» » Общие закономерности разрушения при циклически изменяющейся нагрузке
11.01.2015

Жидкометаллическая среда оказывает влияние на прочность твердых металлов при испытании их не только под постоянной, но и под переменной нагрузкой. Обычно следствием этого влияния является уменьшение усталостной прочности материала.
Большая часть испытаний на усталость в среде жидких металлов проведена при циклическом изгибе образцов. Установлено, что во многих случаях воздействие жидкого металла непрерывно усиливается с увеличением базы испытания. Такой характер воздействия наблюдался, например, при Испытании на усталость сплава марки ЭИ617 в расплавленном свинце при температуре 700° С, (рис. 114). Эти испытания проводили на машине Шенка на образцах с цилиндрической рабочей частью диаметром 7,5 мм. Во время испытания образец находился в ванне с жидким металлом.
Общие закономерности разрушения при циклически  изменяющейся нагрузке

Из рис. 114 видно, что с увеличением числа циклов до разрушения и соответственно с уменьшением амплитуды напряжения расходимость кривых усталости сплава ЭИ617, соответствующих результатам испытаний на воздухе и в свинце, увеличивается. В этом случае материал не имеет истинного предела усталости как в воздушной среде, так и в жидкометаллической. Отсутствие предела усталости при испытании на воздухе является следствием влияния высокой температуры: в образце происходят необратимые изменения при сколь угодно низких амплитудах напряжения, приводящие его через некоторое конечное число циклов к разрушению. Исчезновение истинного предела усталости при повышении температуры испытания установлено экспериментально у многих материалов.
Кроме сплава ЭИ617 аналогичный характер влияния жидкого металла на усталостную прочность установлен при испытании сплава ЭИ437 в свинце, висмуте и их эвтектике при температуре 700° С.
В некоторых работах наблюдалась иная зависимость степени влияния жидкого металла на выносливость материала от числа циклов, чем в укапанных выше испытаниях.
Отдельные материалы подвергаются тем большему воздействию расплавленного металла, чем больше амплитуда напряжения.
Общие закономерности разрушения при циклически  изменяющейся нагрузке

Усиление агрессивного воздействия жидкометаллической среды с повышением амплитуды напряжения обнаружено при испытании на циклический изгиб латуни 20/30 с ртутным покрытием при комнатной температуре (рис. 115). В этом случае материал имел истинный предел усталости на воздухе и в жидком металле. Под действием жидкой ртути произошло снижение истинного предела усталости латуни. В еще большей мере влияние ртути сказалось в области ограниченной выносливости. Усиление влияния жидкого металла с повышением амплитуды напряжения, подобное тому, которое испытала латунь 70/30 в ртути, происходит, по-видимому, в тех случаях, когда определяющим является фактор исходной прочности материала. Эмпирически установленное уравнение усталости материала в неактивной среде для интервала ограниченной выносливости имеет вид
Общие закономерности разрушения при циклически  изменяющейся нагрузке

где N — число циклов до разрушения; Δσ — амплитуда напряжения; Q и q — постоянные материала. При высокой температуре и низкой частоте смен нагрузки, когда отсутствует истинный предел усталости, хорошо соблюдается другое уравнение
Общие закономерности разрушения при циклически  изменяющейся нагрузке

где Q* и g* — постоянные материала.
При испытании материала на усталость в среде жидкого металла уравнения (174) и (175) также соблюдаются, но коэффициенты у них другие.
Степень влияния жидкого металла на усталостную прочность твердого можно характеризовать отношением пределов усталости (условных или истинных) в жидком металле и в инертной среде при одинаковой базе испытания
Общие закономерности разрушения при циклически  изменяющейся нагрузке

Назовем это отношение коэффициентом влияния жидкометаллической среды на усталостную прочность материала. Очевидно, что в случае уменьшения выносливости под действием расплавленного металла коэффициент принимает значения в диапазоне от 1 до 0, при увеличении выносливости — выше 1.
Усталостная прочность твердого металла снижается под действием жидкого не только в случае испытания на симметричный изгиб, как в указанных выше примерах, но и при других видах нагружения образца. Так, воздействие олова на мягкую сталь наблюдалось при испытании с симметричным циклом растяжение — сжатие при температуре 300° С. Обнаружено уменьшение истинного предела усталости стали в результате влияния олова, а также стойкости к циклической нагрузке в интервале ограниченной выносливости.
Установлено снижение усталостной прочности материалов в жидкометаллической среде при нагружении только растягивающими напряжениями, изменяющимися во времени по прямоугольному цикла. Образец находился под нагрузкой в течение 25 мин и затем в течение 5 мин — без нагрузки, температура испытания была 200 С. Хотя частота циклов была довольно низкой, однако разрушение носило усталостный характер, так как время до разрушения в этом случае было значительно меньше, чем при постоянной нагрузке, т. е. при испытании на длительную прочность. Опыты показали, что сплавы ЭИ437А и ЭИ617 обнаруживают снижение циклической прочности в свинце и эвтектике Pb—Bi при таком виде нагружения. Сопоставление с результатами испытания сплавов на длительную прочность при той же температуре и в тех же средах показывает, что даже при столь большой величине полупериода, когда действует растягивающее напряжение, влияние жидкометаллической среды при циклически изменяющейся нагрузке относительно меньше, чем при постоянной.
Испытанием сплавов ЭИ437А и ЭИ617 на усталость при напряжениях одного знака (растягивающих) установлено непрерывное нарастание эффекта влияния жидких металлов при увеличении числа циклов до разрушения. Усталостные испытания с таким же характером нагружения образцов из алюминиевого сплава марки 7075-Т6 в среде ртути при комнатной температуре выявили противоположную закономерность.
Общие закономерности разрушения при циклически  изменяющейся нагрузке

Уменьшение циклической прочности материалов вследствие воздействия расплавленных металлов наблюдалось при нагружении образцов кручением. На рис. 116 приведены результаты испытаний на усталость при этом виде нагружения образцов из латуни 70/30 с чистой поверхностью и покрытых пленкой жидкой ртути. Образцы имели вид цилиндрических стержней диаметром 3,56 мм и длинной 44,5 мм. Под действием приложенного к ним крутящего момента образцы закручивались на определенный угол сначала в одном направлении, а затем в противоположном. Таким образом, испытание производилось по методу заданной амплитуды деформации. Особенностью испытаний являлось задание образцу деформаций, превосходящих упругие, т. е. образцы испытывались на усталость в упруго-пластической области. В таких условиях была четко выражена тенденция к упрочнению материала (возрастание крутящего момента при амплитудном значении деформации) по мере увеличения числа циклов. В связи с этим результаты испытаний можно представить в виде зависимости крутящего момента от суммарного угла закручивания. Под последним понимается удвоенное произведение амплитуды деформации, выраженной в градусах, на число циклов; следовательно, при этом суммируются все деформации независимо от их знака.
Как видно из рис. 116, в указанных условиях испытания упрочнение латуни с увеличением суммарного угла закручивания происходит с одинаковой интенсивностью при воздействии на образцы ртути и при ее отсутствии. Упрочнение тем больше, чем больше амплитуда деформации. Влияние жидкого металла проявилось в уменьшении суммарного угла закручивания в момент разрушения по сравнению с образцами без поверхностного покрытия. Этот эффект закономерно возрастал с ростом амплитуды деформации. Таким образом, испытание латуни 70/30 на усталость, кручением в упруго-пластической области показало давление воздействия жидкой ртути с увеличением амплитуды деформации.
Уменьшение усталостной прочности ст. 40 под действием ртути при комнатной температуре в условиях нагружения образцов в упруго-пластической области установлено в работе. Проволочные образцы испытывали на перегиб в специальной установке. Использовали зажимы с различным радиусом губок. Очевидно, что с уменьшением их радиуса увеличивается амплитуда пластической деформации образца. В соответствии с этим должнo уменьшаться число перегибов (полуциклов), выдерживаемых образцом без разрушения.
Общие закономерности разрушения при циклически  изменяющейся нагрузке

Как видно из табл. 49, в которой представлены результаты опытов, такая закономерность наблюдалась при испытании образцов без покрытия и покрытых ртутью. Действие ртути на сталь выразилось в уменьшении числа перегибов проволочного образца до разрушения по сравнению с непокрытым образцом при одинаковом радиусе губок в обоих случаях. Оценка эффекта влияния жидкого металла по величине отношения числа перегибов до разрушения в жидком металле и на воздухе показывает, что с уменьшением радиуса губок эффект увеличивается. Это означает, что влияние среды тем больше, тем больше амплитуда пластической деформации. Таким образом, результаты работ совпадают.
Исследованием микроструктуры разрушенных при испытании на усталость образцов установлено, что под действием жидкометаллической среды материалы обнаруживают склонность к межкристаллитному развитию усталостных трещин, хотя сильное влияние среды отмечено и при внутрикристаллитном их распространении. Отмечены случаи, когда в одних и тех же условиях материал на воздухе разрушается но зерну, а в жидком металле — по границам зерен. Иногда наблюдается переход к межзеренному развитию усталостных трещин в материале под действием жидкого металла, хотя снижения выносливости при этом не наблюдается. Такой эффект описан в работе; наблюдался он при испытании на усталость при симметричном цикле растяжение — сжатие хромоникелевой стали 18-8 в жидком натрии при температуре 300° С.
Аналогичные наблюдения были сделаны также автором настоящей работы при испытании на циклический изгиб с симметричным нагружением нескольких жаропрочных сталей в жидком натрии (табл. 50). Эти опыты были проведены на так называемых кольцах Одинга при заданной амплитуде деформации по методу, описанному в работа.
Следует заметить, что наряду с тенденцией к межзеренному разрушению материалов в жидких металлах в некоторых случаях разрушение происходит по зерну, причем усталостная прочность все же снижается.
Общие закономерности разрушения при циклически  изменяющейся нагрузке