Материал: Колачев, Б. А. Механические свойства титана и его сплавов

ляется эффективным средством повышения долговечно­ сти сплавов в условиях малоцикловой усталости.

Т а б л и ц а 29

Влияние поверхностного упрочнения на характеристики малоцикловой усталости гладкого образца сплава ВТЗ-1

Предел ограниченной выносливости сплава ВТЗ-1 оп­ ределяли на образцах, изготовленных из кованых прут­ ков диаметром 25 мм в термически обработанном состоя­ нии [258].

Режим термической обработки: нагрев до 870° С, ох­

тотой 3 цикла в минуту на базе 5 -103 циклов.

Предел ограниченной выносливости гладких образ­ цов равен 91,5 кгс/мм2, что составляет 95% величины предела текучести. Поверхностное механическое упроч­ нение повысило выносливость гладких образцов, причем упрочнение обкаткой оказалось более эффективным. Ус­ талостная прочность при наличии концентратора напря­ жений снизилась до 53,5 кгс/мм2, что составляет 58% от прочности гладких образцов. Механическое упрочнение надреза обкаткой роликом практически полностью нейт­ рализует действие концентратора.

В работе [175] была изучена прочность сплава ВТ14 при повторно статическом двухосном растяжении на глад­ ких образцах, а также на образцах с щелью длиной 2 мм, ориентированной вдоль и поперек прокатки. Исследова­ ния были проведены на листах толщиной 0,8 мм после различной термической обработки при асимметричном цикле с 0тах=4О кгс/мм2, коэффициентом асимметрии

0,2 и частоте нагружения 8—12 циклов в минуту. Долго­ вечность образцов с продольным направлением щели оказалась в четыре—десять раз больше, чем при попе­ речном. Таким образом, и при повторно-статическом на­ гружении титановых сплавов наблюдается обратная ани­ зотропия механических свойств, описанная выше в гл. 5, раздела I. Чувствительность к трещине сплава ВТ14 в термически упрочненном состоянии оказалась значитель­ но больше, чем в отожженном. Поскольку наличие и об­ разование трещин в реальных изделиях неизбежно, то авторы работы [175] считают, что сплав ВТ14 в терми­ чески упрочненном состоянии с высокой прочностью не может быть рекомендован для изготовления ответствен­ ных конструкций, которые испытывают малоцикловые повторные и вибронагрузки. В подобных конструкциях при равных нагрузках сплав ВТ14 более надежен в отож­ женном состоянии.

Г л а в а 5

ВЯЗКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ

О С Н О В Н Ы Е П О Л О Ж Е Н И Я М Е Х А Н И К И Р А З Р У Ш Е Н И Я

Реальные конструкции всегда содержат различного рода дефекты, в том числе и трещины той или иной дли­ ны. Наличие трещин вовсе не означает, что конструкция не может работать в данных конкретных условиях. Если металл вязкий, то даже трещины большой длины не вы­ зывают разрушение конструкции. И, наоборот, в хруп­ ких металлах ничтожные трещины могут привести к раз­ рушению даже при напряжениях, значительно меньших предела текучести. Служебные свойства материала оп­ ределяются его способностью затормаживать развитие возникших в нем по тем или иным причинам трещин. Эта способность зависит не только от свойств материа­ ла, но и от габаритов изделий. С увеличением сечения изделий возможность релаксации напряжений у верши­ ны трещины уменьшается из-за геометрического ограни­ чения пластического течения. При достаточно больших поперечных размерах детали трещина в ней развивается неконтролируемо, практически мгновенно, без какой-либо

24?

пластической деформации в ее вершине, если напряже­ ния превышают некоторое критическое значение. Это предельное состояние материала и характеризуется вяз­ костью разрушения.

Подобные разрушения, происходящие при средних напряжениях, меньших предела текучести, в последнее время стали встречаться все чаще в связи с применением все более высокопрочных материалов и увеличением га­ баритов конструкций. В последние 25—30 лет произошел ряд катастрофических разрушений судов (американ­ ские корабли «Либерти»), самолетов (английские «Коме­ ты»), ракет (американские «Поларис-4») и других кон­ струкций.

Теоретической основой «вязкости разрушения» яви­ лась теория Гриффитса А. А. [259], выдвинутая им в в 1920 г. и основательно дополненная Орованом, Ирви­ ном и их последователями [260, 261]. Согласно этой тео­ рии, способность металла сопротивляться распростране­ нию трещин определяется вязкостью разрушения и связанным с ней критическим коэффициентом интенсив­ ности напряжений. Эти величины определяют условия, при которых медленное, контролируемое развитие тре­ щины превращается в неконтролируемое ее распростра­ нение по всему сечению образца или изделия.

Каков бы ни был механизм разрушения, внешние на­ пряжения, приводящие к разрушению металла, в десят­ ки и сотни раз меньше теоретической прочности, обус­ ловленной межатомными силами сцепления. Первая по­ пытка разрешить это противоречие была предпринята Гриффитсом [259], который предположил, что в матери­ але всегда имеются трещины, которые при приложении сравнительно небольших внешних нагрузок вызывают в вершине трещин концентрацию напряжений, достаточ­ ную для преодоления сил межатомного взаимодействия.

Увеличение размеров трещины приводит к освобожде­ нию энергии упругой деформации, так как в материале по обе стороны трещины снимаются упругие напряже­ ния, и одновременно к возрастанию поверхностной энер­ гии в связи с увеличением поверхности трещины. Трещи­ на будет распространяться под действием растягиваю­ щих напряжений лишь в том случае, если увеличение ее размеров приводит к уменьшению энергии системы.

Рассмотрим бесконечную пластину толщиной t, на ко­ торую в бесконечности действуют однородные двухосные

растягивающие напряжения а. Допустим, что в ней рас­ крылась сквозная трещина эллиптического сечения. На рис. 106 показано сечение этой трещины. Длина трещины принята равной 21. Вблизи трещины упругие искажения

энергия возрастает на величину 2-2tty, где у — удельная поверхностная энергия; 2-2It — поверхность трещины.

tе

?i

I б

Таким образом, суммарное изменение энергии крис­ талла при раскрытии трещины равно:

Е

Зависимость AW от I схематически представлена на рис. 107. С увеличением длины трещины энергия метал­ ла растет, достигает максимума при некотором критиче­ ском значении /с, а затем уменьшается.

При / < / с трещина под действием данных напряже­ ний а не может расти, так как это приводило бы к уве­ личению энергии системы. Если / > / с, то рост трещины происходит беспрепятственно, так как сопровождается уменьшением энергии кристалла. Таким образом, 21С— это наименьшая длина трещины, способной к самопро­ извольному росту при действии растягивающих напряже­ ний а. Трещину таких размеров называют гриффитсовой.

Размеры гриффитсовой трещины можно найти из ус­

244

откуда находим критерий разрушения Гриффитса:

(54)

Выражение па21/Е в уравнении (53) является первой производной от упругой энергии, освобождающейся при

Параметр R дает лишь приблизительное сопротивле­ ние распространению трещины. В вязких материалах развитие трещины тормозится пластической деформаци­ ей в вершине трещины. Из-за пластической деформации металл нагартовывается; напряжения необходимые для развития пластической деформации в локальных объе­ мах, увеличиваются и, наконец, превышают напряжения сопротивления сколу. Трещина прорастает на некоторое расстояние внутри объема, в котором исчерпана плас­ тичность, и вновь затормаживается из-за пластической деформации металла в ее голове. Этот процесс повторя­ ется многократно. Наконец, живое сечение образца осла­ бевает настолько, что скорость распространения трещи­ ны становится больше скорости пластической деформа­ ции в голове трещины и наступает катастрофическое разрушение. На этапе медленного роста трещины интен­ сивности освобождения запасенной упругой энергии про­ тивостоит интенсивность рассеяния энергии в материале R. Быстрое распространение трещины происходит, когда G по величине превосходит R.

Переход от стабильного медленного роста трещины к нестабильному лавинообразному можно также рассмот­ реть в терминах линейной теории упругости. Напряжения в вершине трещины пропорциональны коэффициенту ин­

где о — среднее приложенное напряжение; I — половина длины трещины.

245

G растут и при переходе стабильного развития трещины в нестабильное принимают критические значения:

Кс и Gc являются константами материала. Если бы это было так; то по известным значениям К с или Gc можно было бы довольно просто из уравнения (56) найти допу­ стимые размеры безопасных трещин для любого действу­ ющего напряжения. В действительности эти параметры зависят от многих факторов: размеров образца, длины и формы исходной трещины, ее расположения в образце, пластически деформированного объема в вершине тре­ щины, схемы нагружения при испытаниях.

Параметр К с уменьшается с увеличением толщины

пряжений K i c ■Последняя характеристика (Ктс) являет­ ся константой материала, она может быть расчетным па­ раметром, который следует учитывать при конструиро­ вании.

Параметр K i c характеризует сопротивление матери­ ала распространению трещин при хрупком разрушении, разрушении путем отрыва. Заметим, что и формула Гриф­ фитса, и уравнения линейной механики разрушения вы­ водятся при допущении, что внешние напряжения ориен­ тированы перпендикулярно поверхности трещины. Одна­ ко при испытании образцов недостаточной толщины разрушение вязких материалов происходит не по поверх­ ности, перпендикулярной действующей нагрузке, а хотя бы частично под углом к ней; получается не прямой, а косой (а) или смешанный (б) излом (рис. 108). Испыта­ ния при таком характере разрушения позволяют найти величину К с, но не K i c . Чтобы найти величину Кы , нуж­ но производить испытания на образцах, толщина кото­ рых больше некоторой предельной толщины. К сожале­ нию, эта предельная толщина заранее неизвестна, хотя

246