Усталость металлов

Усталость металловУСТАЛОСТЬ МЕТАЛЛОВ, явление изменения механических свойств материала под влиянием переменных нагрузок и вибраций. Развитие авто- и авиастроения, а также тенденция современного машиностроения в сторону быстроходных моторов, электродвигателей, турбин и прочего требуют знания свойств металлов при переменном действии (до сотен миллионов циклов) нагрузки. Вследствие этого вопросами усталости металлов занимаются виднейшие металловеды современности. Еще Велер (Wohler) показал, что сталь, испытывающая переменные напряжения (динамические воздействия сил) в быстроходных машинах, разрушается при значительно меньшем напряжении, чем сталь, подвергаемая только статическому действию сил. Баушингер (Bauschinger) установил, что у стали существует т. н. предел усталости, т. е. такое напряжение, при котором сталь практически выдерживает не менее 10000000 изменений напряжений.

Как видно из логарифмической диаграммы зависимости разрушающего напряжения σb от числа изменений нагрузки образца или, как принято это называть, от числа циклов n (фиг. 1), кривая при приближении к миллиону изменений нагрузки (циклов) становится параллельной горизонтальной оси, что указывает на достижение предела усталости Кг.

Логарифмическая диаграмма зависимости разрушающего напряжения от числа изменений нагрузки образца

Кроме того опыты показали, что величина этого предела усталости различна для разных сталей и что даже у двух сталей А и Б (фиг. 1) с одинаковым статическим временным сопротивлением предел усталости м. б. различным - сталь А несмотря на худшие механические свойства при меньшем числе изменений нагрузки обладает более высоким пределом усталости К'г, нежели сталь Б - К”r. Когда какая-нибудь деталь в службе ломается вследствие усталости металла, излом ее (фиг. 2) обычно состоит из двух характерных частей: 1) крупнокристаллической а в середине, получившейся в момент окончательного разрушения образца, и 2) мелкозернистой б, получившейся вследствие трения первоначальных трещин и надрывов при многочисленных изменениях напряжений. При этом никакой видимой остаточной деформации в виде изгиба или сужения поперечного сечения, как это бывает в случае разрушения при статической нагрузке, при усталости не наблюдается.

Излом детали от усталости металла

Причиной усталости металлов являются трещины, которые, по мнению Розенгейна, возникают благодаря сосредоточениям местных напряжений в точках исчерпания пластичности металла. Первая появившаяся, хотя бы микроскопическая, трещина является надрезом с острым входящим углом, в вершине которого происходит значительное увеличение местных напряжений, в результате чего трещина распространяется в ширину и глубину. Переменные деформации оставшейся целой части сечения вызывают трение одной стенки трещины о другую, вследствие чего поверхность излома сглаживается и получает характер мелкозернистости; после того как сечение достаточно ослаблено трещинами, остальная уцелевшая часть сечения ломается сразу, давая характерный, ясно выраженный кристаллический излом. Если прервать испытание на усталость после нескольких миллионов изменений напряжений (циклов), то металл, несмотря на отсутствие остаточной деформации, является значительно упроченным и более твердым. Это явление подобно наклепу после холодной обработки или после перехода предела упругости при статических испытаниях. Если же образец стали подвергать нескольким тысячам циклов напряжений выше предела усталости, то он окончательно портится и в дальнейшем не выдерживает большого числа циклов даже при напряжениях более низких, чем его предел усталости. Кроме того часто бывает, что несмотря на низкие расчетные напряжения действительные напряжения вследствие резких переходов, острых углов, шпоночных канавок, нарезок и т. д. значительно превышают расчетные. Поэтому конструкции, подвергающиеся переменному действию напряжений, не должны иметь резких переходов, острых углов, а также и местных уменьшений сечений. Начало образования трещин обычно лежит в месте сосредоточения напряжений: гл. обр. во входящих острых углах, хотя бы весьма малой величины, например, в форме царапин или следов инструмента, оставшихся после обработки; поэтому создание гладких шлифованных поверхностей без мелких царапин и трещин повышает сопротивляемость усталости. Загрязненный и пузыристый металл и внутренние дефекты, подобные трещинам, также сильно понижают предел усталости. Применением чистого металла и введением специальных новых сплавов и сложных сталей удалось значительно повысить этот предел. Вообще однородные тонкие сорбитные структуры обладают очень высоким пределом усталости, тогда как у перлитно-ферритных агрегатов, особенно с грубым перлитом, этот предел низкий. Лер (Lher) испытал влияние поверхностных царапин на понижение предела усталости и нашел, что мягкие углеродистые стали мало чувствительны к поверхностным повреждениям, тогда как высокоуглеродистые очень к ним чувствительны. Большая вязкость и большое поглощение энергии мягкими сталями делают невозможным появление высоких местных напряжений и разрывов в поврежденных местах, и происходящие в них местные деформации выравнивают распределение напряжений. Резкие изменения сечения значительно понижают предел усталости. Например, при испытании образцов, вырезанных из сталей для коленчатых валов, образец с резким утолщением сечения в середине дал предел усталости всего 36 кг/мм2, тогда как у образца без этого утолщения предел усталости был 58 кг/мм2. Временное сопротивление этой стали 126 кг/мм2. Если какая-нибудь деталь подвергается часто изменяющимся колебаниям нагрузки, весьма важно устранить у нее всякое разъедание поверхности, т. к. оно очень сильно понижает предел усталости. Мак-Адам (Mac-Adam) блестяще показал влияние коррозии при усталости, например, по его опытам предел усталости стали, лежавший около 80 кг/мм2, понизился после коррозии в десять раз, т. е. до 8 кг/мм2. Он ввел особый тип испытаний на усталость металлов при одновременной коррозии их. Кроме этого обезуглероживание поверхности, присутствие ржавчины, окалины или остатков внутренних напряжений после закалки, ковки, холодной обработки и пр. также весьма сильно снижают предел усталости.

Машины для испытания металлов на усталость. По основным видам напряжений машины для испытания на усталость можно разделить на следующие четыре типа: 1) при повторно-переменном изгибе; 2) при растяжении, сжатии; 3) при кручении и 4) при изгибе с перегибом. Помимо этого существуют машины для испытания металлов на усталость при повторной ударной нагрузке, а также для исследования длительного действия высоких температур на устойчивость нагруженного образца против деформации. На фиг. 3 изображена самая распространенная простая и недорогая машина профессора Мура (Moore) для определения предела усталости при изгибе вращающегося около своей оси образца, а на фиг. За дана ее схема.

Машина профессора Мура (Moore) для определения предела усталости при изгибе вращающегося около своей оси образца

Схема машины профессора Мура (Moore) для определения предела усталости при изгибе вращающегося около своей оси образца

Образец а нагружается с помощью груза Р через систему двух тяг б и двух шариковых подшипников в, так. обр. образец подвергается чистому изгибу постоянным моментом lP/2. Следовательно верхние волокна образца подвергаются сжатию, а нижние - растяжению; после поворота образца на 180° сжатые волокна попадут вниз и испытают растяжение, а растянутые, наоборот, попадут вверх и будут сжиматься. Т. о. при вращении от электромотора г периферические волокна образца подвергаются переменному растяжению-сжатию. Имея большое количество образцов одного какого-нибудь металла, их подвергают испытанию сначала при небольшом напряжении. Число оборотов берут по счетчику: для стали - около 10000000, а для некоторых сплавов дуралюмина, монеля и пр., не обладающих явным пределом усталости, гораздо больше, например 500000000. Постепенно увеличивая напряжение, доводят один из серии образцов до разрушения при числе оборотов, меньшем вышеуказанного. Тогда наибольшее из напряжений, не разрушившее образца, и будет пределом усталости. Конечно, эти испытания очень длительны. За последнее время в Германии изобретены способы и сконструированы машины для быстрого определения предела усталости по резкому изменению в момент достижения предела усталости температуры образца или мощности, поглощаемой им при деформации. В некоторых машинах определение предела усталости очень наглядно улавливается по образованию петли гистерезиса, о которой ниже будет сказано подробно. Следует отметить, что зарождение внутренних трещин, т. е. начало усталости в некоторых материалах, появляется настолько медленно и незаметно, что в некоторых случаях методы быстрого определения предела усталости ненадежны. Обычный способ определения предела усталости длительными испытаниями образцов по своей надежности является незаменимым. Только в соединении с ним быстрые методы ускоряют результаты испытаний, нащупывая приблизительно предел усталости, который затем проверяется длительными испытаниями. Помимо этого, однако, не которые из быстрых методов имеют и самостоятельное значение. На фиг. 4 изображена диаграмма изменений прогиба f образца (кривая а), его температуры t (кривая б) и мощности N, поглощаемой им при вращении (кривая в), в зависимости от изменения величины σ переменных напряжений.

Диаграмма изменений прогиба образца, его температуры и мощности, поглощаемой им при вращении, в зависимости от изменения величины переменных напряжений

Стальной образец диаметром 7,5 мм при испытуемой длине 75 мм обнаружил резкое возрастание температуры и поглощаемой мощности при переменном напряжении σ = 47 кг/мм2. Предел усталости Кr этой стали, определенный обычным длительным испытанием, оказался также равным 47 кг/мм2. Лер произвел подробные испытания при переменном изгибе над 150 различными металлами, причем в 70% случаев предел усталости, определенный быстрым методом по поглощению образцом энергии и полученный длительным испытанием по классическому методу Велера (Vohler), совпал. Для остальных 30 % случаев предел усталости, определенный быстрым методом, был несколько ниже полученного длительным методом.

На фиг. 5 изображена машина для испытания на усталость типа Мура со всеми приспособлениями для быстрого определения предела усталости: а - электромотор постоянного тока, вращающий образец; у мотора статор может поворачиваться относительно оси мотора, что и позволяет определить вращающий момент, а следовательно и мощность, затрачиваемую на деформацию образца; б - образец и опоры с индикаторами, показывающими прогиб; в - пирометр, измеряющий температуру образца; г - мотор-генератор, превращающий переменный ток в постоянный; д - распределительная доска с электроизмерительными приборами и регулировочными реостатами; е - маховичок, передвигающий груз по рычагу для изменения нагрузки образца.

Машина для испытания на усталость типа Мура со всеми приспособлениями для быстрого определения предела усталости

Замечательный пример машины для испытания на усталость при растяжении-сжатии представляет машина Шенка, основанная на принципе использования резонанса между двумя колебательными системами: упругой механической и электрической. Такая машина позволяет осуществить 30000 перемен напряжений в мин. На фиг. 6 изображена схема этой машины.

Схема машины для испытания на усталость типа Мура со всеми приспособлениями для быстрого определения предела усталости

Образец а укрепляется своим верхним концом в колоколе б весом 500 кг. Колокол опирается двумя пружинами в на станину машины весом 750 кг. Натягивая эти пружины, можно давать любое предварительное напряжение образцу. Нижний конец образца укрепляется в якоре г весом 50 кг, который периодически притягивается и отталкивается электромагнитом д и вызывает растяжение-сжатие образца. Образец малого размера: диаметр его 5 мм, а расчетная длина 50 мм. Якорь г соединен со станиной двумя входящими одна в другую толстостенными стальными трубами е, упругие деформации которых являются механической колебательной системой машины. Электрическая часть машины состоит из частотного генератора, дающего переменный ток с 500 пер/сек., и генератора постоянного тока. Электромагнит д имеет 2 обмотки: первая, питаемая током высокой частоты, вызывает колебания якоря г, а вторая создает постоянное поле магнита и служит связью между электрическими и механическими колебательными системами. Обе системы имеют одинаковое число колебаний в секунду. Подобно машине для испытания на усталость при изгибе эта машина также имеет оборудование для изменения энергии, поглощаемой образцом, его температуры и деформации.

Машина Шенка для испытания на усталость при кручении позволяет получить во время опыта петли гистерезиса

Машина Шенка для испытания на усталость при кручении позволяет получить во время опыта петли гистерезиса (фиг. 7), т. е. явления отставания деформации от изменения нагрузки. На этих кривых по вертикальной оси откладывается угол закручивания ϕ образца, а по горизонтальной - напряжение τ или крутящий момент. Образование петли гистерезиса служит признаком перехода предела усталости. До напряжения ±40 кг/мм2, пока предел усталости не перейден, кривая а представляет собой наклонную прямую, а по переходе его - при напряжении ±45, ±50 и ±53 кг/мм2 (кривые б, е и г) - появляются характерные петли гистерезиса, площадь которых дает количество энергии, поглощаемой образцом за один цикл. Помимо этого при испытании определяется изменение температуры образца и количество перемен напряжений. На фиг. 8 изображена схема машины завода MAW для испытания на усталость при сгибе с повторным перегибом. Намагничивая и размагничивая электромагнит а, можно подвергать образец б повторному перегибу. Зная модуль упругости испытуемого образца и получающуюся при опыте деформацию, легко определить возникающие в нем напряжения. Эта машина имеет большое практическое значение, особенно при испытании на усталость пружинной проволоки и образцов мелких сечений.

Схема машины завода MAW для испытания на усталость при сгибе с повторным перегибом

В общем, обычные испытания на усталость сводятся к определению следующих величин: 1) определению предела усталости по длительному испытанию нескольких образцов; 2) построению кривой поглощения образцом энергии; 3) получению петли гистерезиса; 4) построению кривой деформации образца; 5) построению кривой изменения температуры образца. Для всестороннего исследования вопроса об усталости металлов важно определение всех этих величин. Лер указывает, что для деталей, работающих с высокими напряжениями (рессоры и пружины), особенно важно иметь высокий предел усталости. Для деталей же, подвергающихся свободным колебаниям(коленчатые валы с большим числом оборотов), требуется большая площадь петли гистерезиса или большое количество поглощаемой энергии до предела усталости. Тогда рост колебаний будет задерживаться внутренним поглощением энергии материалом. При сравнении результатов испытаний на усталость при изгибе с числом перемен напряжений 3000 в минуту и при растяжении-сжатии с числом 30000 перемен в минуту оказалось, что в последнем случае (при высокой частоте) предел усталости выше; повышение для сталей иногда достигает 12%, а для латуни даже 35%. Предел усталости при кручении составляет не более 50% предела усталости при изгибе.

Общий вид машины Лозенгаузена (Loosenhausen) для испытаний на усталость металлов при повторной ударной нагрузке

В некоторых случаях производятся испытания на усталость металлов при повторной ударной нагрузке; на фиг. 9 изображен общий вид машины Лозенгаузена (Loosenhausen) для таких испытаний. Образец диаметром 15 мм, лежащий на двух опорах с расстоянием 100 мм, подвергается в середине ударам бабы весом в 5 кг, падающей с высоты 30 мм; между ударами образец поворачивается на 180°; число ударов учитывается счетчиком. Подъем бабы производится кулачковым валом, приводимым во вращение от электромотора. В случае разрушения образца баба, падая вниз, автоматически выключает кулачковый вал. Для ускорения и увеличения пропускной способности эти машины строят двойными. Машины для испытаний при повторной ударной нагрузке весьма практичны для исследования чугунов, так как при этом гораздо лучше, чем при статических испытаниях на изгиб, выявляется преимущество высокосортных перлитных чугунов перед обыкновенными.

Диаграмма удлинения ε в зависимости от времени t для напряжений σ1, σ2, σ3, σ4

Особое место занимают испытания на устойчивость металлов против деформации под влиянием постоянного напряжения при высоких температурах. При этих испытаниях образец нагревается и поддерживается при постоянной высокой температуре при посредстве электропечи; нагрузка производится при помощи рычага постоянным грузом; деформация измеряется точным экстензометром и для хорошего материала должна иметь величину, очень близкую к постоянной. На фиг. 10 изображена диаграмма удлинения ε в зависимости от времени t для напряжений σ1, σ2, σ3, σ4. Металл считают механически устойчивым при высоких температурах, если Δε/Δtне превосходит обусловленной техническими условиями величины при определенном числе часов испытания. Результаты испытаний низкоуглеродистой стали, аустенитной хромоникелевой нержавеющей стали КА2 и нихрома № 1100 приведены в таблице.

Результаты испытаний низкоуглеродистой стали, аустенитной хромоникелевой нержавеющей стали КА2 и нихрома № 1100

Результаты обычных испытаний на усталость. Мягкое технически чистое железо имеет предел усталости при изгибе-вращении около 60% от его временного сопротивления; у низкоуглеродистых отожженных или нормализованных сталей с 0,10—0,15% углерода он около 50%, а по мере увеличения содержания в стали углерода он понижается до 40 и даже 28%; абсолютная же его величина все время увеличивается. Холодная обработка также дает абсолютное увеличение предела усталости, но уменьшение его относительно временного сопротивления: мягкое технически чистое железо после холодной обработки имеет предел усталости всего 45% от временного сопротивления. Самого высокого предела усталости у стали можно добиться при получении у нее однородной сорбитной структуры без внутренних напряжений, т. е. после закалки и длительного отпуска. В такой стали, если она лишена значительных количеств неметаллических включений, внутренних трещин и т. д., предел усталости составляет 45—55% временного сопротивления, которое м. б. 150 кг/мм2. При временном сопротивлении выше 200 кг/мм2 вследствие внутренних напряжений предел усталости не обнаруживает заметного абсолютного повышения. Аустенитные стали имеют предел усталости, равный ~ 50% от временного сопротивления, и подобно чисто ферритным агрегатам обнаруживают предел пропорциональности ниже предела усталости. Цементированные и нитрированные стали хорошо сопротивляются усталости металла, хотя всегда есть опасность образования трещин вследствие хрупкости их поверхности, что наблюдается часто у оцинкованных сталей. Цементированные стали имеют предел усталости около 40 кг/мм2, а нитрированные - около 60 кг/мм2. Хорошо отожженные стальные отливки имеют предел усталости около 40% от временного сопротивления, а серый чугун, по причине наличия графитных выделений, действующих подобно трещинам, обладает неопределенным и низким пределом усталости, зависящим от размеров и форм пластинок графита в нем. При наличии коррозии предел усталости всегда очень низок и редко превышает 15 кг/мм2, даже нержавеющие стали и те чувствительны к коррозии. Испытания на усталость цветных металлов обнаруживают весьма разнообразную картину, в общем же их предел усталости почти всегда ниже, чем у стали, и холодная обработка не всегда его повышает.

Некоторые цветные металлы при временном сопротивлении в 60 кг/мм2 дают предел усталости всего 10 кг/мм2. Мягкая медь имеет предел усталости около 7 кг/мм2, но холодной обработкой он м. б. повышен. Никель и в особенности монель-металл (сплав никеля с медью) не имеют ясно выраженного предела усталости: после 500000000 изменений напряжений они выдерживают 15—20 кг/мм2, благодаря стойкости в отношении коррозии они лучше обычной стали сопротивляются усталости при разъедании. Закаленный и состаренный дуралюмин также после 500000000 циклов дает предел усталости около 10 кг/мм2; поковки для пропеллеров имеют этот предел около 7 кг/мм2. Дуралюмин боится коррозии соленой водой, но, покрытый тонким слоем чистого алюминия, может выдержать перемены напряжения до 7 кг/мм2 в условиях сильного разъедания. В общем, испытания на усталость металлов в настоящее время являются делом исследовательских институтов и лабораторий. Они сложны, длительны и требуют самого тщательного выполнения, однородности образцов и т. д. С помощью их выявляются общие основы для оценки разных сплавов и их термообработки, служить же рядовыми испытаниями для повседневного контроля заводской продукции они пока еще не могут.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 24 - 1934 г.