книги / Циклическая прочность металлов

П Р Е Д И С Л О В И Е

Изучению циклической прочности металлов и процесса уста­ лостного разрушения их уделяется в настоящее время большое внимание. В этой области проведено много исследований в Совет­ ском Союзе и за рубежом. Изучены с большой полнотой зако­ номерности, которым подчиняется циклическая прочность метал­ лов при повышении и снижении величины их механических по­ казателей, изучен с достаточной подробностью и механизм устало­ стного разрушения металлов.

По этим вопросам написано много работ на русском и ино­ странных языках, некоторые из которых содержат результаты капи­ тальных исследований. Однако каждая работа освещает с той или другой полнотой обычно только какой-нибудь отдельный вопрос или отдельную группу смежных вопросов по циклической проч­ ности металлов.

Монографий же общих по циклической прочности металлов,

и работу американских профессоров Г. Ф. Мура и Д. В. Коммерса «Усталость металлов, дерева и бетона», 1927 г.

Обе эти монографии, сыгравшие в свое время большую роль в развитии науки о циклической прочности металлов, в настоящее время далеко не отражают всех достижений в этом направлении.

Некоторый интерес с точки зрения своей полноты представляет монография инж. А. И. Самохоцкого «Усталость черных и цвет­ ных металлов», 1940 г., но и ее также во многих разделах нужно

кнастоящему времени признать устаревшей.

В1959 г. вышли из печати две капитальные работы, посвя­ щенные циклической прочности металлов, а именно: монография;

Г.В. Карпенко «Влияние механической обработки на прочность

и выносливость стали», изданная Машгизом, и монография; С. И. Ратнера «Разрушение при повторных нагрузках», изданная1 Оборонгизом. Однако эти работы, при полноте и подробности в изложении различных вопросов циклической прочности метал­ лов, не освещают все же эту проблему в целом, во всех составных частях ее.

Отсутствие полной монографии по циклической прочности металлов, стоящей на современном уровне научных достижений, весьма чувствуется, так как это обстоятельство привело к тому, что еще и теперь среди некоторой части инженеров наблюдается неопределенность и даже неправильность в представлениях об усталостном разрушении металлов и об их циклической прочно­ сти, а это нередко приводило и приводит к ошибкам при про­ ектировании и эксплуатации машин и инженерных конструкций.

Настоящая монография имеет целью восполнить в некоторой степени этот пробел в нашей технической литературе. Она содер­ жит изложение тех главнейших, современных по своему научному уровню положений, законов и воззрений, которыми располагает наука о циклической прочности металлов, главным образом стали, и которые являются необходимыми для правильного пони­ мания работы машин и инженерных конструкций под воздей­ ствием циклических нагрузок.

При составлении настоящей работы автор широко использовал опубликованные результаты наиболее авторитетных исследова­ ний (с указанием на источники), советских и зарубежных, а также результаты исследований, проведенных им и его сотрудниками и учениками в лаборатории динамической прочности Куйбышев­ ского индустриального института.

Большое внимание автор уделил терминологии. В данной работе во всех разделах ее автор употребил названия: цикли­ ческая нагрузка, циклические напряжения, циклическая проч­ ность, по оставил термины: усталостное разрушение, усталост­ ный излом, предел усталости; эти именно термины автор считает наиболее правильными, отражающими физическую сущность опи­ сываемых явлений и понятий.

Настоящая работа, конечно, пе охватывает всех вопросов указанной проблемы, но этого и нельзя сделать при сравнительно небольшом объеме кни^и, удалось осветить только наиболее важ­ ные из них, именно те, которые необходимы для созданрш цель­ ного и более или менее полного представления о циклической прочности металлов и о способах повышения ее.

Одной из основных проблем в науке о механической прочности материалов является в настоящее время изучение циклической прочности металлов и создание практических методов повышения этой прочности. Это диктуется естественными причинами и тре­ бованиями, вытекающими из бурного роста современного машино­ строения и инженерного строительства.

Вопросами циклической прочности металлов начали зани­

берта (Германия, 1829) по изучению прочности стальных рудни­ чных цепей, который подвергал их повторному изгибу с частотой 10 циклов в минуту.

В1839 г. Понселе (Франция) в своих печатных лекциях о физи­ ко-механических свойствах материалов указал на понижение прочности стальных конструкций в тех случаях, когда они нахо­ дятся под циклическим действием растягивающих и сжимающих сил. Понселе первый в этих лекциях назвал это явление «уста­ лостью» материалов.

В1853 г. Морэн (Франция) в своем руководстве по сопроти­ влению материалов описал опыты по исследованию циклической прочности осей почтовых карет и указал, что в этих осях в резуль­

тате их продолжительной работы появляются тонкие трещины в местах изменений поперечных сечений, чаще в острых входящих углах.

К этому же времени относится также работа М. Рэнкина (Англия), в которой описаны случаи усталостного разрушения паровозных осей, причем, в частности, подчеркнута внезапность поломок этих осей, бывших до того по своему внешнему виду как будто вполне доброкачественными.

В 1849—1850 гг. вопрос о случаях усталостного разрушения железнодорожных осей и вообще о циклической прочности метал­ лов стал даже предметом неоднократных дискуссий на собраниях Лондонского института инженеров-механиков, и хотя эти ди­ скуссии конкретных результатов не дали, тем не менее факт

В это же примерно время, в середине прошлого столетия, инж. Г. Джемсом и Гальтоном (Англия) было проведено специ­ альное экспериментальное исследование прочности чугунных и ■стальных брусьев при большом числе циклов их загружения; для этих исследований авторами была сконструирована даже специ­ альная установка (машина Джемса — Гальтона). Результаты этой

в его статье «Исследование вопроса об употреблении чугуна и железа в сооружениях на железных дорогах». Эта статья проф. Собко была, по-видимому, первой работой в России, посвя­ щенной вопросам циклической прочности металлов.

Работы особой важности по экспериментальному изучению циклической прочности металлов выполнил Август Вёлер (Герма­ ния) во второй половине прошлого столетия. В 1852 г. он органи­ зовал для этого специальную научную станцию (лабораторию) и затем сконструировал несколько специальных испытательных машин. Машины Вёлера позволяли проводить циклические испы­ тания металлов (в образцах) на изгиб, кручение и на растяжениесжатие и были лучшими в то время; они хранятся, в частности, и до настоящего времени в качестве экспонатов в Музее техники в Мюнхене. Работы Вёлера имели целью найти средства для устра­ нения поломок осей и рессор подвижного состава на железных дорогах, а также для повышения срока службы элементов мостов больших пролетов.

Металлы, испытанные Вёлером, значительно отличаются от современных, поэтому числовые результаты его испытаний сейчас

что усталостное разрушение металлов может произойти при рабо­ чем напряжении, значительно меньшем не только предела проч­ ности, но даже предела упругости; что время наступления уста­ лостного разрушения зависит от амплитуды циклических напря­ жений, а также от величины наибольшего из этих напряжений; что существует такое напряжение, которое конструкция без­ опасно может выдержать неопределенно долгое время; это напря­ жение позднее было названо пределом усталости материалов. Можно считать, что работы Вёлера положили начало научному изучению циклической прочности материалов; по этой же причине и машины его представляли собой в то время значительный шаг вперед в технике экспериментального изучения металлов.

После Вёлера и, в большей части, по методике, им разработан­ ной, изучением циклической прочности металлов занимались многие исследователи; из них наиболее ценные работы были вы­ полнены Баушингером, Бэрстоу и Гопкинсоном в конце прошлого столетия, а также Тумом, Лером и О. Фёпплем в первой четверти текущего столетия.

В России начало экспериментальному изучению циклической прочности металлов было положено в 1914 г. проф. М. А. Воропаевым и К. К. Симинским.

Многочисленные и разносторонние работы исследователей циклической прочности металлов в X X столетии можно разделить на два научных направления.

Первое направление имеет целью изучить природу усталост­ ного процесса металлов и выяснить механизм усталостного раз­ рушения их; именно с этой целью было предложено и предлага­ ется еще и в настоящее время много теорий (гипотез) усталостного разрушения вплоть до самой последней — дислокационной теории, или теории вакансий в кристаллической решетке металлов.

Другое направление имеет целью изучить основные положе­ ния и закономерности циклической прочности металлов и способы повышения ее для использования в современных машинах и ин­ женерных конструкциях при их проектировании и эксплуатации.

Свидетельством важности, многочисленности и многогранности исследований в этих направлениях служит большое число созываемых национальных и международных съездов и кон­ ференций по разным проблемам усталости материалов. Напри­ мер, только за послевоенное десятилетие, с 1946 по 1956 г., были созваны международные конференции по усталости метал­ лов: в 1946 г. — в Австралии, в 1947 г. — в Лондоне, в 1950 г.—

же года была продолжена в США. Все эти съезды и конферен­ ции, и национальные, и международные, характеризуются боль­ шим числом участников (в том числе и представителей Советского Союза), а также многочисленностью и актуальностью научных докладов и сообщений.

В Советском Союзе научная работа по изучению циклической прочности металлов и механизма усталостного разрушения их получила в последние годы особенно большой размах. Об этом свидетельствует наличие в стране большого количества научноисследовательских организаций (институтов, отдельных лабора­ торий), в которых такая работа ведется, и большое количество публикуемых научных работ на эти темы.

Особенно большая работа в этом направлении ведется в отделе прочности Центрального научно-исследовательского института технологии и машиностроения (ЦНИИТМАШ). Сборники науч­ ных статей этого отдела являются важным фактором в деле изу­ чения циклической прочности металлов, особенно стали, и в исследованиях и разработке методов повышения этой циклической прочности.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О ПРОЧНОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ МЕТАЛЛОВ

§ 1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

Свойство материалов сопротивляться, не разрушаясь, внешним силам, вызывающим в этих материалах как упругие, так и пласти­ ческие деформации, называется механической прочностью или просто прочностью.

Прочность материалов определяется характеристиками (по­ казателями), за которые в настоящее время принимают предел прочности, как характеристику статической прочности металлов, и предел усталости, или иначе предел выносливости, как харак­ теристику их циклической прочности. Показателями прочностных свойств каждого материала являются также предел текучести, пре­ дел пропорциональности и предел упругости. В последнее время предложена еще одна характеристика прочности материалов,

аименно сопротивление их хрупкому отрыву.

Уполикристаллических металлов, применяемых в промыш­ ленности, все эти характеристики прочности имеют некоторые особенности, связанные с их строением. Известно, что всякий поликристаллический металл структурно состоит из кристалли­ тов, различно расположенных и различно ориентированных одни относительно других, и из разделяющих эти кристаллиты границ с неупорядоченным атомным строением. При действии внешних сил на такие металлы прочность их кристаллитов будет неодинакова; сопротивление кристаллитов более мягких и пластичных будет иное, чем у кристаллитов более твердых и упругих.

Кэтому различию следует прибавить еще неоднородность кристаллитов, порождаемую разными местными часто много­ численными дефектами: включениями, трещинами, примесями, внутренними напряжениями и т. д.

Вследствие этого постоянство числовых значений характе­ ристик прочности у поликристаллических металлов получается только благодаря огромному количеству кристаллитов, весьма малым их размерам и большому разнообразию их ориентировок. Эти числовые значения характеристик прочности являются сред-

нестатистическими величинами, представляющими какую-то сред­ нюю, наиболее вероятную характеристику прочности всего ме­ талла, а не его структурных составляющих.

Вучении о прочности металлов очень важным является вопрос

опричинах их разрушения. Гипотезы, дающие объяснение этих причин, называются теориями прочности. Все современные

теории прочности можно разделить на две неравные группы: 1) физические теории прочности, базирующиеся на изучении структуры металлов; эти теории пока еще сравнительно мало раз­ работаны, и только в последнее время вопросы физики металлов

основании картины разрушения металлов при простом растяже­ нии (сжатии) установить причины их разрушения в любом сложно­ напряженном состоянии.

Инженерных теорий прочности к настоящему времени выдви­ нуто много; их обычно делят на классические теории и на энерге­ тические. Все инженерные теории прочности, и классические и энергетические, за основной критерий прочности металла при­ нимают одну и ту же величину, а именно предел прочности этого металла при простом растяжении (сжатии), так как эта величина наиболее просто и сравнительно точно определяется эксперимен­ тально. Поэтому и условие прочности будет одно, общее для всех инженерных теорий прочности:

Орасч С [а],

т. е. для прочности всякой конструкции, находящейся в любом сложно-напряженном состоянии, необходимо, чтобы расчетное (эквивалентное) напряжение было не больше допускаемого на­ пряжения материала этой конструкции, по какой бы теории проч­ ности это расчетное напряжение определено ни было.

Расчетное же напряжение материала по разным теориям про­ чности может получать различные значения.

Из большого числа инженерных теорий прочности наиболее используемыми в современной расчетно-конструкторской практике являются пять.

Первая теория прочности, или теория наибольших нормаль­ ных напряжений, за причину разрушения всех металлов прини­ мает нормальные напряжения; согласно этой теории всякий металл, находящийся вследствие действия на него внешних сил в любом сложно-напряженном состоянии, начнет обязательно разрушаться тогда, когда в какой-либо точке его наибольшее нормальное напряжение достигнет той величины, которая наблю­ дается при разрушении этого металла (в прямом стержне) при простом растяжении (сжатии); расчетное напряжение по этой

Экспериментально эта теория прочности в общем случае не подтверждается и вследствие этого при расчетах сложно-напря­ женных элементов машин и конструкций в настоящее время не применяется. Ее применяют при расчете только элементов одно- оспо-деформируемых (при простом растяжении-сжатии), потому что в этом случае все теории прочности дают одну и ту же величину расчетного напряжения.

Вторая теория прочности, или теория наибольших линейных деформаций, за причину разрушения металлов принимает линей­ ные деформации (удлинения или укорочения); согласно этой теории всякий металл в любом сложно-напряженном состоянии начнет обязательно разрушаться тогда, когда наибольшая линей­ ная деформация в нем, в окрестностях какой-либо точки по ка­ кому-либо направлению, достигнет той величины, которая наблю­ дается при разрушении этого металла при простом растяжении {сжатии).

На основании зависимости между деформациями и напряже­ ниями по закону Гука, расчетное напряжение по этой теории прочности для общего случая трехосного напряженного состояния, при аг > <х2 > Од, будет

В частном случае двухосного напряженного состояния, при­ нимая сг2 = 0, получаем

Эта теория подтверждается экспериментально только для хруп­ ких металлов, или, вернее, для металлов, разрушающихся при явлениях хрупкого отрыва, а поэтому и применять ее можно для расчета конструкций только из этих материалов.

Третья теория прочности, или теория наибольших касатель­ ных напряжений, за причину разрушения металлов принимает касательные напряжения; по этой теории всякий металл в любом сложно-напряженном состоянии обязательно начнет разрушаться тогда, когда наибольшее касательное напряжение в какой-либо точке его достигнет той величины, которая наблюдается при раз­ рушении этого металла при простом растяжении (сжатии). Рас­ четное напряжение по этой теории во всех случаях сложно-на­ пряженного состояния (трехосного и двухосного) металла будет

ждается экспериментально, поэтому ею часто пользуются при рас­ четах сложно-напряженных конструкций и деталей машин из пластичных металлов.

Но она имеет и существенные недостатки:

1) в случае трехосного напряженного состояния материала, при аг > сх2 > Од, она не учитывает влияния среднего главного