книги / Некоторые вопросы усталостной прочности стали

Настоящий сборник содержит ряд статей, посвя­ щенных важным вопросам усталостной прочности, как-то: поверхностное упрочнение машинных дета­ лей, влияние на предел усталости перенапряжений, концентрации напряжений, абсолютных размеров, атмосферной коррозии, плоского напряженного состо­ яния.

Сборник рассчитан на технологов и конструкто­ ров, работников заводских лабораторий и исследо­ вательских институтов, а также на студентов, специ­ ализирующихся в области металловедения.

елаНИНГРАДСК° Е 0ТДЕЛЕНИЕ МАШГИЗЛ

Редакция

КЦИЯ Машниостроительной литературы

П Р Е Д И С Л О В И Е

Всемерное уменьшение веса машин, к которому обязывает постановление XIX съезда КПСС, требует разработки методов повышения усталостной прочности деталей машин и рационали­ зации их расчетов.

Эти мероприятия должны базироваться на тщательном научном анализе процесса усталости металлов под действием циклических нагрузок, с выяснением физической природы самого явления, до сих пор еще не до конца понятого. Поэтому естественно то внима­ ние, которое в последние годы советские ученые уделяют этим вопросам, как в ряде статей, помещенных в периодической печати, так и в виде серии монографий и сборников по усталостной проч­ ности, издаваемых Машгизом.1

Предлагаемый читателям настоящий сборник является новым дополнением этих материалов, содержащим ряд статей, посвя­ щенных наиболее актуальным вопросам усталостной прочности.

В работе А. А. Гликмана и В. П. Тэхта приводятся новые экс­ периментальные данные, позволяющие лучше понять физическую природу процесса уставания. С. В. Сервисен уточняет вопрос о рациональных методах расчета на усталость при сложном напряженном состоянии. Влиянию плоского напряженного состоя­ ния на предел усталости посвящена работа В. А. Быкова. Ряд работ Н. М. Пульцина, О. О. Куликова, С. И. Кутковского, Т. Г. Гуревич и Б. Ф. Балашова исследует различные вопросы поверхностного упрочнения деталей. Влияние переменного режима циклического нагружения, а также временных перегрузок осве­ щается в статьях М. Я. Шашина и А. А. Козлова. Снижение

прочности машиностроительных материалов, 1952.

Сборник под ред. И. В. Кудрявцева, Исследование прочностной стали, 1951.

Сборник под ред. И. В. Кудрявцева, Усталостная прочность стали,

3

Л. А. ГЛИКМАН и В. П. ТЭХТ

К ВОПРОСУ О ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЕ ПРОЦЕССА УСТАЛОСТИ МЕТАЛЛА

Введение

Среди различных вопросов, связанных с проблемой усталости металлов, большое значение имеет вопрос об уточнении наших представлений о физической природе процесса усталостного раз­ рушения. Несмотря на то, что этому вопросу посвящено большое количество работ советских и зарубежных ученых [1—20]', до настоящего времени нет единой и общепризнанной теории уста­ лостного разрушения и нет ясных представлений о физической природе и механизме процесса усталости. Поэтому работы, посвященные изучению процесса усталости металла, имеют боль­ шой теоретический интерес.

Уточнение и углубление существующих представлений о физи­ ческой природе процесса усталости имеет также и большое прак­ тическое значение, так как это несомненно должно способство­ вать, помимо обобщения и уточнения закономерностей в этой области, установлению правильных путей решения различных практических задач, как, например, повышения усталостной прочности и определения признаков степени уставания..

Изучение микроскопической картины процесса усталости уже давно и совершенно отчетливо установило, что уставание металла связано с протеканием местной пластической деформации' в от­ дельных слабых микрообъемах (зернах). Это является совер­ шенно бесспорным фактом, подтвержденным и другими методами физического исследования, и поэтому все основные теории про­ цесса усталости базируются на том, что пластическая деформация, имеющая циклический характер, приводит к зарождению уста­ лостных трещин.

Различие современных теорий усталости заключается в том, что по-разному трактуется кинетика зарождения усталостной

5

напряжений второго рода — отмечается лишь некоторыми из них. При этом мы позволим себе подчеркнуть большую принципиальную важность последнего вопроса, так как если циклическая пласти­

третьего рода), без возникновения остаточных напряжений второго рода, то в этом может состоять ее отличие от обычной пластической деформации, возникающей при однократном статическом и дина­ мическом нагружении.

Основное расхождение результатов изучения рентгенографи­ ческой картины процесса усталости состоит в том, что до сих пор неясным является вопрос о зависимости между величиной цикли­ ческих напряжений и происходящими при этом изменениями

ватомиокристаллической решетке. Другими словами, нет ясности

втом, связаны ли изменения рентгенографической картины с самим процессом уставания металла и поэтому они наблюдаются только при напряжениях выше предела усталости, или эти изменения могут наблюдаться и при напряжениях ниже предела усталости и тогда они связаны только с местной циклической пластической деформацией, которая, как известно, протекает и при напряже­ ниях ниже предела усталости. В последнем случае, естественно, данные рентгенографического исследования процесса усталости ничего принципиально нового не внесут в изучение кинетики зарождения и развития усталостного разрушения.

Кэтому следует добавить, что помимо существующих расхо­ ждений по экспериментальным данным реитгеноструктурного исследования процесса усталости имеются также и противоречия

втрактовке результатов этих исследований.

Для уточнения некоторых вопросов, связанных с изучением физической природы процесса усталости, была проведена настоя­ щая работа, в которой по причинам, указанным выше, особенное внимание было обращено на рентгенографическую методику. Наряду с последней в работе широко применялся и механический метод исследования процесса усталости, причем существенным в работе явилось то, что рентгенографическая и механическая картины процесса усталости изучались параллельно и не только непосредственно после циклического воздействия, но и после промежуточного старения и отпуска. Особенное внимание было обращено на изучение влияния промежуточного отпуска.

Материал исследования

В качестве материала для исследования были взяты-две стали: углеродистая (сталь 35) и высокохромистая нержавеющая (Ж-2). Химический состав обеих марок сталей приведен в табл. 1.

Обе стали были взяты в виде штанг диаметром 25—30 -лш, которые разрезались на заготовки и в таком виде подвергались термической обработке,

7

Режим термической обработки был следующий. Сталь Ж-2 подвергалась закалке с температуры 1030° с охлаждением на воз­ духе и последующим отпуском при температуре 700°. Углеро­ дистая сталь подвергалась нормализации с температуры 860° и последующему отпуску при температуре 680—700°.

Из термически обработанных заготовок изготовлялись образцы для обычных механических испытаний и для испытания на уста­

Изучение изменений, происходящих в металле под действием циклических напряжений как ниже, так и выше предела усталости, производилось механическими и рентгеновскими методами.

Оценка изменений при механическом методе производилась по величине усталостной прочности, определяемой на основании полного цикла усталостных испытаний с построением кривых усталости.

Оценка изменений при рентгенографическом методе произво­ дилась по относительной интенсивности и ширине интерферен­ ционных линий.

Все изменения, происходящие в металле, изучались на различ­

.8

производилось не только непосредственно после циклического воздействия, но и после промежуточного старения и высокого отпуска.

Испытания на усталость производились при изгибе вращаю­ щегося консольного образца.

При проведении испытаний на усталость особое внимание было уделено точности изготовления образцов и установке их на машине с минимально возможным эксцентриситетом, который, как пра­ вило, не превосходил 0,01 мм.

Все образцы после окончательного их изготовления для сня­ тия поверхностного наклепа, появившегося в результате механи­ ческой обработки, подвергались высокому отпуску при темпера­ туре 650°. Нагрев производился в вакуумной печи.

Таким образом, за исходное состояние исследованных материа­ лов было принято состояние образцов после дополнительного высо­ кого отпуска в вакууме. Сравнительно с этим состоянием произ­ водилась оценка изменений, происходящих в структуре и свой­ ствах на различных стадиях циклического воздействия х.

Рентгенографические исследования по измерению изменения относительной интенсивности производились с кобальтовыми лучами.

Для рентгенографирования применялась камера, специально приспособленная для измерения относительного изменения интен­ сивности линий. Камера имела плоскую кассету, наклоненную к первичному пучку рентгеновских лучей на 52°. Такая конструк­ ция позволяла получать на одну пленку отражения от плоскостей 310 и 220. Кроме того, кассета могла передвигаться на салазках в горизонтальном направлении, что позволяло на одну пленку помещать шесть рентгеноснимков.

При рентгенографировании образцы устанавливались в верти­ кальном положении таким образом, что узкий пучок рентгенов­ ских лучей облучал небольшой участок опасного сечения образца12.

Для получения равномерного почернения интерференционных линий образец во время съемки приводился в колебательное дви­ жение.

Фотометрирование рентгенограмм производилось на реги­ стрирующем фотометре Цейсса. Фотометрические кривые увели­ чивались эпидиаскопом; площади максимумов почернения изме­ рялись планиметром.

1 Отметим, что снятие поверхностного наклепанного слоя, появивше­ гося в результате механической обработки образцов, снижает предел уста­

2 Для сохранения одинаковых условий съемки рентгеновская камера была прикреплена к столу болтами и для проявления рентгенограмм выни­ малась только кассета. Положение образцов в захвате точно фиксировалось. Это позволяло многократно устанавливать образцы в одинаковое поло­ жение.

9

Для количественной оценки степени искаженности атомной решетки была использована методика, впервые предложенная Ивероновой и Костецкой [9], которая заключалась в том, что полученные рентгенограммы фотометрировались и на фотограммах определялись площади интерференционных максимумов линий (310) и (220); отношение этих площадей F310 : F220 и определяло степень искаженное™ атомной решетки

При определении интенсивности интерференционных линий рентгенографирование производилось на прямолинейном участке кривой почернения. Опытным путем были установлены условия экспонирования и они выдерживались на протяжении всего периода исследования. Чтобы избежать ошибок за счет возможных отклонений от установленного режима, на каждой пленке, кроме пяти снимков от исследуемых образцов, производился один снимок от эталонного образца, что позволяло в случае необходимости вносить соответствующие поправки.

Рентгенографические исследования не ограничивались только измерением относительной интенсивности линий; производилось также определение ширины интерференционных линий (310) и (211).

Для определения ширины линий была использована камера типа Зеемана — Болина с расстоянием образец — пленка 150 мм. Рентгенографирование производилось лучами хрома и ко­ бальта.

Параллельно с изучением рентгеновской картины процесса усталости производилось рентгенографическое исследование испы­ туемых сталей в тех же состояниях термической обработки при деформировании их статическим растяжением. В этом случае изменение рентгеновской картины изучалось в зависимости от степени пластической деформации, задаваемой величиной отно­ сительного поперечного сужёния.

Как уже отмечалось выше, изменение свойств и структуры исследованных материалов изучалось на различных ступенях циклического воздействия при различных амплитудах напряже­ ний и притом как непосредственно после циклического воздей­ ствия, так и после применения на некоторых ступенях промежуточ­ ного отпуска, который производился в вакуумной печи при тем­ пературе 650° 21.

1 Следует отметить, что этот метод не является безупречным, поскольку в процессе усталости изменяется интенсивность не только линии (310), но и линии (220), хотя и в заметно меньшей степени. Методически более правиль­ ным было бы измерять изменение интенсивности линии (310) относительно какой-то эталонной линии от специального образца-эта лона, одновременно экспонируемого с испытуемым образцом. Этот путь и используется нами в настоящее время. В данной работе мы считали более правильным-сохранить -методику в том виде, в каком она применялась другими исследователями, чтобы иметь возможность сопоставления полученных результатов.

2 Выдержка 1 час, охлаждение в печи.

10