Целью настоящей работы является изучение влияние коэффициента асимметрии циклов нагружения R в широком диапазоне значений на усталостную долговечность и механизм разрушения образцов из конструкционных материалов.
Материалы и методики исследования
В качестве исследуемых материалов использовали алюминиевый ковочный сплава АК6 (2,22 % Си; 0,3 % Zn; 0,6 % Mg; 0,7 % Fe; 0,9 % Si; 0,6 % Mn; 0,1 % Ni) и аустенитную сталь 110ПЗЛ (1,06 % С; 15,18 % Mn; 0,2 % Cr; 0,4 % Ni; 0,18 % Si; 0,10 % Cu).
Алюминиевый сплав АК6 использовали в состоянии поставки (горячекатанное состояние). Призматические образцы толщиной 1,210"2 м с V-образным концентратором напряжения изготавливали из плиты толщиной 210"2 м. Образцы из стали 110Г13Л толщиной 410"3 м с V-образным концентратором напряжения изготавливали из гомогенизированных при 1200 °С отливок и закаливали от 1100 °С в масле. После закалки данная сталь имела однофазную аустенитную структуру. Механические свойства сплава АК6 и стали 110Г13Л представлены в таблице 1.
Таблица 1. Механические свойства сплава АК6 и стали 110Г13Л
|
Материал |
ав, МПа |
аО2, МПа |
5,% |
Ч, % |
а.и МПа |
|
АК6 |
420 |
300 |
12 |
40 |
- |
|
попзл |
820 |
380 |
40 |
45 |
185 |
Усталостные испытания консольно закрепленных образцов проводили на чистый из гиб по жесткой схеме нагружения при постоянном для каждого материала значении амплв туды деформации. Образцы из алюминиевого сплава АК6 нагружали с помощью возбудите ля перемещений ВП 20-00.00.00 при полностью растягивающем (R=0,5), симметричном (R -1), преимущественно сжимающих (R= -2; -3; -7; -19), отнулевом сжимающем (R= -да) и по ностью сжимающих (R=ll, 5) циклах нагружения. Образцы из стали 110Г13Л и пытывали на специально разработанной установке при полностью растягивающем (R= О, отнулевом (R= 0) и симметричном (R= -1) циклах нагружения (рис. 1 б). Все усталости испытания были проведены согласно рекомендаций РД 50-345-82 [4]. Полученные изломы исследовали методами макро- и микрофрактографического также рентгеноструктурного анализа. Длину усталостных зон на поверхности изломов измеряли штангенциркулем с точностью 10"4 м. Микрорельеф усталостных изломов изучал растровом микроскопе JSM-T20. О степени искаженности кристаллической структуры материала на поверхности изломов судили по ширине рентгеновской дифракционной линии (Ка. Съемку поверхности изломов проводили на рентгеновском дифрактометре ДРОН-2.0 согласно методике.
Полученные результаты и их обсуждение
Полученные результаты испытания на усталость образцов из сплава АК6 и стали 110Г13Л позволяют представить обобщенную схему влияния на долговечность образцов N коэффициента асимметрии цикла нагружения R во всем интервале значений от -оо до оо для случая постоянного значения размаха напряжений (или деформаций) цикла (Да = const).
Из данной схемы следует, что увеличение сжимающих напряжений оказывает на долговечность образцов N такое же влияние, как и увеличение растягивающих напряжений, т.е. снижают общую долговечность образцов.
Известно, что общая долговечность образцов до разрушения N включает в себя: количество циклов нагружения до образования усталостной трещины и количество циклов нагружения, затраченное на распространение трещины. Сопоставляя данные по долговечности образцов и длине усталостных зон на поверхности изломов, можно предположить, что коэффициент асимметрии цикла нагружения R, в данном случае, оказал влияние на стадию распространения усталостной трещины. Однако это не значит, что коэффициента R не оказывает влияния и на стадию зарождения усталостной трещины.
Результаты исследования влияния коэффициента асимметрии цикла нагружения R на микрофрактографические особенности строения усталостных изломов образцов из сплава АК6 показали, что при изменении цикла нагружения образцов из сплава АК6 от сжимающего (R= -19) к симметричному (R= -1) и растягивающему (R= 0,5) циклу в микрорельефе зоны стабильного роста трещины ls и в зоне ускоренного развития трещины 1Г начинает преобладать вязкая составляющая. Микрорельеф зоны долома практически не зависит от асимметрии цикла нагружения образцов.
С результатами микрофрактографического анализа хорошо согласуются данные рентгеноструктурного анализа изломов. Увеличение степени искаженности кристаллической структуры материала на поверхности зоны ls при R= 0,5 связано с большими растягивающими напряжениями, и, как следствие, с вязким характером разрушения. Высокая степень искаженности кристаллической структуры материала в данной зоне при больших сжимающих напряжениях (R= -19) связана, по-видимому, с дополнительным наклепом материала на поверхности изломов от сжимающих напряжений уже после прохождения трещины.
Выводы:
- На основании результатов усталостных испытаний образцов из алюминиевого сплава АК6 и стали 110Г13Л предложена обобщенная схема влияния на долговечность образцов N коэффициента асимметрии цикла нагружения R во всем интервале значений от -оо ДО оо.
- Увеличение сжимающих напряжений оказывает на долговечность образцов N такое же влияние, как и увеличение растягивающих напряжений, т.е. снижают общую долговечность образцов.
- Характер изменения длины зоны стабильного роста трещины ls и зоны усталостного развития трещины If на поверхности изломов образцов из сплава АК6 и стали 110Г13Л в зависимости от R аналогичен характеру изменения общей долговечности образцов N.
- При изменении коэффициента асимметрии цикла нагружения R образцов из сплава АК6 от -19 до 0,5, в микрорельефе зоны стабильного роста трещины ls и в зоне ускоренного развития трещины 1Г начинает преобладать вязкая составляющая. Микрорельеф зоны долома практически не зависит от асимметрии цикла нагружения образцов.
- Степень искаженности кристаллической структуры сплава АК6 в зоне lS;onpeделенная по ширине рентгеновской дифракционной линии, с увеличением коэффициента асимметрии циклов нагружения R от -19 до -1 уменьшается, достигая минимального значения при симметричном цикле (R= -1). При R= 0,5 степень искаженности кристаллической структуры вновь увеличивается.