книги / Усталость металлов

Данные об эксплуатации могут быть также полезными для улучшения сопротивления усталости конструкции. Как иллюст­ рация этого, на рис. 146, а показана деталь испытательной маши­ ны на усталость при осевом нагружении, которая сама разруша­ лась от усталости после 80 -106 циклов, вследствие неподходя­ щих радиусов галтели бурта. Изменение радиуса галтели бурта (рис. 146, б) увеличило долговечность до 240* 10е циклов. Во вто­ рой модификации детали были просверлены четыре разгружаю­ щих напряжение отверстия, как показано на рис. 146, в, умень­ шающих концентрацию напряжения. Это оказалось целесообраз­ ным, и деталь после этого работала без усталостного разрушения больше 10 лет.

Оценка сопротивления усталости

Наиболее надежным способом оценки сопротивления уста­ лости детали являются усталостные испытания натурных дета­ лей, но на предварительной стадии проектирования такие дан­ ные обычно получить невозможно и сопротивление усталости должно определяться по данным испытаний лабораторных об­ разцов. Тогда необходимо делать поправку на влияние напря­ женного состояния, абсолютных размеров, концентрации напря­ жения и условий на поверхности.

Рассматривая предел усталости гладких ненадрезанных об­ разцов, следует отметить наличие таких данных для многих ма­ териалов (табл. 82). Если нет достаточных данных по пределу усталости, то приблизительное его значение можно оценить по прочности на разрыв (см. гл. III, рис. 28, 35, 38, 40 и 43).

Статическое растягивающее напряжение, наложенное на пе­ ременное напряжение, понижает предел усталости, и поправку на это можно сделать по диаграммам на рис. 50—56. Для плоских образцов из пластичных металлов экспериментальные результа­ ты лежат между линией Гудмана и параболой Гербера, так что линия Гудмана дает заниженные значения пределов усталости и может быть рекомендована для расчетов. При комбинировании изгиба и кручения предел усталости можно оценить с достаточ­ ной точностью по эллиптической зависимости Гафа для кованых металлов при отсутствии концентрации напряжений, а соответст­ вующая эллиптическая дуга относится к литым материалам и кованым материалам с концентрацией напряжения. Чтобы при­ менять эти зависимости, требуется знание предела усталости при кручении, и если оно неизвестно, то его можно определить по рис. 58 и 59 и табл. 19.

Поправка на абсолютные размеры и концентрацию напряже­ ния является наиболее важным фактором и наиболее трудным в смысле достижения достаточной точности. При отсутствии кон­ центрации напряжения результаты усталостных испытаний лабо-

290

раторных образцов разных размеров отличаются несущественно, но пределы усталости валов очень больших диаметров и листов больших толщин значительно ниже, чем небольших образцов (см. табл. 28 и 29). Много экспериментальных работ было про­ ведено по определению влияния концентрации напряжения, но результаты трудно обобщить и нельзя применять непосредствен­ но к вопросам проектирования из-за понижения предела устало­ сти с увеличением абсолютных размеров. Можно определять эффективный коэффициент концентрации Ко по значению коэф­ фициента концентрации напряжения а при помощи эмпирической зависимости Нейбера {уравнение (33)] подстановкой соответст­ вующей постоянной материала и радиуса надреза (гл. V). Одна­ ко значение, полученное этим путем, может иметь значительное отклонение (±20% для сталей, а для цветных металлов и спла­ вов можно ожидать большей ошибки из-за меньшего количества экспериментальных данных), и в случаях, когда концентрация напряжения мала, например меньше соответствующей радиусу надреза 3,1 мм для мягкой стали или алюминиевых сплавов, це­ лесообразно использовать усталостные данные для гладких образцов и снижать предел усталости на полный коэффи­ циент а.

Для оценки предела усталости деталей, имеющих концентра­ цию напряжения при наличии налагаемого статического растяги­ вающего напряжения довольно хорошее приближение можно по­ лучить при допущении, что переменное напряжение понижается на а и что среднее напряжение не влияет. Линия Гудмана, про­ веденная на диаграмме оа — сгт от значения предела усталости при симметричном цикле напряжения, деленного на а, к стати­ ческому пределу прочности при растяжении поэтому дает зани­ женную оценку сопротивления усталости. Этот метод, однако, ненадежен для материалов с высоким отношением предела теку­ чести к пределу прочности при растяжении (таких, как высоко­ прочные алюминиевые сплавы), и тогда следует использовать по­ строение Ганна.

Методы, описанные выше, можно применять с достаточной степенью уверенности для оценки предела усталости целых дета­ лей, имеющих концентрацию напряжения, но к соединениям их применять нельзя из-за трудности точного определения а, а так­ же потому, что усталостные разрушения соединений часто связа­ ны с коррозией трения, влияние которой очень трудно учесть. Предел усталости соединений поэтому должен определяться по результатам предварительных испытаний их на усталость (см. гл. IX).

Даже применяя этот метод, нельзя получить результаты вы­ сокой точности, потому что предел усталости зависит от конструк­ ции соединения; это иллюстрируется разбросом результатов, по­ лученных для типичных самолетных соединений (см. рис. 131).

Поэтому особенно важно проверить конструкцию соединений по­ следующим усталостным испытанием узла.

Следующей стадией в оценке предела усталости детали явля­ ется учет условий на поверхности (см. гл. VI), особенно влияния поверхностной обработки и отделки (обдувка дробью, цемента­ ция, покрытия). Наконец, необходимо сделать поправку на влия­ ние коррозии (гл. VII) и температуры (гл. VIII).

Оценка долговечности

Там, где это возможно, действующие переменные напряжения ограничивают значениями ниже предела усталости или рассчи­ тывают деталь по ограниченному пределу усталости, как это описано выше. Однако иногда нельзя избежать повторного нагру­ жения -выше предела усталости. В этом случае усталостное раз­ рушение в конце концов должно произойти, и задача расчета со­ стоит в оценке безопасной долговечности. Это является более трудным вопросом, потому что расчет должен отражать величи­ ну и повторяемость переменных нагрузок, возникающих при ра­ боте. К тому же наклон кривых о — N для технических сплавов является таким, что увеличение напряжения на 10% сокращает наполовину долговечность, вследствие этого трудно заранее вы­ числить усталостную долговечность, тем более, что разброс в долговечности для данного уровня напряжений приблизительно в десять раз больше разброса предела усталости для данной долговечности. Вопрос оценки усталостной долговечности при­ влек внимание в связи с конструированием самолетов, и метод оценки, разработанный для этой цели, будет кратко описан ниже (более подробно см. [578—580]).

Усталостные разрушения в самолетостроении стали серьез­ ным вопросом сравнительно недавно. Их возросшее значение можно отнести в первую очередь за счет значительно большей долговечности, необходимой для транспортных самолетов, и по­ вышения статической нагруженности конструкции. Современные алюминиевые сплавы выдерживают высокие статические нагруз­ ки, что не сочетается с соответствующим увеличением предела усталости. Нагрузки на самолет создаются в первую очередь от неспокойного воздуха, маневрирования (включая взлет, посадку и выруливание) и давления в фюзеляже. Влияние неспокойного воздуха и маневрирования наиболее существенно для крыльев, но они также могут вызвать усталость в стабилизаторе, в то время как влияние давления ограничивается почти полностью воздейст­ вием на фюзеляж. Прежде чем делать попытку оценить долго­ вечность крыла или деталей стабилизатора, необходимо опреде­ лить величину и повторяемость нагрузок от неспокойного возду­ ха и маневрирования. Эти данные получают с помощью счетчи­ ков ускорений, разработанных для автоматической записи часто-

292

дение равняется сумме повреждений, вызванных каждой группой

напряжений. На рис. 147 можно видеть, что наибольшее повреж­ дение согласно линейному закону вызывается перегрузками в пре­

делах относительно узкой полосы от 4 до 14% предельного напря­ жения, причем максимальный повреждающий эффект имеет ме­ сто приблизительно при 8% и соответствует перегрузке от неспо­ койного воздуха приблизительно 3 м/сек. Поэтому такой размах напряжения часто выбирается для лабораторных испытаний са­

молетных узлов с посто­ янной амплитудой.

Следующий вопрос, связанный с оценкой дол­ говечности,— разброс вы­ носливости номинально одинаковых деталей. Трудности возникают по­ тому, что необходима не средняя долговечность, а минимальная или безопас­

помощью статистического анализа усталостных результатов можно установить безопасную долговечность с определенной степенью доверия.

Было установлено, что расчет самолета на сопротивление ус­ талости следует основывать на заданной вероятности разруше­ ния [584] (см. гл. II). Из опыта работы вытекает, что если боль­ шое число узлов из алюминиевого сплава испытывалось при од­ ном и том же размахе напряжения, то разброс долговечности со­ ставлял около одного порядка, при этом минимальная долговеч­ ность составляет примерно одну треть от средней. Поэтому в на­ стоящее время обычным является испытание шести идентичных узлов при одних и тех же условиях, при этом определяют логариф­ мическую среднюю и делением на коэффициент 3 получают безо­ пасную долговечность. (При другом способе используют напря­ жение, равное 70% от напряжения, соответствующего требуемой долговечности по средней кривой а — N.) Уверенность, с которой можно гарантировать, что данная долговечность является безо­ пасной, возрастает с числом проведенных испытаний или, други* ми словами, безопасная долговечность для данной степени досто­ верности возрастает с увеличением числа испытаний. Это яв­ ляется дополнительным обстоятельством, говорящем о целесооб­ разности определения долговечности путем испытания узлов, по-

294