: |
|
^ |
= е;(2Лу«, |
(1) |
|
|
|
|
|
+ |
= « ; ( щ |
г - |
(2) |
« . - « • ( т Т - Г |
(3) |
||
|
|||
где |
Дер — амплитуда пластической деформации; |
||
|
е '— коэффициент пластичности при усталости; |
2Nf — число циклов до разрушения при знакопе ременном нагружении;
6, кгс/мм*
Рис. 2. Диаграммы статического и циклического деформирования |
[9]: |
||||
а — титановый сплав Ti + 6%A1+4%V (/ — линия упругого нагружения; |
2 — мо |
||||
потомная |
диаграмма; 3 — циклическая диаграмма); б, |
в — медь и сплав |
Си + |
||
+ 7,5% |
А1 |
соответственно (/ — монотонная диаграмма |
для наклепанного ме |
||
талла; |
2 — циклическая диаграмма; 3 и 6 — монотонная диаграмма для |
отож |
|||
женного материала; 4 и 5 — циклическая диаграмма |
для наклепанного |
мате |
|||
|
|
риала) |
|
|
|
с — показатель пластичности при усталости; Дев— амплитуда упругой деформации; сг'— амплитуда циклического напряжения;
b— показатель циклической прочности; сга — истинная амплитуда напряжения;
/( '— коэффициент циклической прочности, п' — показатель циклического деформационного
упрочнения.
Из уравнений |
(1) —(3) следует, что |
п' = Ыс. |
(4) |
Согласно исследованиям Морроу
1
(5)
1 + 5 л '
Анализ, проведенный Томкинсом, дает выражение
с = — (1 + |
2п ) |
|
|
|
|
|
|
(6) |
|||
Решая совместно уравнения (1) и (2), можно полу |
|||||||||||
чить зависимость усталостной |
долговечности |
от общей |
|||||||||
амплитуды деформации Дет[14, |
15]: |
|
|
|
|||||||
|
|
|
| Авр |
|
|
|
|
|
|
(7) |
|
~ |
~ ~~2 |
|
|
2~ ’ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Ает |
= ^ |
{2N,)b + г, {2N,)C |
|
|
|
|
|
||||
2 |
Е |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где Е — модуль Юнга. |
|
Уравнение (7) |
схемати |
||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
чески представлено на рис. 3. |
|||||
|
|
|
|
|
|
Если с определяется из урав |
|||||
|
|
|
|
|
|
нения (5) или (6), то значе |
|||||
|
|
|
|
|
|
ния o'f |
и 8^ можно |
получить |
|||
|
|
|
|
|
|
из |
опытов |
по определению |
|||
|
|
|
|
|
|
истинного |
напряжения при |
||||
|
|
|
|
|
|
статической |
деформации и |
||||
|
|
|
|
|
|
деформации |
до |
разрушения |
|||
|
|
|
|
|
|
[13]. |
Долговечность в слу |
||||
|
|
|
|
|
|
чае усталости |
при /г'«0,15 |
||||
формации |
(Де) от числа |
циклов на |
можно оценить |
из характе |
|||||||
ристик |
кривой |
статического |
|||||||||
Рис. 3. Зависимость |
амплитуды |
де |
растяжения. |
Однако /г' мо |
|||||||
|
гружения |
(Л/): |
|
|
|||||||
/ — пластическая |
деформация; |
2 — |
жет |
изменяться от —0,04 до |
|||||||
упругая |
деформация; |
3 — общая |
+2,0, |
поэтому |
|
значением |
|||||
|
деформация |
|
|
|