книги / Некоторые вопросы усталостной прочности стали

ные напряжения сжатия, которые значительно понижают чувстви­ тельность стали к концентрации напряжений. Кроме того, в результате азотирования сталь приобретает высокие защитные

свойства в таких средах,	как вода и промышленная атмосфера.
Ь связи с последним	обстоятельством метод азотирования

находит применение во многих областях промышленности в целях защиты стали от коррозии.

Для проверки эффективности антикоррозионного азотирова­ ния, как средства повышения усталостной прочности конструк­ ционной стали в условиях атмосферной коррозии, были проведены соответствующие испытания на азотированных образцах стали 45.

Азотирование производилось при температуре 600° в течение 1,5 часа при степени диссоциации аммиака 45% в электропечи конструкции ЦНИИТМАШ.

Результаты коррозионно-усталостных испытаний азотирован­ ных образцов представлены на фиг. 12. Как гидно из приведенных кривых коррозионной усталости, в атмосфере влажного воздуха, содержащего сернистый газ, предел выносливости стали 45 в результате азотирования повысился с 24 до 34,8 кг/мм2, т. е. на 45%.

Эти данные дают основание считать кратковременное азотиро­ вание одним из возможных методов повышения усталостной проч­ ности деталей, находящихся под воздействием атмосферной корро­ зии.

Выводы

1. Разработана лабораторная методика испытания на корро" знойную усталость в условиях атмосферной коррозии в присут' ствии влажного воздуха и влажного воздуха, содержащего сер' нистый газ.

2.Установлено, что атмосферная коррозия, протекающая во влажной атмосфере и особенно в присутствии сернистого газа, существенно снижает циклическую прочность конструкционной стали 45.

3.Все рассмотренные виды поверхностного упрочнения —

холодный наклеп дробью, электрозакалка и антикоррозионное азотирование — значительно повышают циклическую прочность конструкционной стали 45 в атмосфере влажного воздуха, содер­ жащего 0,27% S02. В этой среде установлено повышение предела коррозионной выносливости стали 45 в результате холодной пла­

стической деформации, создаваемой	наклепом дробью, на 29%;
в результате поверхностной электрозакалки — на 117% и анти­
коррозионного азотирования — на	45%.

4. Металлографическим исследованием образцов, подвергав­ шихся коррозионно-усталостным испытаниям, показано, что в слу­ чае одновременного воздействия на металл переменных напряжений н атмосферной коррозии развивается характерное для коррозион­ ной усталости целое семейство трещин.

6

Сборник зак. 747

81

5. Проведенная работа является первым исследованием в этой облает. Однако полученные результаты дают основание считать, что для деталей, работающих на усталость в естественных атмосферных условиях, надежные характеристики усталостной прочности металла не могут быть получены без учета влияния окружающей среды.

		ЛИТЕРАТУРА
1.	А к и м о в	Г. В ., Теория и методы исследования коррозии металлов
АН СССР, 1945.		н С. Г., Атмосферная коррозия и борьба	с	ней. Атмо­
2.	В е д е н к и
сферная коррозия металлов, Металлургиздат, 1951.			на	усталость,
3.	Я ц к е в и ч С. И ., Новые машины для испытаний

ЦНИИТМАШ, кн. 34 «Исследование усталостной прочности конструкцион­

ных сталей», 1949.				металлопромыш­
4.	О д и н г	И. А. и Е ф р е м о в а А. И ., «Вестник
ленности», 1931,		№ 10.			А. В.,
5.	К у д р я в ц е в		И. В ., С а в е р и н М. М. и Р я б ч е и к о в
Методы поверхностного			упрочнения деталей машин, Машгиз, 1949.		проч­
6.	К у д р я в ц е в		И. В ., Внутренние напряжения,	как резерв
ности	в машиностроении, Машгиз, 1951.

7.С а в е р и н М. М ., Упрочнение машиностроительных деталей дро­ беструйным наклепом, изд. ИТЭИН, 1948.

8.Р я б ч е и к о в А. В.', Исследование методов защиты стали от кор­

розионной усталости в морской воде. Проблемы морской коррозии, под ред.

Г. В.	Акимова,	АН СССР, 1951.
9.	Р я б ч е	н к о в А. В ., Поверхностные виды упрочнения для повы­

шения коррозионно-усталостной прочности стали, сборн. докл. «Повышение

усталостной прочности деталей машин поверхностной			обработкой»,	Машгиз,
1952.	К а р а с е в	Н. А ., «Вестник машиностроения», 1951, №		1.
10.
11.	С а в е р и н	М. М ., Дробеструйная установка для упрочнения де­
талей, «Вестник машиностроения», 1951, № 2.
12.	Р я б ч е и к о в А. В ., Н о в и к о в В. Н .,		Коррозионно-усталост­

ная прочность поверхностно-закаленной стали, ЦНИИТМАШ, кн. 39,

Машгиз,	1950.
13.	' S с h i к о г г G., Zeitschrift fur Elektrochemie, В. 43, 1937, № 8.

		В. А. БЫКОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ		УСТАЛОСТИ СТАЛИ
	ПРИ ПЛОСКОМ	ЧИСТОМ ИЗГИБЕ
Некоторые особенности исследования
В отличие	от распространенных методов испытания небольших
вращающихся	образцов с частотой 1000—3000 циклов в минуту,

испытания на . усталость проводились нами при плоском чистом изгибе на образцах в виде полос и пластинок. Испытывались глад­ кие образцы, а также образцы с разнообразными выточками, надрезами, со сваркой и с заклепками. Некоторые образцы имели увеличенные размеры по сравнению с образцами, принятыми в лабораторной практике. Испытания проводились при малой частоте (16 циклов в минуту) и при большой частоте (до 1400 циклов в минуту). Исследовалось сопротивление усталостному разрушению конструкционных сталей обыкновенного качества с пределом прочности до 45 кг/мм-и повышенной прочности с пре­ делом прочности до 60 кг/мм2\ в дальнейшем изложении эти стали сокращенно называются обычной и повышенной.

Образцы и машины для испытаний на усталость

Испытания на плоский повторно-переменный изгиб проводи . лись преимущественно на машинах, спроектированных и построен ных Ленинградским кораблестроительным институтом. Машины вызывали многократную заданную деформацию образцов с опре­ деленной амплитудой благодаря кривошипному механизму. Пово­ рачивающиеся части машин устанавливались на шариковых подшипниках для достижения точности сборки и устранения чрезмерных зазоров.

Машины ЛКИ-1 служили для испытаний на чистый изгиб узких образцов. Схема машины ЛКИ-1 представлена на фиг. 1. Головки образцов жестко зажимались в двух захватах, соста­ вляющих одно целое с подковообразными рычагами. Последние

поворачивались	около двух осей от двигающегося взад и вперед
штока, который,	в свою очередь, соединялся с кривошипным
*	83

механизмом. Нужная амплитуда деформации достигалась уста­ новкой соответствующего радиуса кривошипа. Для получения симметричного цикла напряжений длина шатуна устанавливалась при йена груженном образце соответственно горизонтальному положению радиуса кривошипа.

При необходимости путем изменения длины шатуна можно было бы достигнуть несимметричного цикла. Расстояние между захватами позволяло испытывать образцы с деформируемой длиной 400 мм. Укороченные образцы соединялись болтами с двумя

плоскими удлинителями			для получения длины,					соответствующей
		/			в	расположению			захватов.
		$ /	£	/		На машине ЛКИ-1 испы­
						тывались		следующие		об­
						разцы	(фиг. 2):		из основ­
						а)	гладкие,
						ного металла и с продоль­
						ной или		поперечной		на­
						плавкой;				над­
						б) с выточками и
						резами		для	получения
						местных напряжений с раз­
						ными коэффициентами кон­
						центрации;				по­
						в)	с приваренным
Фиг.	1. Схема машины ЛКИ-1 для			испы­		перечным		ребром;		по­
						г)	с приклепанным
таний	на	усталость узких	образцов		при	перечным		уголком.
		плоском чистом изгибе.
рычаг;		2 — захват; 3 —образец; 4 — направ­				Машины ЛКИ-2 (дру­
ляющая; 5 — шток; 6 — шатун;			7 — кривошип.			гого типа) вызывали				вне-

цеитренное растяжение — сжатие узких и широких образцов при настолько значительном эксцентриситете нагрузки, что напряжение от осевой силы ока­ зывалось пренебрежимо малым по сравнению с изгибным напря­ жением. Таким образом, эти машины почти точно воспроизводили повторно-переменный чистый изгиб. Схема машины ЛКИ-2 представлена на фиг. 3.

Головки образцов зажимались в захватах. Один из захватов являлся частью неподвижной рамы машины. Другой захват имел жесткий длинный выступ в виде консоли. Конец, консоли соеди­ нялся шарнирно либо непосредственно через шатун с кривошипом, либо с помощью неравноплечего ломаного рычага. Вращение кривошипа вызывало колебания выступа подвижного захвата и многократный изгиб образца. Одна из машин служила для испы­ таний на усталость небольших образцов, другая — для крупных образцов. Эти образцы представлены на фиг. 4. Характерной особенностью указанных образцов являлась небольшая длина, вследствие чего при значительной ширине изгиб этих образцов вызывал плоское напряженное состояние. Поскольку машины

Фиг. 2. Длинные и уко­

роченные образцы			для
испытаний	на	машине
ЛКИ-1:
а — гладкие		образцы:
/ — длинный;	2	—	укоро­
ченный;

б— образцы с выточ­ ками и надрезом:

/ '— ДЛИННЫЙ, С боковой ВЫточкой, R = 1 мм : 2 — длин­ ный, с боковой выточкой, R = 8 мм: 3 — укороченный,

с треугольным надрезом;

в— укороченный, с при­

варенным ребром;

г— укороченный с при­ клепанным уголком.

5

Фиг. 3. Схема машины ЛКИ-2			для испытаний на
усталость больших широких			и узких	образцов
при	плоском	чистом	изгибе:
■1 — чугунная	станина;	2 — кривошип;		3 — шатун:

4 — неравноплечнй ломаный рычаг; 5 — тяга; 6 — кон­ соль, присоединенная к захвату; 7 —неподвижный захват; 8 — образец.

Фиг. 4. Образцы для испытаний на машине ЛКИ-2:

а — малый узкий образец; б — малый образец средней ширины; в — малый широкий образец; г — большой

____________________________ широкий образец.____________________

86

обоих типов не. имели силоизмерительного устройства, напря­ жения определялись по формулам упругого состояния на основа­ нии замеров деформаций тензометрами, установленными на глад­ ких участках образцов. При наличии ослаблений от выточек, надрезов или заклепок переход к номинальным напряжениям

в ослабленном сечении проводился по формуле а0Сл—апШ11' ■

'

■ " осл

Сопротивление многократным напряжениям изучалось на группах по нескольку образцов определенного типа из иссле­ дуемого материала. Путем испытания групп из 6—10 образцов находились данные для построения кривой усталости по точкам, координаты которых являлись разрушающими напряжениями и соответствующими числами циклов для отдельных образцов. В рассматриваемом исследовании испытания на усталость про­ водились только при симметричном цикле напряжений от плос­ кого чистого изгиба.

Исследование напряженного состояния материала образцов

Напряженное состояние, возникающее при изгибе на поверх ности образцов, исследовалось на следующих трех характерных образцах.

а) На длинном узком образце (фиг. 2, а). Размеры образца: длина между захватами I = 400 мм; ширина b = 30 мм; толщина h — 10 мм; соотношение между размерами I : b : h =* 40 : 3 : 1. Продольная и поперечная деформации измерялись рычажно-стре­ лочным тензометром при увеличении 1000 на базе 20 мм. Отноше­

ние поперечной деформации к продольной оказалось

= 0,282,

т. е. близким к коэффициенту поперечной деформации ц, что свидетельствовало о линейном напряженном состоянии.

б)	На малом широком	образце (фиг. 4, в). Размеры образца:
I =40	мм; Ь = 113 мм;	h = 8 мм; I : b : h = 5 : 14 : 1. Про­

дольная и поперечная деформации измерялись проволочными тензометрами, наклеенными посредине ширины образца. Попе­ речная деформация оказалась пренебрежимо малой по сравнению

с	продольной,			что	свидетельствовало. о плоском напряженном
состоянии. На				растянутой стороне		образца	оказалось оj > о2;
а3	= 0.
	На основании опыта
				e2=	4 - ( a2 - H ‘° i ) ~	0; °2 =	l10i-
	По	закону		пропорциональности
				ei =	4 " ( ° i — И°2) =	( 1 — Р-*).
откуда		а	£et

87

в)	На большом широком	образце (фиг. 4, г). Размеры образца:
I ss= 80 мм; b = 256 мм; h = 20		мм; I : b \ h = 4 : 1 3 : 1 . Иссле­

довалось распределение линейных деформаций по ширине образца, которые измерялись рычажно-стрелочным тензометром. Распреде­

ление	относительных		линейных		деформаций,		представленных
в виде	приведенных		напряжений		а\п — Ее, дано		на основании
опыта	на фиг. 5. Оказалось,			что у края образца
			а Г = 1 ,2 & > ;„.
Приведенное		напряжение		посредине		ширины	образца
			=>;„ =	( ! -	р 2)	•
Напряжение		у края образца
		о“=	1,29(1 — н.2)о с =			1,18а'.

Таким образом выяснилось, что отчетливое плоское напряжен­ ное состояние возникает только на широких сравнительно корот­ ких образцах с жестко закрепленными концами. Деформация широких образцов, видимо, была близка к деформации пластины, изогнутой по цилиндрической поверхности. Однако на краях широких образцов принятой формы напряженное состояние становилось линейным, а главное напряжение оказывалось на 18% больше, чем посредине ширины.

Сопротивление усталостному разрушению при резко отличающихся частотах

Материалом исследования являлись стали обыкновенной и повышенной прочности. Применялись длинные образцы по

фиг. 2, а, с сохранением	поверхности проката и шлифованные,
а также образцы по фиг.	2, 6 с боковой выточкой при радиусе

закругления 1 мм.

Испытание на усталость проводилось при частоте циклов 16 и 500 в минуту. Вследствие ограниченного времени исследования низкочастотные испытания удалось провести при числе разру­ шающих циклов не более 500 тысяч. Результаты испытаний раз­ ных сталей на нескольких группах разных образцов представлены кривыми усталости (фиг. 6), согласно которым резкая разница частоты циклов не оказывает существенного влияния на сопроти­ вление усталостному разрушению. При упругих деформациях низкочастотное разрушающее напряжение оказалось в среднем на 7% ниже высокочастотного. В пластической области низко­ частотное разрушающее напряжение, вычисленное условно по формуле упругого состояния, оказалось несколько выше высоко­ частотного, что явилось, повидимому, результатом фазовых пре­ вращений материала в процессе пластической деформации и дли­ тельного испытания.

Фиг. 5. Распределение приведенных напряжений от изгиба по ширине большого образца.

ФигТб. Кривые усталости стали, полученные при частотах 16 (пунктир) и 500 (сплошная линия) циклов в минуту:

а — обычная сталь ст = 26 кг/мм*; б — повы­ шенная сталь от = 4 4 кг/мм2; в — повышенная сталь от = 47 кг!мм2.

Сопротивление усталостному разрушению при концентрации напряжений

Исследование, проводилось на длинных образцах из листовой обыкновенной и повышенной сталей. Испытаниям подвергались от каждой стали по три группы образцов, согласно фиг. 2, а и 2, б:

1)гладкие с шлифованной поверхностью, при отсутствии кон­ центрации напряжений;

2)с боковыми выточками радиусом 8 мм, которым по литера­ турным данным [1 ] соответствует теоретический коэффициент концентрации а* ^ 1 ,6 ;

3)с боковыми глубокими выточками при радиусе закругле­

ния 1 мм, которым соответствует а£ ^ 3.

На основании усталостных испытаний получены кривые усталости и определены пределы усталости, как разрушающие напряжения на базе 5-10° циклов.

В табл. 1 представлены основные механические свойства и пределы усталости исследуемых сталей, а также действитель­

ные	коэффициенты			концентрации			напряжений,		вытекающие из
					„гл
пределов усталости				а£ =	a—1 .
										Таблица 1
			Основные механические				Пределы усталости в кг^им* и
							действительные коэффициенты кон­
				свойства				центрации напряжений
	Сталь								с выточками
			°т	“в	б	6	гладкий	г = 8 мм		Г = 1	мм
			о	в	в «/о	в °/о	образен
			кг/мм*	кг/мм*				ст-1	вк	°-1	<
Обычная; от
листа толщи­
ной	13 мм . .		26	43	29	48	18	15	1,2	10	1,8
Повышен­
ная; от листа
толщиной
10 мм . . . .			48	60	25	57	28	18,5	1,5	12	2,3
В табл. 2 даны относительные величины сопротивлений уста­
лостному		разрушению при базах					разрушающих			циклов	10б
и 5-10°,		выраженные в процентах от предела усталости гладкого
шлифованного			образца.

Испытания на усталость показали, что действительные коэф­ фициенты концентрации напряжений несколько ниже теоретиче­ ских, особенно для обычной стали. Повышенная сталь оказалась чувствительнее .к_концентрации .напряжений, чем обычная. Уста-

90