Т а б л и ц а 44. Сопоставление пределов выносливости при нагружении круговым изгибом, растяжением-сжатием и знакопеременном кручении

Марка сплава, харак теристика концентра тора напряжении

Временное сопротивление а.

кгс/мм2

Технически чистый титан:

ВТМ ( к = 1)

ВТ1-2 ( к = I)

Коммерческий титан (Англия):

ак= I к =2 ак = 3,3

Ti-lAl-lMn (Англия):

к = 1 к= 2

к = 3,3 ВТ5 (а = \) ВТ5-1 ( к = 1)

Ti-5А1 (Англия):

к= 1 к =2 а = 3,3

Тг-4А1-4Мп (Англия):

к =2

ак = 3,3

Ti-5AI-2,5Sn (ФРГ):

ак= I ВТЭ = 1 Ti-6A1-4V (ФРГ) к = 1 (отжиг)

1 (закалка, старение)

50,5 58,0

56,2

75,6

78,0

80,5 80,5

85,0

107,2

предел выносливости, кгс/мм

Изгиб

107-113 111

115-135 136-163

31,7 30,7

27,6 18,1 17,3

45,7

28,3

23,6

40,0

36,6 36,5

37,8 26,8 24,4

63.0 33,1 ,29,1

42 52

Растяжение-сжатие

КРУ чение

27.3 28,6

26.7 17,3 11.8

45,7

22,0

18,1

42,4

39,0 35,4

44,1 20,5 15,7

58.3 25,2 15,7

35 42,8

34 43

26 36,3

27 32

86,4 93,2

96,6 95,2 68,4,

100 77,8 76,8

106,0

107,0 97,0

116,0 76,5 64.5

92.6 76,3 54,0

62,0 82,5

74,0

62,0 70.0

58,6

вых сплавов и титановых сплавов. Известно [100,119], что отношения orii/a i и а/а 1 (коэффициенты эквивалентности) для испытанных титановых сплавов находятся на уровне стали, не превышая обычно наблюдаемых пределов. Следует отметить увеличение разницы между a i и oLi при наличии концентраторов напряжений и повышении прочности сплавов. Характерным, хотя пока необъяснимым фактом, являются близкие значения пределов усталости ог 1 и oLi для чистых а-сплавов (ВТ5, ВТ5-1, Ti-1А1- IMn), причем при растяжении-сжатии во многих случаях для этих сплавов получены даже более высокие значения, чем при изгибе. ~

О 20 40 60 во Средние статические напряжения s кгс/мм

20 40 80 80 Среднее статическое напряжение в кгс/нм

Рис. 72. Полная диаграмма уста- Рис. 73. Полная диаграмма усталости лости сплава ВТ6 при различных сплава ВТ6 для гладких и надрезанных температурах образцов с различным теоретическим

коэффициентом концентрации

Асимметрия цикла. Наиболее простой случай асимметричного нагружения - это наложение статического растяжения (или сжатия) при циклическом одноосном растяжении - сжатии, когда напряжения алгебраически складываются и металл подвергается асимметричному растяжению-сжатию, пульсирующему растяжению или пульсирующему сжатию. На рис. 72 и 73 представлены

так называемые полные диаграммы усталости сплава Ti-6А1 4V

(аналога сплава ВТ6) при различных температурах и при различной концентрации напряжений (круговой надрез) [117-118]. Эти диаграммы представляют зависимость разрушающих циклических напряжений от статического напряжения растяжения. Вершиной

И в. Б. Чечулин н др.

этих диаграмм является предел текучести материала, когда практически нулевые циклические напряжения могут привести к разрушению. Циклическая составляющая определяется отклонением от осевой прямой, идущей из точки нулевых напряжений к вершине. Из рис. 72 видно, что повышение температуры испытания более резко снижает предел текучести, чем предел усталости, кроме того, асимметрия цикла (наложение статического растяжения) наиболее резко снижает предел выносливости при достижении статических напряжений более 0,5 от предела текучести (Оо.г)- Интересно влияние асимметрии цикла на предел выносливости при одновременном действии концентрации напряжений (рис. 73). Концентратор напряжений заметно усиливает действие асимметрии цикла при статических напряжениях менее 0,5 ого,2> а в области высоких статических напряжений надрезанные образцы выдерживают более высокие суммарные статические и циклические напряжения.

Наложение статического растяжения (или сжатия) на циклическое растяжение-сжатие хорошо позволяет наблюдать действие ассимметрии цикла на усталостное поведение металла, хотя на практике встречается не так часто (вибрация натянутых болтов и др.). Более часто встречается наложение статического растяжения или кручения на циклические напряжения от знакопеременного изгиба (лопатки турбин, компрессоров или вентиляторов, лопасти насосов, валы и т. д.). Изменение предела выносливости при изгибе двух титановых сплавов и стали 2X13 при наложении осевого растяжения дано на рис. 74, а при наложении кручения - на рис. 75 [103]. Если статические касательные напряжения (рис. 75) снижают предел выносливости при изгибе у титанового сплава примерно так же, как у стали, то растягивающие напряжения при изгибных циклических напряжениях более заметно сказываются на титановых сплавах, чем, в частности, на стали 2X13. Асимметрия цикла в этом случае заметно сказывается на более прочном сплаве ВТЗ-1, чем на пластичном сплаве ПТ-ЗВ.

Интересные результаты были получены Г. Е. Мажаровой при испытании сплава ВТЗ при асимметричном цикле сжатия (циклический изгиб и статическое сжатие, коэффициент асимметрии - 5). Оказалось, что титановый сплав повысил сопротивление циклическим напряжениям в большей степени, чем сталь 40ХНМА, испытывавшаяся параллельно.

Нестационарность нагружения. Фактических данных по влиянию нестационарности циклического нагружения на усталостные свойства титановых сплавов еще очень мало. В работе [75] было оценено влияние циклических перегрузок на усталостную прочность сплава титана ПТ-ЗВ и стали марок 15 и Ст4. Автор работы пришел к выводу, что у испытанных материалов, которые имели близкий предел выносливости, одинаковые кратковременные циклические перегрузки могут приводить к упрочнению и разу-

прочнению, при этом не было найдено никакой закономерности. Из испытанных материалов титановый сплав показал наименьшую чувствительность к перегрузкам. И, В. Козловым и Н. Вассер-маном и др. были проведены специальные исследования усталостной прочности титанового сплава ВТ6 (о = 81 кгс/мм*, б = 18,3%, г[; = 47%) при нестационарном нагружении. Испытывались образцы диаметром 10 мм круговым изгибом. Испытание большого количества образцов каждой партии позволяло с достаточной достоверностью проводить ста- e.Vs, тистический анализ результатов М испытания и получать вероятностную картину предела вынос-

10 20 30 40 50 60 OceSoe растя>кте б.ш/нм

Рнс. 74. Влияние осевого статического растяжения на предел выносливости при изгибе: a i - предел усталости

, при симметричном изгибе; - предел усталости при наложении осевого растяжения;

/ - сталь 2X13; 2 - сплав ПТ-ЗВ; 3 - сплав ВТЗ-1

0.8 10

Рнс. 75. Влияние постоянных касательных напряжений Хс (кручение) на предел усталости сплава ПТ-ЗВ прн круговом циклическом изгибе: a i - предел усталости при чистом круговом изгибе -28 кгс/мм; o2.i - предел усталости при наложении Тс; Тт -предел текучести при кручений, 29 кгс/мм;

- гладкие образцы; 2 - надрезанные образцы

ливости при заданном числе циклов. Это позволило исключить влияние на получаемые данные естественного рассеивания при усталостных испытаниях, которое, по нашему мнению, в работе [75] помешало найти четкие закономерности. В первую очередь было выяснено влияние предварительного нагружения циклическими напряжениями ниже стационарного предела выносливости - влияние тренировки . Результаты испытаний даны на рис. 76, из которого видно, что тренировка титанового сплава приводит к заметному повышению вторичного предела выносливости, хотя в области малой вероятности разрушения пределы выносливости тренированного и нетренированного металла сближаются.

Были проведены также усталостные испытания при программном нагружении, т. е. при систематической смене уровня цикли-

ческих напряжений (ог н а) через определенное количество циклов ( 1 и а) с определением влияния нижнего циклического напряжения (о) на долговечность при программном нагружении. В результате проведенных испытаний с изменением амплитуд между двумя уровнями выявлено существенное влияние напряжений ниже предела выносливости на суммарную долговечность. С увеличением продолжительности действия (и2) низких напряжений (02) это влияние усиливается. Нижняя граница уровня напряжений, еще влияющая на долговечность при программном нагружении, лежит выше половины предела выносливости при стационарном нагружении. Было выявлено также, что кор-

£50

1/(7

Рис. 76. Влияние тренировки на характеристики усталостной прочности сплава ВТ6:

/ - распределение исходного предела усталости; 2 - распределение вторичного предела усталости

45 50б,.кгс/нм

розионная среда (3%-ный раствор NaCl) качественно не изменяет закономерностей усталостного поведения при программном нагружении.

Малоцикловая усталость. Кривые малоцикловой усталости при мягком нагружении (амплитуда напряжений постоянная) для титановых сплавов, как и для других металлов, можно условно разбить на три типичных участка: первый - неразрушения, второй и третий - соответственно квазистатического и усталостного разрушения. На первом участке, лежащем в интервале до -40-50 циклов, разрушения при амплитуде напряжений ниже временного сопротивления не происходит. На втором участке материал разрушается в результате циклической ползучести после исчерпания его пластичности и носит явно выраженный квазистатический характер (наличие шейки, большая остаточная деформация). Усталостное разрушение, наблюдающееся на третьем участке, характеризуется низким остаточным удлинением и специфическим усталостным видом излома. Протяженность участка квазистатического разрушения для титановых сплавов меняется в достаточно широких пределах (от 40 до 20 ООО циклов) и при прочих равных условиях зависит от температуры испытания. Типичные -кривые малоцикловой усталости титановых сплавов [84] при пульсирующей нагрузке растяжением представлены на рис. 77. При жестком циклическом нагружении (амплитуда

деформаций постоянна) кривая малоциклового разрушения тита новых сплавов имеет обычный нисходящий ход (рис. 78). Жесткое нагружение может привести к упрочнению или разупрочнению в зависимости от состава и прочности титанового сплава и температуры испытания. Как правило, технически чистый титан и сплавы средней прочности при жестком нагружении упрочняются, сплавы высокой прочности (Ов > 70 кгс/мм*) чаще всего разу-прочняются, хотя само упрочнение и разупрочнение носит неод-

.120

1;Ю0

0,5 1

1000

10000 N, циклы

Рис. 77. Кривые малоцнкловой усталости титановых сплавов (мягкое нагружение) при температуре - 196° С (-) и при 20° С (---):

О-о - квазнстатическое разрушение, - усталостное разрушение

позначный характер и зависит от состава, структурного состояния и температуры испытания. Испытания при повышенных температурах (до 450° С) в большинстве случаев приводят к упрочнению, наиболее сильному - в диапазоне температуры 200- 400° С. В этом температурном интервале титановые сплавы, видимо, имеют общее деформационное упрочнение (рис. 79) [113], которое сказывается и на ползучести, и длительной прочности. Характер разрушения при малоцикловом нагружении в зависимости от температуры испытания имеет три вида: в диапазоне температур ниже 200° С (испытано до -196° С) разрушение титана идет по образующимся двойникам, в темпатурном интервале 200-400° С - по телу зерна (транскристаллитное) и при более высоких температурах - по границам зерен.

Общая закономерность влияния температуры испытания на малоцикловую прочность -повышение абсолютных значений проч-