Усталостная прочность чугуна

21.10.2019

При многократном нагружении и изменении знака или величины напряжения разрушение происходит под меньшими нагрузками, чем при статическом испытании, а число циклов нагружения или «долговечность» тем больше, чем меньше напряжение. При этом существует предельное максимальное напряжение (предел выносливости или усталости), при котором разрушение не происходит ни при каком числе циклов (этот предел обычно определяется на базе 10в6—10в7 циклов). Такого рода испытания возможны в любом напряженном состоянии (растяжение — сжатие, изгиб, кручение), но чаще всего — при изгибе и кручении.

Определение предела выносливости большей частью проводится при симметричном цикле изменения напряжений, при котором определяется так называемый предел выносливости при вибрации (о-1р при растяжении — сжатии, о-1 — при изгибе и т-1 — при кручении). В этом случае напряжения, колеблющиеся от максимума (омакс) до минимума (омин), равны между собой (например, от +10 до -10 кГ/мм2). При этом среднее напряжение цикла равно нулю:
Усталостная прочность чугуна

Во всех других случаях (асимметричные циклы) средние напряжения имеют какие-то положительные или отрицательные значения. При этом напряжения асимметричного цикла можно представить как сумму постоянно действующего среднего напряжения оср и наложенного переменного напряжения симметричного цикла ±оа, так что предельные максимальные и минимальные напряжения ок определяются

В частном случае, когда оср—оа, колебания напряжений происходят от 0 до 2оа (так называемая пульсация или отнулевой цикл о0). Напряжения в этом случае меняют только свою величину, знак их не изменяется. Полная диаграмма асимметричных циклов серого чугуна имеет вид, представленный на рис. 193. В данном случае чугун имеет ов = 25 кГ/мм2, ос = 92 кГ/мм2, о-1 = 8 кГ/мм2, о0 = 15 кГ/мм2 в области растяжения и 36 кГ/мм2 в области сжатия. Пользуясь этой диаграммой и помещенной над ней кривой изменения коэффициента несимметричности К = омин/омакс, меняющего свое значение от +1,0 до -1,0, можно определить значение предела выносливости при любой амплитуде колебания цикла. Пределы выносливости (ок) в области сжатия значительно больше, чем в области растяжения. Поэтому полезно создать в чугуне постоянно действующее сжимающее напряжение, чтобы при данной амплитуде колебаний цикла напряжения все время оставались в области сжатия.

Достоверная теория усталостной прочности еще не создана. Однако известно, что усталостное разрушение происходит без видимой деформации, но при повторных локальных суб- и микродеформациях отдельных неблагоприятно ориентированных кристаллитов. Под влиянием этих циклических нарушений образуются микро- и макроскопические трещины усталости, преимущественно вблизи выделений графита, приводящие в определенный момент к полному разрушению, несмотря на то, что напряжения ни разу не превзошли даже половины статической прочности. При этом предел выносливости еще значительно снижается при наличии надрезов. Наилучшая, хотя иногда и нарушаемая связь наблюдается между выносливостью и пределом статической прочности. Можно принять в общем виде

где m и с — константы, зависящие от типа чугуна.

Из (III. 37) следует, что коэффициент эквивалентности предела выносливости понижается с повышением статической прочности ов. Так, например:

Вместе с тем коэффициент эквивалентности усталостной прочности зависит также от структуры чугуна. Например, при одной и той же статической прочности перлитная структура характеризуется более высоким отношением о-1:ов, по фактически большая прочность перлитного чугуна понижает это отношение. Это приводит к тому, что с повышением прочности предел выносливости достигает максимума и затем начинает понижаться, стабилизируясь для серого чугуна на значениях о-1—14/15 кГ/мм2. Вообще же перлитные и бейнитные структуры характеризуются высокой выносливостью; аустенитная, наоборот, — низким сопротивлением циклическим нагрузкам. Например, при пластинчатом графите значения усталостной прочности характеризуются следующим образом 162):

Большое влияние оказывает и форма графита, причем не только вследствие изменения предела статической прочности, но и непосредственно. Так, например, как видно из ранее приведенных данных, шаровидный графит даже при одной и той же прочности и одинаковой структуре матрицы обеспечивает более высокое отношение о-1:ов, чем хлопьевидный и тем более пластинчатый графит. Если же учесть также повышение предела статической прочности при шаровидном графите, то станут очевидны все преимущества высокопрочного чугуна в условиях воздействия циклических нагрузок. Таким образом, наилучшими в этом отношении являются чугуны с перлитной или бейнитной структурой и с шаровидным графитом.

Вместе с тем нельзя упускать из вида и некоторые весьма важные преимущества ферритной структуры: меньшая чувствительность к надрезам, более высокая сопротивляемость перегрузкам и большая эффективность поверхностного упрочнения. Как указывалось, надрезы резко понижают предел усталости, хотя в чугуне это проявляется в гораздо меньшей степени, чем в стали. При этом эффективный коэффициент концентрации (Kо = о-1/о-1к понижается при ферритизации структуры и при наличии пластинчатого графита. И действительно, как видно из данных И.С. Григорьева, увеличение количества феррита в структуре высокопрочного чугуна уменьшает эффективный коэффициент концентрации Kо (рис. 194), вследствие чего при ферритизации структуры абсолютное значение предела выносливости в присутствии надреза практически почти не меняется, несмотря на увеличение усталостной прочности гладкого образца. То же, но в еще большей степени, проявляется при пластинчатом графите:

Таким образом, эффективный коэффициент концентрации (Kо) серого чугуна колеблется в пределах от 1,0 до 1,6, а высокопрочного чугуна — от 1,4 до 2,0. При этом чем больше графита и крупнее его выделения, а также чем больше феррита в структуре, тем меньше влияние надреза, а следовательно, и значение эффективного коэффициента концентрации. Пo данным И.О. Цыпина, он может быть даже меньше единицы при испытании образцов, вырезанных из толстостенных отливок.

Другим преимуществом ферритной матрицы в некоторых условиях является более высокая сопротивляемость перегрузкам. Известно, что большая и длительная перегрузка чугуна сверх предела выносливости понижает долговечность и усталостную прочность в тем большей степени, чем больше предварительное напряжение и число циклов и, наоборот, усталостная прочность и долговечность повышаются, если образец подвергнут статическим или циклическим напряжениям ниже предела выносливости. Эта реакция на предварительное напряжение в сильной степени зависит от структуры матрицы и от наличия надрезов в образце. Наличие феррита, а также надрезов уменьшает отрицательное влияние перегрузки и увеличивает положительное влияние недогрузки. Так, в сером чугуне 10-процентные перенапряжения над пределом выносливости, практически не влияют на усталостную прочность гладкого образца, в присутствии же надрезов предел выносливости повышается примерно на 5% при перенапряжениях до 30%. Для серых чугунов более высоких классов это сопротивление перегрузке понижается. Такое же повышение предела выносливости наблюдается в ферритном высокопрочном чугуне при перенапряжениях до 1,2о-1, в перлитных же чугунах такого благоприятного влияния низких перегрузок не наблюдается. При более значительных перенапряжениях предел выносливости понижается даже в ферритном чугуне с шаровидным графитом, в то время как в сером чугуне, по крайней мере средних марок, благоприятное влияние перегрузки наблюдается даже при перлитной структуре и при напряжениях до 1,3о-1.

Положительное влияние ферритной структуры сказывается также при недогрузках, особенно при напряжениях близких к пределу выносливости (малые напряжения остаются в этом случае без влияния). Так, например, предел выносливости высокопрочного чугуна при предварительном напряжении недогрузки 0,96о-1, изменился следующим образом (по данным Г. Гильберта):

Следовательно, недогрузка не проявила себя в случае перлитной структуры, у ферритного же чугуна предел выносливости увеличился при наличии надрезов, которые по существу имеются на практике почти во всех реальных деталях, работающих признакопеременных нагрузках. Таким образом, тренировка высокопрочного чугуна с постепенным повышением напряжения от значений несколько ниже о-1, до значительно превосходящих предел выносливости повышает усталостную прочность чугуна. Весьма положительно проявляется влияние недогрузки и на сером чугуне средних марок (ов = 14 кГ/мм2 и о-1 = 6,5 кГ/мм2). Однако в серых чугунах высоких марок это влияние мало заметно.

Наконец, третьим преимуществом ферритной структуры является большая эффективность поверхностного упрочнения (высокочастотная закалка, дробеструйная обработка и обкатка роликами). И в этом случае указанное влияние проявляется особенно интенсивно в присутствии надрезов. Как видно из рис. 195, повышение давления при обкатке роликами сначала увеличивает предел выносливости чугуна, а затем понижает. Существенное значение имеет также увеличение скорости подачи ролика. При ферритной структуре это повышение достигает 100—150%, а при перлитной — 20% для серого чугуна и свыше 100% для высокопрочного чугуна. По данным И.В. Кудрявцева и др., обкатка роликами повышает предел выносливости высокопрочного чугуна на 18—28%, дробеструйная очистка — на 15—50%, высокочастотная закалка — на 19—100% (верхние пределы относятся к образцам с надрезом, нижние — к гладким образцам).

Таким образом, выбор оптимальной структуры матрицы в условиях циклической нагрузки зависит от ряда условий. Наиболее благоприятной структурой чаще всего является перлитная, но в некоторых случаях предпочтение следует отдать ферритной или феррито-перлитной матрице.

Приведенные значения предела выносливости относятся к наиболее распространенному методу испытания — изгибу. Соотношение свойств, определенных другими методами нагружения, зависят от многих факторов, в том числе от структуры, а значит, и от прочности чугуна. Например, отношение пределов выносливости при кручении и изгибе высокопрочного чугуна колеблется в пределах от 1,0 до 0,6 и тем ниже, чем выше прочность чугуна. В среднем можно принять следующие соотношения о-1р:о-1:т-1:

Чугун характеризуется очень высоким отношением т-1:о-1р и, следовательно, очень высоким значением предела выносливости при кручении, который по абсолютной величине почти такой же, как у стали, а у высокопрочного чугуна даже больше на 20—60%.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна