Голцев Методы механических испытаний и механические 2012

раничивается значениями, исключающими саморазогрев образца свыше 50 °С для легких сплавов и свыше 100 °С для сталей.

По результатам испытаний образцов при жестком нагружении строят кривые усталости в двойных логарифмических координатах: амплитуда полной деформации α ‒ число циклов до образования трещины NT или до разрушения N и амплитуда пластической деформации pα ‒ число циклов, соответствующее половине числа

циклов до образования трещины или до разрушения N. Амплитуду пластической деформации pα определяют как половину ширины

петли упругопластического гистерезиса p или как разность между

задаваемой амплитудой полной деформации и амплитудой упругой деформации, определяемой по измеренной нагрузке, соответствующей ей напряжению и модулю упругости материала.

Амплитуду пластической деформации pα при числе циклов,

соответствующем половине числа циклов до образования трещины или до разрушения, определяют интерполяцией значений амплитуд при предварительно выбранных числах циклов, близких к ожидаемым.

Типичные кривые усталости при жестком нагружении приведены на рис. 105.

Рис. 105

По результатам испытаний образцов при мягком нагружении строят: кривую усталости в полулогарифмических или двойных логарифмических координатах «амплитуда напряжений α ‒ число циклов до образования трещины NT или до разрушения N» (рис. 106) и зависимость амплитуды пластических деформаций (полови-

182

на ширины петли гистерезиса) pα от числа полуциклов нагруже-

ния K по параметру амплитуды напряжения при выбранном коэффициенте асимметрии цикла напряжений (рис. 107).

Рис. 106

Рис. 107

На рис. 107 приведены кривые усталости при мягком нагружении ‒ зависимость амплитуды пластической деформации от числа полуциклов нагружения: а – для циклически разупрочняющегося материала, б – для циклически стабилизирующегося материала, в – для циклически упрочняющегося материала.

183

Установлено, что у большинства материалов при циклическом деформировании в пластической области зависимость напряжения от деформации значительно меняется. Некоторые материалы упрочняются, а некоторые разупрочняются, что схематично показано на рис. 108 для условия нагружения с заданной деформацией (жесткое нагружение). Для циклически упрочняющегося материала характерны уменьшение ширины петли гистерезиса и увеличение циклического напряжения (рис. 108,а), для циклически разупрочняющегося материала характерно расширение петли гистерезиса и снижение циклического напряжения (рис. 108,б). Эти изменения обычно происходят на первых циклах деформирования. Затем петли гистерезиса стабилизируются, так что в остальной области больших значений долговечности при постоянной заданной амплитуде деформации амплитуда напряжения остается практически постоянной. Амплитуда пластической деформации или амплитуда полной деформации за цикл нагружения определяют малоцикловую долговечность материала.

Используя устойчивые петли гистерезиса для различных значений постоянной амплитуды деформации, можно провести кривую через их вершины, представляющую собой кривую «циклического» деформирования. Пример такого построения приведен на рис. 109, где цифрой 1 обозначены кривые при монотонном нагружении, цифрой 2 – при циклическом нагружении, 3 -– приближенная форма петель.

Особенности циклического деформирования определяют характер повреждения и разрушения материалов. Реверсивная пластическая деформация вызывает усталостное повреждение, тогда как одностороннее накопление деформации может привести к исчерпанию пластичности. В связи с этим разрушение может носить усталостный, квазистатический или смешанный характер.

При мягком нагружении может происходить одностороннее накопление деформации от цикла к циклу, при жестком – это исключено. Накопление повреждений и характер разрушения связаны с указанными особенностями процесса деформации.

184

Рассмотрим условия деформирования на примере симметричного по напряжениям нагружения растяжения-сжатия. В исходном, нулевом, полуцикле (k = 0) растяжения (участок ОА на рис. 110) напряжения и деформации достигают величин 0 и 0 (точка А). В

последующем, первом, полуцикле (k = 1) происходит разгрузка и нагружение сжатием до напряжения ‒ 0 (точка С). Затем проис-

ходит разгрузка, и заканчивается первый цикл (точка D). Ширина петли гистерезиса 1 характеризует размах пластической деформации за первый цикл. Поскольку петля гистерезиса не замкнута, то H1 есть односторонне накопленная деформация за первый цикл. В k-м цикле размах пластической деформации будет k и

накопленная деформация равна HK . При изменении знака нагружения возможно проявление эффекта Баушингера, характеризующегося снижением величины предела текучести материала.

Особенности циклического деформирования в каждом полуцикле отражаются зависимостью между напряжениями и деформациями в координатах S‒e c началом координат в точке разгрузки А данного полуцикла (см. рис. 110). Было установлено, что в координатах S‒e имеем единую диаграмму деформирования, когда ход деформирования в данном полуцикле не зависит от степени исходной деформации.

Экспериментально установлено, что накопленная деформацияk зависит от 0 и числа полуциклов k. Изменение величины

характеризует циклические свойства материала.

Одностороннее накопление деформации растяжения приводит к так называемому квазистатическому разрушению, когда образуется шейка, и деформация достигает критического значения кр , соот-

ветствующего истинному удлинению при разрыве. Повреждаемость за один цикл нагружения в этом случае оце-

нивается величиной dст= нк в предположении стабилизированного

кр

εнк за цикл.

186

В случае одновременного накопления квазистатических и усталостных повреждений необходимо суммировать по числу циклов статические и усталостные повреждения. Была показана возможность применения закона линейного суммирования повреждений

dст dуст 1, которое получило название билинейного пра-

вила суммирования повреждений Менсона.

Экспериментальные данные, накопленные различными исследователями в последние годы, свидетельствуют, что долговечность в большей степени определяется полной деформацией, а не пластической, особенно в области больших значений долговечности из диапазона малоцикловой усталости. Пример графика зависимости амплитуды деформации от долговечности для легированной никелем стали показан на рис. 111, где отдельно представлены графики зависимости амплитуды пластической и полной деформации от долговечности.

Рис. 111

Кривая 1 отражает зависимость числа циклов до разрушения от размаха упругой деформации. Зависимость эта линейная в лога-

188

Кривая 2 отражает зависимость долговечности от размаха пластических деформаций. Эта зависимость тоже линейна в логарифми-

ческих координатах: p CNk . Кривая 3 – зависимость долго-

вечности от размаха полной деформации. Таким образом, просуммировав упругие и пластические деформации, получаем зависимость

где b=(‒0,05)÷(‒0,15), α=(‒0,5)÷(‒0,8), абсцисса точки пересечения двух прямых – переходная долговечность Nперех. Зависимость (108) получила название зависимости Морроу.

Анализ рис. 111 показывает, что если требуется рабочее число циклов меньше, чем Nперех, то целесообразно использовать материал с высокой пластичностью и относительно низким уровнем предела прочности. Если требуется долговечность большая, чем Nперех, то целесообразно использовать материал с высоким пределом прочности.

Малоцикловая усталость зависит от частоты нагружения и формы цикла, поскольку пластическая деформация развивается во времени, что особенно заметно при повышенных температурах. Например, долговечность алюминиевого сплава Д16Т уменьшилась в 3,5 раза при понижении частоты с 2000 до 15 цикл/м.

3.4. Термическая усталость

Малоцикловое разрушение может быть вызвано не только действием переменных нагрузок, но и повторными тепловыми воздействиями. Напряжения в детали при ее нагреве возникают в том случае, если ограничена температурная деформация или имеет место неравномерный нагрев (охлаждение) тела. Такие напряжения называются термическими, а разрушение, вызванное знакопеременной пластической деформацией (являющейся следствием циклических изменений температуры), ‒ термической усталостью.

Термическая усталость – разновидность неизотермической малоцикловой усталости. Анализ многочисленных экспериментальных данных показывает, что сопротивление материалов термической усталости в значительной степени зависит от условий проведения испытаний: температурного режима, жесткости нагруже-

189

ния, формы и длительности термического цикла. Показана возможность использования формулы Коффина – Менсона для оценки долговечности при термической усталости.

Для выполнения испытаний на термическую усталость необходимо иметь установку, обеспечивающую циклическое изменение температуры по заданному закону, регистрацию циклических диаграмм деформирования образца и регистрацию числа циклов до разрушения.

Испытания на термоусталость проводятся в соответствии с ГОСТ 25.505.

Схема механической части установки, разработанной в МИФИ для проведения испытаний на термическую усталость, приведена на рис. 112. Установка состоит из двух массивных плит 11 и 13, соединенных между собой тремя колоннами 12. Образец 4 закрепляется с помощью накидных фланцев 3 в установочном гнезде мембраны 1, соединенной с нижней плитой 13, а с верхней плитой 11 – верхней 7 и нижней 5 центральными гайками с использованием разрезных вкладышей 6. Трубчатый образец 4 нагревается непосредственным пропусканием тока. В верхнюю головку образца ввинчивается латунный токоввод, к которому присоединяется гибкая водоохлаждаемая шина 2, идущая от силового трансформатора. Вторая шина подключается к мембране 1.

Циклические термические напряжения в закрепленном образце возникают за счет периодических нагревов и охлаждений в силу запрещения деформаций в осевом направлении. При нагревании образца 4, когда он не закреплен в верхней плите 11, напряжения в образце не возникают. Если закрепить верхнюю головку образца гайками, то перемещение последней будет ограничено, и в образце появятся сжимающие напряжения.

Если стесненная деформация во время нагрева не выходит за пределы упругой, то, охлаждаясь, образец возвращается к исходным размерам, и напряжения полностью снимаются. Если же деформация в процессе нагрева выходит за пределы упругой, в образце возникает остаточная деформация сжатия. При последующем охлаждении в образце появятся остаточные напряжения растяжения, так как в результате остаточного сжатия охлажденный образец в свободном состоянии стал бы короче. Когда головки образца закреплены жестко, будет возникать растяжение. При этом снова

190