книги / Усталость металлов

Fatigue of Metals

by

P G. FORREST, B.Sc.(Eng.), Ph.D A.M.I.Mech.E.

Principal Scientific Officer, Metallurgy Division

National Physical Laboratory, Teddington, Middlesex

P E R G A M O N P R E S S

OXFORD LONDON • NEW YORK • PARIS

1962

УСТАЛОСТЬ МЕТАЛЛОВ

П. ФОРРЕСТ

Перевод с английского

П о д р е д а к ц и е й академика АН УССР С. В. СЕРЕНСЕНА

ИЗДАТЕЛЬСТВО « М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И Е » М о с к в а 1968

статическую прочность, в то же время сопротивление усталост­ ному разрушению могло понизиться в 2 раза и более.

Учет концентрации напряжений существенно важен при про­ ектировании деталей, работающих в условиях переменных нагру­

лости, концентраторы напряжения являются наиболее важными, в то же время на сопротивление усталости влияет размер дета­ лей, относительная величина статических и циклических нагру­ зок и число циклов нагружения. Кроме того, на сопротивление усталости неблагоприятно действует коррозия, особенно корро­ зия трения, которая является результатом небольших повторных перемещений двух контактирующих поверхностей.

Усталостные разрушения обычно связаны с многими тысяча­ ми или миллионами циклов нагружения, но они могут происхо­ дить и после сотен или даже десятков циклов.

Пружина пушки, например, иногда разрушается от усталости при небольшом числе циклов в результате действия напряжений при выстреле. Такие разрушения обычно сопровождаются зна­ чительной пластической деформацией и происходят в результате возрастающей деформации.

Характеристика усталостных разрушений

Если на деталь действуют повторные нагрузки достаточной величины, то в конце концов образуется усталостная трещина в высоконапряженной области (обычно на поверхности), которая постепенно распространяется до тех пор, пока не произойдет пол­ ного разрушения. Поверхности усталостного излома имеют ха­ рактерный вид. Обычно имеются две или три зоны, которые мо­ гут быть обнаружены на каждой разрушенной поверхности. Око­ ло области зарождения трещины, где усталостная трещина распространялась относительно медленно, поверхность часто на­ поминает полированную, особенно в случае перемены знака на­ гружения. Во второй, менее гладкой, зоне трещина распростра­ няется быстрее и поверхность разрушения имеет нерегулярный характер. Третья зона представляет собой поверхность, по кото­ рой происходит окончательное разрушение, когда сечение на­ столько уменьшено, что металл разрушается при последнем при­ ложении нагрузки. Эта зона может иметь либо кристаллическую поверхность, показывающую, что окончательное разрушение но­ сило хрупкий характер, либо волокнистую, указывающую на то, что окончательное разрушение было вязким.

В разрушившихся деталях, подверженных сжимающей пере­ менной нагрузке, некоторые детали на поверхностях излома исче­ зают в результате повторного нажатия этих поверхностей перед окончательным разрушением; поверхности при этом выглядят

6

как полированные. Другой характерной особенностью усталост­ ного излома является окисление поверхностей в зоне медленного развития трещины. Все эти признаки используют для диагности­ ки усталостных изломов; для пластичных материалов она не представляет каких либо трудностей, для литых металлов, осо­ бенно для чугуна иногда трудно различить статический и уста­ лостный изломы. Аналогичный вопрос возникает в сталях при метккристаллитном изломе, но в этом случае разрушение носит необычный характер.

Изучение поверхностей усталостного излома указывает тоже на характерные условия разрушения при эксплуатации [1, 2]. Например, конхоидальные следы в первой зоне излома соответст­ вуют стадиям распространения трещин в связи с перегрузками. Некоторые особенности поверхностей излома видны на фотогра­ фиях типичных усталостных разрушений в эксплуатации (рис. 1—4).

На фиг. 1 приведена поверхность излома вала коробки пере­ дач автомобиля, здесь легко видеть три зоны разрушения. Пер­ вая зона охватывает более половины сечения, линии на ней указывают на фронты распространения усталостных трещин. Они зарождались в зоне концентрации от шпоночного паза и распро­ странялись несимметрично, что характерно для вращающихся валов. Трещина распространяется преимущественно в направле­ ний, обратном направлению вращения, поэтому можно устано­ вить, что вал, излом которого показан на рис. 1, вращался по ча­ совой стрелке.

Вторая зона более быстрого распространения трещины зани­ мает наибольшую часть оставшегося сечения и имеет характер­ ную неровную поверхность. Окончательное разрушение носило вязкий характер и произошло по небольшой части сечения, кото­ рая на фотографии видна справа (темная часть). Относительно небольшая площадь третьей зоны в данном случае указывает на то, что действующие номинальные напряжения были низкими.

Две зоны относительно медленного и быстрого распростране­ ния трещины хорошо видны на рис. 2, где показана поверхность излома винтовой пружины. Усталостная трещина зародилась от поверхностного дефекта и развивалась сначала по наклонной плоскости, на которой нормальное напряжение было макси­ мальным, а затем она изменила направление и распространялась по плоскости наибольшего тангенциального напряжения. Темные следы, идущие параллельно направлению распространения тре­ щины во второй зоне, указывают на наличие нескольких трещин в различных плоскостях, которые соединились в последней ста­ дии и вызвали полное разрушение.

На рис. 3 показано усталостное разрушение коленчатого вала; трещина распространялась от источника концентрации напряжения в месте сопряжения шеек и щек. Темные линии,

7