Исследование механических свойств конструкционных материалов в разных эксплуатационных условиях


Г. В. Пачурин








ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В РАЗНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ УСЛОВИЯХ

Под общейредакцией Г.В. Пачурина



2-е издание, исправленное и дополненное



Допущено УМО высших учебных заведений РФ по образованию в области материаловедения, технологии материалов и покрытий в качестве учебного пособия по дисциплинам специализаций для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов 22.03.01 «Материаловедение, технологии материалов и покрытий» (специальность «Материаловедение в машиностроении»)













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 620.178.3+620.194
ББК 34.2
     П12


Рецензент:
заведующий кафедрой «Материаловедение и технологии новых материалов» НГТУ доктор технических наук, профессор Г. Н. Гаврилов







     Пачурин, Г. В.
 П12 Исследование механических свойств конструкционных материалов в разных эксплуатационных условиях : учебное пособие / Г. В. Пачурин ; под общ. ред. Г. В. Пачурина. - 2-е изд., испр. и доп. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 148 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0823-3

     Освещены вопросы, связанные с прогнозированием эффекта пластической деформации на поведение в различных условиях эксплуатации широкого класса металлов и сплавов. Дана технология исследования механических свойств и процесса разрушения пластически обработанных металлических материалов в различных условиях нагружения.
     Для студентов машиностроительных специальностей. Может быть полезно при подготовке специалистов по материаловедению, металловедению и обработке металлов давлением, а также для научных и инженерно-технических работников предприятий автомобильной, авиационной, судостроительной и других металлообрабатывающих областей машиностроения, работников лабораторий.
УДК 620.178.3+620.194
                                                  ББК 34.2







ISBN 978-5-9729-0823-3

     © Пачурин Г. В., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

            ОГЛАВЛЕНИЕ



ВВЕДЕНИЕ............................................................. 5
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ....................................... 7
   1.1. Статическое растяжение........................... 7
   1.2. Усталостные испытания....................................... 10
       1.2.1. Основные термины и определения........................ 10
       1.2.2. Параметры и формы циклов при усталостном нагружении... 12
       1.2.3. Стандартные образцы и схемы циклического нагружения. 13
       1.2.4. Оборудование для усталостных испытаний................ 15
       1.2.5. Построение кривых усталости и вероятностных кривых распределения циклической долговечности............ 21
       1.2.6. Развитие процесса усталостного разрушения............. 24
       1.2.7. Фрактографияусталостныхизломов........................ 28
2. МАТЕРИАЛЫ ОБРАЗЦОВ И ИХ ОБРАБОТКА................................ 34
3. МИКРОСТРУКТУРА, ШЕРОХОВАТОСТЬ, МИКРОТВЕРДОСТЬ И ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ ОБРАЗЦОВ.......................... 37
4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ.................. 39
5. СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ....................................................... 41
6. ИСПЫТАНИЯ НА РАСТЯЖЕНИЕ.......................................... 45
   6.1. Стандартныеобразцы.......................................... 46
   6.2. Плоские образцы со сварным швом............................. 49
   6.3. Плоские образцы с выточкой.................................. 50
   6.4. Результаты экспериментов.................................... 51
       6.4.1. Цельные образцы....................................... 51
       6.4.2. Образцы со сварным швом............................... 55
7. ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ................................................ 58
   7.1. Построение кривых изменения текущего прогиба................ 58
   7.2. Определение скорости роста трещин и построение кинетических диаграмм усталостного разрушения (КДУР)............... 58
   7.3. Фрактографические исследования изломов образцов............. 60
   7.4. Усталостные испытания при комнатной температуре............. 61
   7.5. Испытания в условиях криогенных температур.................. 68
   7.6. Испытания при высоких температурах.......................... 72
   7.7. Испытания в коррозионной среде.............................. 73
   7.8. Испытания в физиологическом растворе........................ 77
8. АПРОБАЦИЯ РАЗРАБОТАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ............................... 83
   8.1. Комнатная температура....................................... 83
   8.2. Пониженные и повышенные температуры......................... 92
   8.3. Коррозионная среда.......................................... 98

3

     8.3.1. Влияние степени пластической деформации.. 98
     8.3.2. Влияние скорости пластической деформации..... 102
     8.3.3. Влияние поверхностной пластической обработки. 108
  8.4. Физиологическийраствор............................ 112
9. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ДЕФОРМИРОВАННЫХ МАТЕРИАЛОВ............ 115
  9.1. Комнатная температура............................. 115
  9.2. Криогенные и повышенные температуры............... 118
  9.3. Коррозионнаясреда................................. 121
10. ПРИМЕРЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ
   МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В КОНКРЕТНЫХ ИЗДЕЛИЯХ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ..................... 128
  10.1. Примерная структура комплексного исследования.... 129
   10.2. Исследование эксплуатационных характеристик листа малолистовой рессоры автомобиля «газель».......... 130
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................... 136
КОНТРОЛЬНЫЕВОПРОСЫ....................................... 137
СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ......................................... 140

4

            ВВЕДЕНИЕ



    Улучшение эксплуатационных и технологических свойств промышленных изделий, повышение технического уровня и качества выпускаемой продукции является одной из основных задач науки и техники. Непрерывное ужесточение требований к надежности работы элементов конструкций заставляет более подробно анализировать конкретные условия их работы.
    Большинство станков, машин и деталей в процессе эксплуатации подвергаются циклическим нагрузкам. Поэтому проблема выносливости материалов актуальна для автомобильной, авиационной, судостроительной, станкостроительной, энергетической и других отраслей промышленности.
    Для оценки работоспособности металла в различных условиях нагружения кроме параметров статической прочности и пластичности необходимо располагать характеристиками выносливости с учетом различных факторов: геометрических, формы цикла и частоты его изменения, концентраторов напряжений, видов и режимов технологической обработки, температуры и среды испытания и т. д. Существует мнение о том, что оценивать влияние этих факторов на работоспособность конструкционных материалов в готовом изделии следует лишь по результатам натурных испытаний. Однако последние, при всей кажущейся очевидной приоритетности, существенно менее информационно емкие, так как:
    -     позволяют получать данные для оценки работоспособности изделия лишь после того, как оно изготовлено из вполне определенного сплава и по конкретной технологии, а не на стадии его проектирования и поиска оптимального выбора материала и его технологической обработки;
    -      не могут дать сведения для сравнительной оценки и прогнозирования выносливости металлических материалов в различных состояниях и разных условиях работы, а отражают лишь конкретно и не дифференцированно конструктивные особенности изделия;
    -      являются, как правило, форсированными и обычно неэквивалентно отражают особенности накопления повреждений, свойственных реальным режимам эксплуатации.
    Кроме того, натурные испытания весьма дорогостоящие - по материалоемкости и технологии изготовления натурных изделий; энергоемкости, мощности, габаритам, оригинальности испытательного оборудования и т. д.
    При жестком требовании снижения металлоемкости машин и технических устройств бывает трудно избежать появления в ответственных деталях усталостных трещин. Однако в некоторых материалах они могут возникнуть сравнительно рано и большую часть своей «жизни» детали вынуждены работать с трещинами. Поэтому для полной оценки их работоспособности желательно располагать не только параметрами циклической долговечности и усталостной прочности, но и максимальной информацией о процессе накопления повреждений на всех этапах усталостного разрушения конструкционных материалов: стадии зарождения трещин, их последующего развития вплоть до полного (катастрофического) разрушения образца.

5

    Все это обусловливает необходимость совершенствования методики усталостных испытаний металлических материалов. Однако сведения по методическим вопросам проведения исследования процесса разрушения металлов и сплавов в разных условиях нагружения весьма разрозненны и не систематизированы. Особенно это актуально для тех случаев, когда прямое наблюдение процесса структурной повреждаемости методически затруднительно, а порой и невозможно, например, в условиях криогенных и повышенных температур или в присутствии коррозионных сред. Поэтому конкретные методические решения данных вопросов могут представлять определенный интерес как для исследователей -металловедов, материаловедов, так и инженерно-технических работников лабораторий и промышленных предприятий, занимающихся проблемами изучения свойств металлов и сплавов, а также сравнительной оценкой влияния на эксплуатационную надежность режимов их технологической обработки.
    В данной книге приведены основные сведения, некоторые подходы и пути решения методических вопросов испытания металлов и сплавов при статическом и циклическом нагружении, представлены оригинальные усталостные установки и приспособления, а также примеры результатов комплексного исследования кинетики процесса усталостного разрушения металлических материалов после различных режимов технологической обработки (термической и пластической) в разных условиях нагружения (в коррозионной среде, на воздухе - при пониженной, комнатной и повышенной температурах).
    Автор выражает благодарность за участие в совместных исследованиях доценту канд. техн. наук В. В. Галкину и инженеру В. Г. Пачурину.

6

            1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ


    1.1. Статическое растяжение

    Под деформацией принято понимать изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Однако деформация может быть вызвана не только действием внешних сил, но и различными физико-механическими процессами, возникающими в самом теле, например, изменением объема отдельных кристаллов при фазовых превращениях или вследствие температурного градиента.
    Механические свойства представляют собой характеристики, определяющие поведение металла под действием приложенных внешних механических сил. В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств. К статическим относятся испытания на растяжение, сжатие, кручение и изгиб. На практике чаще применяют испытания на растяжение (на разрыв), для чего используются стандартные образцы (ГОСТ 1497-73). Вопросы поведения металлических материалов в процессе испытаний на статическое растяжение подробно освещены в работах многих отечественных и зарубежных исследователей.
    Процессы пластической деформации, зарождения и распространения трещин характеризуют разрушение металлов и сплавов как при статическом и циклическом, так и других видах нагружения. Кинетика статического разрушения состоит из двух стадий - зарождения трещины и ее распространение через все сечение образца.
    Характер разрушения может быть вязким, когда превалирует доля пластической деформации, и хрупким, когда доля пластической деформации мала. Хрупкое и вязкое разрушения отличаются величиной пластической зоны в вершине трещины. Так, при вязком разрушении величина пластической зоны в вершине распространяющейся трещины велика, а при хрупком - мала. Макроизлом по вязкому механизму имеет волокнистый характер, а по хрупкому - кристаллический, при этом большинство промышленных металлических материалов может разрушаться как вязко, так и хрупко.
    На микроструктурном уровне разрушение бывает транскристаллитным, когда трещина распространяется по телу зерна, и интеркристаллитным, когда трещина проходит по границам зерен. При этом если транскристаллитное разрушение может происходить как по вязкому, так и по хрупкому механизму, то интер-кристаллитное практически всегда является хрупким. На электронном уровне вязкое разрушение характеризуется «чашечным» микростроением излома, а хрупкое имеет «ручьистый» узор. Чашечное строение происходит за счет образования внутренних микрообластей - «чашек» с последующим их удлинением и разрывом перемычек между локальными очагами разрушения. Хрупкое разрушение идет по нескольким параллельным плоскостям, при сколе или пластичном сдвиге между ними возникают ступени, которые и образуют ручьистый рисунок.


7

    По мнению ряда авторов, в закономерностях процессов пластической деформации и разрушения металлов при различных видах деформирования имеется много общего и предлагается рассматривать стадийность процессов деформации при статическом и циклическом деформировании с общих позиций. Стадийность процесса упрочнения в процессе пластической деформации монокристаллических материалов проанализирована в работах В. Ф. Терентьева и представлена на рис. 1.1.
    Схема деформационного упрочнения поликристаллических материалов имеет более сложный характер (включает пять стадий). Для ее практического определения требуются сложные и трудоемкие эксперименты по изучению дислокационной структуры.


Рис. 1.1. Типичная кривая «напряжение - деформация» для монокристаллов ГЦК-металлов (ti, Т2, тз- напряжения, соответствующие началу стадий I, II, III).
I - стадиялегкого скольжения; II - стадиялинейногоупрочнения;
Ш- стадия параболическогоупрочнения; в - коэффициентупрочнения

     В то же время кинетика накопления структурных повреждений является сложным многостадийным процессом и зависит от многих факторов (например, исходного структурного состояния материала, эволюции его во времени, характера внешнего воздействия и др.).
     Кроме того, несмотря на то, что процессы пластической деформации в поликристаллах более сложны, зарождение микротрещин и других дефектов у поликристаллических металлов происходит на более ранних стадиях деформирования и поэтому в этом случае легче проследить их кинетику развития.
     В работах В. С. Ивановой с сотрудниками выделяются три стадии на кривой деформации: I - стадию интенсивного упрочнения, II - стадию обратимой повреждаемости и III - стадию необратимой повреждаемости. Причем каждой из

8

этих стадий соответствует вполне определенное изменение структуры и ряда механических и физических свойств, что позволяет определять напряжение и соответствующую степень деформации, при достижении которых в металле возникает обратимая и необратимая повреждаемость.
    Анализ обширных экспериментальных данных позволил получить обобщенную диаграмму статического растяжения металлических материалов (рис. 1.2). Рассмотрев на ее примере стадийность деформации и накопления повреждений, легче перейти к более простым случаям.


Рис. 1.2. Периоды и стадии пластической деформации при статическомрастяжепии (по В. Ф. Терентьеву)

    В. Ф. Терентьевым на основании собственных исследований и литературных данных предлагается классифицировать пластическую деформацию и накопленные при статическом растяжении до начала образования шейки повреждения как период зарождения трещин, а шейкообразование с последующим разрушением - как период распространения трещин (см. рис. 1.2). При температурах испытания ниже температуры хрупкого перехода Тх диаграмма растяжения принимает вид кривой, изображеной на рис. 1.2 справа. В свою очередь период зарождения трещины состоит из трех стадий: микротекучести, текучести и деформационного упрочнения. Период распространения трещин при статическом растяжении пластичных металлов и сплавов (от начала шейкообразования до окончательного разрушения материала) также можно разделить на ряд стадий, характеризующихся образованием специфических дислокационных структур и видов повреждений. При этом различают следующие основные механизмы статического разрушения: скол, обрыв, сдвиг, порообразование, межзеренное порообразование и межзеренное хрупкое разрушение. Однако существуют и другие подходы к оценке стадийности деформации металлических материалов, например.


9

    1.2. Усталостные испытания


    Изучение процесса усталостного разрушения металлических материалов кроме теоретического имеет большое прикладное значение, так как значительное число деталей машин и элементов конструкций в процессе эксплуатации подвергается воздействию знакопеременных циклических напряжений.
    Целью испытаний на усталость является определение предела выносливости конструкционных материалов в различных условиях циклического нагружения (температура, среда и т. д.) после конкретных видов и режимов технологической обработки.
    Испытания на усталость состоят из многократных повторений циклов нагружений при заданной частоте от максимальных Стах к минимальным Сшш напряжениям цикла и обратно, вплоть до разрушения образца. Характеристиками при этих испытаниях являются предел выносливости сr, число циклов до разрушения N (долговечность), величина среднего напряжения цикла с m, амплитуда цикла с a.

1.2.1. Основные термины и определения

(ГОСТ 23207-78 «Сопротивление усталости. Основные термины, определения и обозначения»)

    Усталость - процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений, приводящих к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению.
    Сопротивлениеусталости - свойство материала противостоять усталости.
    Усталостное повреждение - необратимое изменение физико-механических свойств материала объекта под действием переменных напряжений.
    Усталостная трещина - частичное разделение материала под действием переменных напряжений.
    Скорость роста усталостной трещины - отношение приращения длины усталостной трещины к интервалу времени.
    Усталостное разрушение - разрушение материала нагружаемого объекта до полной потери его прочности или работоспособности вследствие распространения усталостной трещины.
    Усталостный излом - поверхность раздела, возникающая при усталостном разрушении объекта.
    Долом - часть усталостного излома, возникающая в завершающей стадии разрушения из-за недостатка прочности сечения по трещине.
    Малоцикловая усталость - усталость материала, при которой усталостное повреждение или разрушение происходит при упругопластическом деформировании.
    Многоцикловая усталость - усталость материала, при которой усталостное повреждение или разрушение происходит в основном при упругом деформировании.


10

    Испытания на усталость - испытания, при которых определяют количественные характеристики сопротивления усталости.
    База испытаний - предварительно задаваемая наибольшая продолжительность испытаний на усталость.
    Цикл напряжений (деформаций) - совокупность последовательных значений напряжений (деформаций) за один период их изменения при регулярном нагружении.
    Частота циклов - отношение числа циклов напряжений (деформаций) к интервалу времени их действия.
    Период цикла - продолжительность одного цикла напряжений (деформаций).
    Амплитуда напряжений (деформаций) цикла - наибольшее числовое положительное значение переменной составляющей цикла напряжений (деформаций).
    Симметричный цикл напряжений (деформаций) - цикл, у которого максимальное и минимальное напряжения (деформации) равны по абсолютному значению, но противоположны по знаку.
    Асимметричный цикл напряжений (деформаций) - цикл, у которого максимальное и минимальное напряжения (деформации) имеют разные абсолютные значения.
    Знакопеременный цикл напряжений (деформаций) - цикл напряжений (деформаций), изменяющихся по значению и по знаку.
    Отнулевой цикл напряжений (деформаций) - знакопостоянный цикл напряжений (деформаций), изменяющихся от нуля до максимума или от нуля до минимума.
    Коэффициент асимметрии цикла напряжений (деформаций) - отношение минимального напряжения (деформации) цикла к максимальному.
    Циклическая долговечность - число циклов напряжений или деформаций, выдержанных нагруженным объектом до образования усталостной трещины определенной протяженности или до усталостного разрушения.
    Текущее число циклов нагружения - число циклов напряжений или деформаций, которое выдержал нагружаемый объект до рассматриваемого момента испытаний.
    Относительное число циклов - отношение текущего числа циклов нагружения к циклической долговечности объекта испытаний при данном режиме испытаний.
    Кривая усталости - график, характеризующий зависимость между максимальными напряжениями (деформациями) или амплитудами цикла и циклической долговечностью одинаковых образцов, построенный по параметру среднего напряжения или деформации цикла, или по параметру коэффициента асимметрии цикла.
    Предел ограниченной выносливости - максимальное по абсолютному значению напряжение цикла, соответствующее задаваемой циклической долговечностью.

11

    Предел выносливости - максимальное по абсолютному значению напряжение цикла, при котором еще не происходит усталостное разрушение до базы испытания.
    Кривая распределения циклической долговечности - график, характеризующий зависимость циклической долговечности от вероятности разрушения, построенный по результатам испытаний на усталость достаточно большого числа образцов при постоянных значениях амплитуды и среднего напряжения цикла.
    Кривая распределения предела выносливости - график, характеризующий зависимость предела выносливости от вероятности разрушения.


1.2.2. Параметры и формы циклов при циклическом нагружении


    На рис. 1.3 представлена обычная синусоидальная кривая, характеризующая изменение напряжений а во времени t при знакопеременной нагрузке асимметричного цикла аr. Характеристиками цикла в данном случае являются: а„ах, а,„п,,

а m, а a, T.
    Зависимости цикла нагружения имеют следующий вид:
    -  для среднего напряжения -ат = (аmax + а„т) /2^
    -  для амплитуды напряжений -аa = (аmax - а„т) / 2, - для коэффициента асимметрии -Rа = а,,,,,, / а„ах.


Рис. 1.3. Основные параметры цикла при циклическом нагружении: а — схема напряжений при асимметричном цикле;
б — циклы напряжений и соответствующие им значения коэффициентов асимметрии цикла

    Большинство экспериментальных данных относится к синусоидальной форме кривой изменения напряжения и часто без достаточного обоснования распространяется на другие формы нагружения. На рис. 1.4 представлены другие возможные формы усталостного нагружения.


12