Общая характеристика и виды усталости

 

Усталость возникает при многократных нагружениях деталей при напряжениях гораздо ниже предела прочности. Интенсивное исследование усталостных разрушений началось в период освоения паровых и других тепловых двигателей в машинах. В этот период стремление экономии металла и снижения массы машин привело к снижению их ресурса до поломок основных деталей. Особенно это касалось конструирования и освоения летательных аппаратов, которые должны быть особенно лёгкими, но выдерживать значительные нагрузки. Первые летательные аппараты выдерживали только несколько полётов, а затем разрушались от действия нагрузок ниже предела прочности. Эти явления в технике стали называть усталостью.

Статическая прочность детали, которая определяется на образцах, не зависит от предварительного нагружения. Усталостные повреждения, а следовательно, и усталостная прочность имеет значительно больше взаимозависимостей между нагрузками и показателями прочности, зависят от предварительного нагружения. Установить связь между усталостной прочностью и сроком службы деталей можно лишь для конкретных условий эксплуатации.

В процессе эксплуатации автомобиля могут быть две группы внезапных отказов: хрупкое разрушение при напряжениях, превышающих предел прочности и возникающие в результате постепенного необратимого накопления повреждений (развитие усталостных трещин и изнашивание).

Разрушение деталей при многократных нагружениях происходит при напряжениях значительно меньших, чем при однократном, иногда даже при напряжениях ниже предела упругости. Критериями усталостного разрушения металлов являются: предел выносливости (предел усталости) и долговечность.

Пределом выносливости называют наибольшее напряжение цикла σ_max, которое металл образца выдерживает без разрушения при неограниченном числе циклов нагружения.

Повторно переменные нагружения во времени (рис. 2.83) можно условно разделить на: знакопеременный симметрический цикл (1), знакопеременный асимметрический цикл (2), пульсирующий (3), знакопостоянный (4).

Рис. 2.83. Типичные гармонические циклы нагружения

 

Цикл напряжений характеризуется максимальным напряжением σ_max, минимальным σ_min, амплитудой σ _а = (σ_max- σ_min)/2, средним напряжением σ_m = (σ_max+ σ_min)/2 и коэффициентом асимметрии цикла R = σ_min / σ_max. Для знакопеременного симметричного цикла σ_m = 0; σ_max =- σ_min = σ_а; R = - σ_max/ σ_max = -1. Предел выносливости в этом случае обозначают σ_-1.

§ период цикла (τ_ц) – продолжительность очередного цикла;

§ частота циклов (f_ц) – число циклов в единицу времени (величина обратная периоду).

При симметричных циклах r = -1; отнулевых r = 0; ассимитричных знакопеременных 0> r> -1; знакопостоянных 0< r< 1.

Пределы выносливости для симметричных циклов обозначают индексом «-1» (например, σ_-1; τ_-1),для отнулевых (пульсирующих) – индексом «0» (например, σ₀; τ₀).

В качестве характеристики цикла можно принять коэффициент амплитуды, представляющий собой отношение амплитуды напряжений σ_а = 0,5(σ_max – σ_min) к максимальному напряжению цикла σ_max:

 

2.126

 

Величина α колеблется от 1 (симметричные циклы) до 0 (статистическая нагрузка) и имеет постоянный знак для всех циклов. Пределы выносливости обозначают соответствующим буквенным символом с цифровым индексом α (например, σ₁; σ_0,5; σ_0,25 – пределы выносливости соответственно для симметричного, от нулевого и знакопостоянного цикла с α =0,25).

С увеличением максимального напряжения долговечность (число циклов нагружения, при котором происходит разрушение в данных условиях испытания) снижается. Эту зависимость называют диаграммой выносливости (кривая Вёлера на рис. 2.84).

Кривая выносливости асимптотически приближается к горизонтальной линии, соответствующей уровню напряжения предела выносливости σ_R. Отношение σ_N /σ_R = К ₀ называется коэффициентом циклической перегрузки детали, σ_N – напряжение при числе циклов N. Для стали кривая выносливости в сухом воздухе, приблизительно после 1-2 млн. циклов нагружения, становится почти горизонтальной (К_о =0). Поэтому при определении предела выносливости обычно ограничиваются 6-10 млн. циклов нагружения.

Кривые выносливости цветных металлов медленно приближаются к горизонтальному участку. Поэтому за условный предел выносливости их принимают напряжение, которое выдерживает образец при числе циклов 50-100 млн.

 

Рис. 2.84. Кривая выносливости (1) и повреждаемости (2)

 

Кривая повреждаемости (кривая 2 на рис. 2.84) представляет связь между числом циклов и напряжениями, при которых разрушения еще нет, но уже происходят необратимые изменения его свойств и появляются первые усталостные трещины.

Основой для прогнозирования усталостных разрушений является уравнение кривой усталости, характеризующей зависимость числа циклов до разрушения от амплитуды напряжений. Параметры кривой усталости обусловлены величиной физико-механических характеристик материалов, определяемых по диаграмме нагружения и деформации (рис. 2.85, б). В зависимости от величины амплитуды напряжения усталостные разрушения разделяют на малоцикловые (при σ_т < σ_а <σ_B) и многоцикловые (при σ_r < σ_а < σ_т), что видно из формы усталостной характеристики (рис. 2.85, а)

При конструировании автомобилей и их дальнейшей доводке обычно на основе анализа эксплуатационных режимов работы стараются выйти за пределы малоцикловой усталости в область многоцикловой усталости, то есть обеспечить s_a<s_т.

Рис. 2.85. Типичная кривая усталости (а) и диаграмма нагружения (б) деталей: I - зона малоцикловой усталости; II - зона многоцикловой усталости; III - зона без усталости

 

При этом наблюдаются минимальные удельные затраты на изготовление и эксплуатацию (ремонт), что отражено на рис. 2.86. Поэтому большинство деталей агрегатов и систем автомобилей, подверженных усталостным разрушениям, работают в области многоцикловой усталости. Работа в области без усталости (s_a<s_т) экономически нецелесообразна из-за большой металлоемкости конструкций.

 

 

Рис. 2.86. Зависимость удельных затрат с' от амплитуды напряжений

σ_а: с_и' - на изготовление; с_э' - на эксплуатацию (ремонт); с_∑' - суммарные

 

Наименьший предел выносливости наблюдается при симметричном цикле нагружения. Выносливость стали при изгибе выше, чем при кручении (σ_-1)_кр и растяжении-сжатии (σ_-1)_р

 

(σ_-1)_р = (0,7-0,8) σ_-1 , (σ_-1)_кр = (0,57-0,62). (2.127)

 

Это обусловлено тем, что при кручении и растяжении-сжатии работает все сечения с большим количеством слабых мест (концентраторов напряжений), чем при изгибе.

Разрушение от усталости обычно является результатом дефектов при обработке поверхности детали, образования концентратов напряжений. Между шероховатостью поверхности и пределом выносливости существует экспоненциальная зависимость. С повышением чистоты поверхности меньше концентратов напряжений, с увеличением остаточных сжимающих напряжений, интенсивности и глубины наклепа увеличивается выносливость металла.

Установлены пропорциональные зависимости предела выносливости от статических механических характеристик

 

σ_-1 = a + bx, (2.128)

 

где х – предел текучести σ_т, предел прочности σ_в или твердость НВ.

Усталостное разрушение связано с пластической деформацией, при которой происходит взаимодействие дислокаций, скопление вакансий и зарождение усталостных трещин. Большую роль играют адсорбция, диффузия, коррозия.

Закономерность разрушения при усталости определяют возвратно-поступательные движения дислокаций и их взаимодействия между собой и другими дефектами кристаллической решетки. При этом возникают вакансии, локальное повышение напряжений и температуры, способствующие зарождению трещин.

На основании современных представлений о дислокационных механизмах образования и развития трещин под действием деформаций была предложена модель физического предела усталости (В.С. Иванова, В.Ф.Терентьев).

Сущность модели: в процессе циклического нагружения при критическом напряжении σ₀ в поверхностном слое толщиной 1-3 диаметра зерна происходит поверхностное упрочнение за счет повышения плотности образующихся дислокаций и процесса старения (рис: 2.87, а - в). По мере увеличения числа циклов нагружений и достижения линии образования субмикротрещин А ₁ Б ₁ происходят скопления дислокаций критической плотности.

Усталостное разрушение является результатом многократно повторенных быстро чередующихся упругих и пластических деформаций, распределяющих в силу неоднородности материала неравномерно по объему детали. Первичные повреждения возникают в микрообъемах, неблагоприятно ориентированных относительно действия нагрузки, преднапряженных местными дефектами. Постепенно накапливаясь и суммируясь, локальные повреждения дают начало общему разрушению детали.

В процессах усталостного повреждения большую роль играет очаговое тепловыделение в микрообъемах, подвергающихся деформациям. В результате повышения температуры прочность материала в микрообъемах снижается, что облегчает образование новых пластических сдвигов, которые, в свою очередь, способствуют повышению температуры. У закаленных сталей микронагрев вызывает локальный отпуск и возникновение в перенапряженных микрообъемах троститной или сорбитной структуры с пониженной по сравнению с мартенситом прочностью.

Тепловыделение в микрообъемах тем больше, чем больше амплитуда напряжений и меньше коэффициент асимметрии цикла. С другой стороны, местное повышение температуры зависит от свойств материала и его структурных составляющих. Повышение температуры в микрообъемах тем больше, чем меньше теплопроводность и теплоемкость материала и выше его циклическая вязкость, определяющая (на стадии упругих деформаций) долю необратимого превращения энергии колебаний в тепловую энергию.

 

 

 

Рис. 2.87. Кривая усталости при физическом пределе усталости

(по Ивановой В.С. и Терентьеву В.Ф.).

 

Поскольку можно свести в единую картину различные наблюдения, процесс возникновения усталостной трещины состоит из нескольких стадий (рис. 2.87).

Трещины зарождаются на первых этапах нагружения в границах кристаллических объемов как результат пластических сдвигов пачек кристаллических плоскостей, параллельных действию максимальных касательных напряжений, то есть направленных под углом примерно 45⁰ к растягивающим напряжениям (октаэдрические напряжения). В зависимости от ориентации кристаллов сдвиги могут происходить в одной плоскости, одновременно по двум (рис. 2.88, а, б) или трем (рис. 2.88, в) плоскостям.

На определенной стадии нагружения толща металла представляет собой мозаику из зерен, испытывающих пластическую деформацию (рис. 2.88, а), и зерен, менее напряженных в силу более благоприятной ориентации кристаллических плоскостей относительно касательных напряжений. Общая упругопластическая деформация металла происходит за счет вытяжки перенапряженных зерен относительно друг друга.

 

а

б

в

I

II

III

 

 

Рис. 2. 88. Ориентация кристаллов относительно действующих сил:

I, II – благоприятная; III - неблагоприятная

 

Образование зародышевых трещин в пределах зерна представляет собой (по Одингу) результат направленного размножения (диффузия) дислокаций типа вакансий к границам зерна (рис. 2.87, в). Скорость диффузии пропорциональна напряжениям и температуре и, следовательно, ускоряется в результате микронагрева металла.

Скопление вакансий вызывает разрыхление структуры, возникновение субмикропор и образование первичных трещин. В отдельных зернах появляются субмикротрещины (рис. 2.87, г). Дальнейшее увеличение нагружения до базового количества циклов N_R приводит к образованию равномерного упрочненного слоя с повышенной плотностью закрепленных дислокаций и большим количеством субмикротрещин и микротрещин, размер которых меньше размера зерна (рис. 2.87, д). В таком слое при сколь угодно большом числе циклов нагружения дальнейшего развития повреждений не наблюдается. Напряжение, при котором создается упрочненный поверхностный слой, соответствует физическому пределу усталости σ_R.

Если напряжения продолжают действовать, то процесс повреждения развивается. Постепенно распространяясь, дислокации выходят на поверхность зерна (рис 2.87, е). Здесь их движение приостанавливается главным образом из-за препятствия, создаваемого иной кристаллической ориентацией смежных зерен; разориетнтированность кристаллических поверхностей приводит к заклиниванию пластических сдвигов.

Другим препятствием служат межзеренные прослойки (поверхности спайности), обладающие из-за наличия примесей сильно искаженной атомно-кристаллической решеткой, иногда отличной по типу от кристаллической решетки зерна. Образуется своеобразный межзеренный барьер, эффективно тормозящий распространение повреждений. Для того чтобы преодолеть этот барьер, требуется напряжение, значительно превосходящее напряжение, вызывающие внутрикристаллитные сдвиги.

На определенном этапе происходит массовый прорыв дислокаций через межзеренные прослойки переход трещины в смежное зерно. Пробивное напряжение зависит от прочности прослойки и степени разориентировки кристаллических плоскостей смежных зерен. Легче всего преодолеваются прослойки между зернами с одинаково направленными кристаллическими плоскостями. Но случаи смежного расположения одинаково ориентированных кристаллов статистически редки.

Средняя величина напряжения, необходимого для преодоления межзеренных барьеров, определяет сопротивление усталости материала. Предел выносливости можно рассматривать как средний уровень напряжения, при котором трещины еще остаются в пределах зерен и частично или полностью залечиваются в периоды отдыха.

Выходя за пределы зерна, трещина скачкообразно расширяется, превращаясь в макротрещину, и меняет направление, продвигаясь по наиболее слабым участкам материала примерно перпендикулярно направлению действия максимальных растягивающих напряжений (рис. 2.87, е). Развитие трещины ускоряется из-за возникающей у ее основания резкой концентрации напряжений. Нагрев, происходящий при локальном разрушении, размягчает металл и, в свою очередь, облегчает распространение трещины. Макротрещина может расти под действием напряжений, гораздо более низких, чем напряжения потребные для преодоления межзеренного барьера, причем напряжения, необходимые для распространения трещины, уменьшаются по мере ее роста.

Одновременно развивается большое число трещин (рис. 2.87, е). Некоторые трещины, наталкиваясь н препятствия, останавливаются; другие продолжают развиваться. На определенном этапе процесс локализуется: разрастается преимущественно одна трещина или группа смежных трещин, опередивших в своем развитии остальные в силу сосредоточения на данном участке дефектов материала, локальных преднапряжений или в силу неблагоприятной ориентации кристаллов относительно действующих напряжений. Смежные трещины соединяются, образуя глубокую разветвленную систему. Новые пластические сдвиги и трещины не возникают, а успевшие образоваться – прекращают или замедляют свое развитие, так как все деформации принимает на себя главная трещина. Распространение главной трещины, в конечном счете, приводит к разрушению детали в результате уменьшения ее нетто-сечения.

В противоположность первым стадиям возникновения внутризеренных и межзеренных трещин, развивающихся в течение длительного времени, окончательное разрушение наступает внезапно и носит характер хрупкого излома. При напряжениях превышающих этот предел, происходит образование критической и развитие магистральной усталостной трещины (рис. 2.87, е), что приводит к хрупкому разрушению. Таким образом, последовательность модели физического предела усталости: дислокации – субмикро – микро – макротрещины – разрушение.

На усталостных изломах обычно обнаруживаются две зоны. Зона распространения усталостной трещины имеет матовую фарфоровидную поверхность, свойственную изломам с преобладанием транскристаллитного разрушения. На краях трещины нередко бывают видны заглаженные до блеска, наклепанные участки – результат соударения, смятия и истирания стенок трещины при периодических деформациях материала. Зона окончательного разрушения имеет кристаллическую поверхность, свойственную хрупким изломам с преобладанием интеркристаллитного разрушения (например, ударным изломам и изломам хрупких материалов).

В зоне разрушения обычно виден полосатый узор, состоящий из ряда параллельных линий – следов скачкообразного продвижения трещины по мере накопления повреждений.

Первые трещины почти всегда (за исключением деталей с крупными внутренними дефектами) возникают в поверхностном слое толщиной около трех поперечников зерна (для стали в среднем 0,05-0,20 мм). Чаще всего трещины образуются в поверхностных зернах, поврежденных действием предшествующей механической обработки.

Таким образом, поверхностный слой имеет определяющее значение для сопротивления усталости. Во-первых, при большинстве видов нагружения поверхностный слой подвергается максимальным напряжениям. Укладка атомов в поверхностном слое плотнее, чем в нижележащих. В результате взаимодействия с нижележащими, менее плотными слоями в поверхностном слое возникают растягивающие напряжения и образуются разрыхления, являющиеся потенциальным источником образования трещин.

Во-вторых, частицы металла, выходящие на поверхность, обладая только односторонними металлическими связями с нижележащим металлом, имеют повышенную активность и легко вступают в связи с частицами окружающей среды. На поверхности металла образуются прочные, неудалимые обычными способами адсорбированные пленки пара, газа, влаги, масел и так далее. Проникая через микротрещины в глубь металла, адсорбированные пленки нарушают сплошность металла и вызывают ослабление приповерхностного слоя. Большое влияние оказывает расклинивающее действие частиц поверхностно-активных веществ (например, активизированных смазочных масел), проникающих в микрощели на поверхности металла (эффект Ребиндера). При ширине щелей порядка сотых долей микрометра развиваются давления в несколько десятков и сотен МПа, способствующие разрушению металла.

В-третьих, следует отметить технологические факторы. Поверхностный слой всегда в большей или меньшей степени поврежден предшествующей обработкой. Механическая обработка представляет собой по существу процесс пластической деформации и разрушения металла, она сопровождается срезом зерен, выкрашиванием и вырывом отдельных зерен, появлением микротрещин и возникновением в поверхностном и приповерхностном слоях высоких остаточных напряжений растяжения, близких к пределу текучести материала. Тепловыделение при механической обработке вызывает частичную рекристаллизацию поверхностного слоя, а иногда сопровождается фазовыми и структурными превращениями.

При нагреве в процессе термообработки в поверхностном слое нередко происходят химические и фазовые изменения, например, в сталях – обезуглероживание (разложение цементита с образованием непрочной ферритной корки).

В-четвертых, поверхность металла подвержена атакам всех встречающихся в эксплуатации видов коррозии, вызывающей глубокие повреждения поверхностного слоя. Коррозия обычно распространяется по межзеренным прослойкам и микротрещинам.

Поверхности, работающие в условиях трения, подвержены еще одному виду ослабления – износу, который, нарушая кристаллическое состояние поверхностного слоя, существенно снижает циклическую прочность.

Таким образом, в поверхностном слое сосредотачиваются многочисленные и разнообразные субмикро-, микро- и макродефекты, вызванные механическими факторами и неизбежные по технологическим условиям образования поверхностного слоя, а также в силу особой роли наружного слоя как поверхности раздела между металлом и окружающей средой. Поверхностный слой является присущим каждой детали концентратом напряжений, влияние которого можно ослабить комплексом мероприятий, но нельзя устранить полностью.

Все факторы, нарушающие сплошность и однородность поверхностного слоя, и вызывающие очаги повышенных разрывающих напряжений, облегчают возникновение и развитие первичных трещин и резко снижают циклическую прочность материала. Напротив, уплотнение природно-рыхлой структуры поверхностного слоя, создание в нем предварительных напряжений сжатия, хотя бы на небольшой глубине (наклеп, накатывание), значительно повышают сопротивляемость материала циклическим нагрузкам.

Поверхностный слой упрочняют химико-термической обработкой, поверхностным термодиффузионным легированием, уплотнением с помощью наклепа и так далее. Существенное значение имеет устранение макро- и микродефектов в поверхностном слое, в частности дефектов, вызванных механической обработкой.

Как установлено опытами, циклическая прочность, в противоположность статической, слабо зависит от величины зерна (в обычном для конструкционных сталей в диапазоне размеров зерен 10-50 мкм). Это объясняется тем, что сопротивление разрушению определяется напряжением, необходимым для преодоления первых межзеренных барьеров, после прорыва, которых трещина, скачкообразно расширяясь, легко пересекает все последующие барьеры, распространяясь обычным для макротрещин путем (при умеренных температурах транскристаллитно, а при повышенных – интеркристаллитно).

Заметное падение предела выносливости наблюдается лишь при очень крупном зерне (>100 мкм), что обусловлено пониженным сопротивлением внутризеренным сдвигам вследствие огрубления структуры зерна (укрупнение субзерен и внутризеренных блоков).

Развитие усталостных повреждений схематически представлено на рис. 2.89. На первых стадиях нагружения возникают, сначала в отдельных кристаллических объемах, пластические сдвиги, не обнаруживаемые обычными экспериментальными методами (светлые точки). С повышением числа циклов и уровня напряжений сдвиги охватывают все большие объемы и переходят в субмикроскопические сдвиги, наблюдаемые с помощью электронных микроскопов (точки со штрихами).

 

 

Рис. 2.89. Схема возникновения усталостных трещин

При определенном числе циклов и уровне напряжений (кривая 1) образуется множество трещин видимых под оптическим микроскопом (заштрихованные точки). Начало образования металлографически обнаруживаемых трещин условно считают порогом трещинообразования. У низколегированных и углеродистых сталей первые трещины появляются при напряжениях, равных 0,7-0,8 разрушающего напряжения; у высоколегированных сталей и сплавов алюминия и магния микротрещины обнаруживаются уже при напряжениях, равных 0,4-0,6 разрушающего напряжения. Порог трещинообразования снижается с укрупнением зерна.

Микротрещины могут длительное время оставаться в пределах кристаллических объемов (не распространяющиеся трещины), не вызывая заметного снижения прочности.

С приближением напряжений к пределам выносливости развитие трещин вступает в критическую фазу (кривая 2); микротрещины прогрессивно расширяясь, превращаются в макротрещины (полузачерненные точки), которые приводят к разрушению (черные точки на кривой 3). Практически предел выносливости лежит несколько ниже кривой 2, которая в зависимости от свойств и кристаллического строения металла соответствует напряжениям, равным 0,8-0,9 разрушающего напряжения.

Первую группу внезапных отказов (грубое нарушение правил эксплуатации) прогнозировать невозможно, вторую (усталостные разрушения) можно при известной величине напряжений. Для определения величины напряжения необходимо знать нагрузочный режим, по которому следует вычислить эквивалентные напряжения, характеризующие усталость металла. Износостойкость определяют при этой же величине нагрузки, так как износ твердых тел есть следствие повторного деформирования микрообъемов материала, образования в результате этого трещин и отдельных частиц

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: