книги / Многоцикловая усталость при переменных амплитудах нагружения

специальной формы с резонаторами, возбуждает резонанс­ ные колебания определенных объемов воздуха, т. е. создает в некотором пространстве акустическое поле, в котором возбуждаются колебания помещенных в него объектов испытаний. Особенно интенсивные акустические поля со­ здаются в установках сиренного типа, где давлеиие подаю­ щегося в акустическую систему сжатого воздуха предвари­ тельно модулируется с той частотой, которая необходима для возбуждаемого акустического поля, или в установках с несколькими электродинамическими возбудителями зву­ ка типа громкоговорителей. В таких акустических полях объекты испытаний (чаще всего это тонколистовые пластины и оболочки) возбуждаются на соответствующих по частотам формах иоперечпых колебаний, интенсивность которых за­ висит как от параметров поля, так и от демпфирующих свойств объекта. Усталостные разрушения в листовых, панельных конструкциях при таком виде испытаний наблю­ даются на частотах примерно 100—2000 Гц.

В магиитострикционных силовозбудителях использует­ ся свойство некоторых металлических и металлокерами­ ческих ферромагнитных материалов изменять свои раз­ меры в такт изменению действующего на них магнитного поля. Этот эффект мал, и возбудитель колебании изготав­ ливается в виде настроенного на необходимую частоту эле­ мента с обмотками, по которым пропускаются поляризующий постоянный ток и переменный ток указанной частоты. Возникающие резонансные колебания передаются к испы­ тываемому образцу, также настроенному на частоту вибра­ тора, с помощью дополнительных жестких креплений или усиливающих колебания волноводов. Усталостные испыта­ ния на установках с магнитострикторами проводились на отдельных частотах в диапазоне примерно 2,5—100 кГц.

В таком же примерно частотном диапазоне в резонансных усталостных установках используются пьезоэлектрические силовозбудители, принцип действия которых основывается на так называемом обратном пьезоэффекте, присущем не­ которым материалам: на способности их изменять свои раз­ меры в соответствии с изменениями электрического поля.

Классическим представителем пьезоматериалов является кристалл кварца, однако его пьезосвойства слабые и в на­ стоящее время в возбудителях высокочастотных звуковых и ультразвуковых колебаний используется поликрысталлическая пьезокерамика, обладающая значительно более сильным пьезоэффектом. Тем не менее изменения размеров пьезоэлемента под воздействием электрического поля ос­

таются малыми и поэтому возбудители звука и ультразву­ ка обычно работают в резонансном режиме. Механическая колебательная система усталостных установок с пьезоэлек­ трическими силовозбудителями аналогична таковой в магнитострякционных установках.

Для усталостных испытаний при регулярном нагружении, особенно для испытаний с формой цикла, близкой к синусо­ иде, а также для испытаний при программном (блочном) изменении переменной нагрузки пригодны усталостные ма­ шины с любым из рассмотренных типов силовозбудителей. Для усталостных испытаний при узкополосной случайной нагрузке выбор силовозбудителей суживается. Особенно узким он становится в том случае, если требуется проведение усталостных испытаний при широкополосных случайных нагрузках. Практически только два типа испытательных машин пригодны для решения данной задачи: электрогидравлические установки, если предельные частоты спектра не превышают 100—120 Гц, и электродинамические уста­ новки, если требуется спектр с более высокочастотными составляющими. Если электрогидравлические машины, при­ годные для возбуждения случайных нагрузок, серийно выпускаются во многих странах в виде современных уста­ лостных установок, оснащенных специализированной уп­ равляющей и регистрирующей аппаратурой, то электроди­ намические силовозбудители все еще производятся лишь в виде стендов, пригодных для вибрационных (а не усталост­ ных) испытаний различного рода изделий, предназначае­ мых для работы в широком диапазоне частот. Эти стенды приходится дорабатывать в лабораторных условиях для проведения усталостных испытаний в условиях по-насто­ ящему широкополосного случайного нагружения.

Кроме вопроса о достоверности (качестве) эксперимен­ тальной информации, следующей из испытаний на конкрет­ ных усталостных машинах, всегда возникает вопрос о ко­ личестве получаемой информации, т. е. о производитель­ ности усталостной машины. Для регулярного нагружения эта характеристика машины определяется (при прочих рав­ ных условиях) частотой циклов. Если, например, частота 50 Гц, то для испытания одного образца на базе 10а циклов, которая в соответствии со стандартом [110] необходима для легких сплавов и ряда других материалов, требуется свы­ ше 20 суток непрерывной работы машины. Для испытания партии образцов, необходимой для построения кривой ус­ талости, требуются месяцы непрерывной работы одной ма­ шины или не менее месяца работы в том случае, если исполь­ зуется несколько однотипных усталостных машин. Это и

долго, и дорого. Поэтому актуален вопрос об ускорении усталостных испытаний, особенно в настоящее время в свя­ зи с разработкой многих новых конструкционных материа­ лов, предназначаемых для использования в условиях цик­ лического нагружения, применением разнообразных уп­ рочняющих технологий, направленных против усталостного разрушения, и многообразных конструктивных элементов, подвергающихся переменным нагрузкам.

Ускорения усталостных испытаний можно достичь, при­ меняя ускоренные способы ведения испытаний. Разработа­ ны различны© виды таких способов, основанные на форси­ ровании тех или иных параметров режима усталостных испытаний при соблюдении подобия процессов накопления усталостного повреждения в образцах и моделируемых элементах. Несмотря па многообразие факторов, влияющих па процесс усталости, форсировать режимы испытаний мож­ но по весьма ограниченному числу параметров. Практически к таким параметрам можно отнести лишь нагрузку и ско­ рость или характер ее изменения во времени, вынужденно оставляя в «прочих равных» условиях многие другие важные параметры, включая температуру и среду, т. е. несколько упрощенно за параметры форсирования режима испытаний можно принять лишь амплитуду сга и частоту / циклического нагружения.

Многие способы ускоренных усталостных испытаний основываются на форсировании режима испытаний только по параметру сга. Отрицательной стороной таких способов является то, что при неизбежном для них значительном увеличении амплитуды напряжений сга нарушается условие подобия процесса усталости по уровню неупругих цикли­ ческих деформаций, величина которых (как свидетельст­ вуют многочисленные деформационные критерии усталости) является определяющей для рассматриваемых процессов.

Большие возможности для разработки способов ускорен­ ных усталостных испытаний дает форсирование по парамет­ ру /. При этом усталостные испытания могут проводиться практически при тех же значениях <т0, которые имеют место в моделируемом элементе, а изменение неупругих цикли­ ческих деформаций (их уменьшение по мере повышения частоты циклов) оказывается относительно меньшим, чем

частоты циклического нагружения. Отмечаемое влияние частоты не всегда существенно, особенно при проведении

сравнительных усталостных испытаний, поэтому высоко­ частотные способы таких усталостных испытаний перспек­ тивны и получают все более широкое применение [93—95, 129—131, 1G4, 177]. На высокой частоте нагружения, равной 5—10 кГц, указанная выше база испытаний в 108 циклов отрабатывается всего лишь за 3—6 ч, т. е. выигрыш по вре­ мени получается весьма значительным. При этом затра­ ты на оборудование, изготовление образцов и проведение испытаний при высокочастотном нагружении оказываются не большими, чем в испытаниях с обычными частотами нагружения.

6. ЗАВИСИМОСТЬ ХАРАКТЕРИСТИК СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ ОТ УСЛОВИЙ НАГРУЖЕНИЯ И СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА

Накопление усталостного повреждения — сложное явление, для которого оказывается существенным влияние множества разнообразных факторов. Перечень этих факторов и крат­ кая характеристика их воздействия на показатели уста­ лости приводятся ниже. Последовательность описания фак­ торов может быть другой. Здесь она принята такой потому, что рассматриваются вопросы с позиций механики и фак­ торам механического нагружения, естественно, отдается предпочтение перед другими факторами.

Режим и вид нагружения. Сведения об усталостной дол­ говечности и пределе выносливости, представленные без дополнительной информации о режимах и виде нагружения, будут неполными в связи с зависимостью усталостного по­ вреждения от условий нагружения. В настоящее время имеется достаточно четкое представление о том, как вли­ яет на сопротивление усталостному разрушению тот или иной фактер действующий изолированно. Совокупное дей­ ствие многих факторов не всегда поддается оценке и иногда может быть установлено лишь в результате соответствующих экспериментов.

А с и м м е т р и я ц и к л а . Общий характер влияния значения и знака средних напряжений цикла на предел выносливости рассматривался в параграфе 2 в связи с по­ строением диаграмм предельных напряжений и предель­ ных амплитуд. Многочисленные исследования влияния среднего напряжения цикла на предел выносливости цветных и черных металлов позволяют выявить его определен­ ные закономерности [180]. Так, для многих сталей экспери­ ментальные данные большей частью ложатся между пря­ мой АС и параболой АВС (см. рис. 5) при п = 2. Все резуль­

таты для высокопрочных й упрочненных старением алюми­ ниевых сплавов ложатся выше или очень близко к прямой АС. Для ряда алюминиевых сплавов средней прочности

экспериментальные точки находятся ниже этой прямой. Вогнутость диаграммы предельных амплитуд для таких сплавов объясняется наличием для них высокого отношения и низкого от/ов. Средние напряжения, наложенные на переменные, могут вызвать превышение предела теку­

чести и явиться причиной заметного снижения усталостной долговечности. Снижение предельных амплитуд с ростом асимметрии цикла можно характеризовать с помощью коэф­ фициента [154]

Как показывают опытные данные, значение коэффициен­ та i|1 зависит от статической прочности сплава, базы испы­

тания и среднего напряжения цикла.

Ч а с т о т а ц и к л о в . Влиянию частоты цикличес­ кого деформирования на усталость в настоящее время уде­ лено достаточное внимание [93, 129, 130, 131, 177] в связи с большим прикладным значением этого вопроса. Отметим основную закономерность для фактора частот. При повыше­ нии частоты циклического нагружения от единиц герц до десятков килогерц независимо от вида материала наблюдает­ ся заметное увеличение предела выносливости. При этом характер влияния частоты нагружения на предел выносли­ вости не зависит, по крайней мере для металлических мате­ риалов, от вида циклического нагружения. Такой характер частотной зависимости циклической прочности обусловлен влиянием скорости нагружения па пеупругую деформацию микрообъемов материала. При увеличении частоты нагру­ жения на характеристики сопротивления усталости мате­ риалов влияют два противоположно действующих процесса: уменьшение повреждающего действия циклической нагруз­ ки вследствие сокращения времени действия максимальных напряжений в цикле и увеличение повреждений материала из-за его перегрева вследствие увеличения количества теп­ лоты, выделяющейся в образце в единицу времени по при­ чине гистерезисных потерь. В связи с этим зависимость предела выносливости от частоты имеет максимум. На его ин­ тенсивность и положение на оси частот влияют многие фак­ торы, в том числе свойства материала, окружающая среда, форма испытуемого образца и др.

Ф о р м а ц и к л а . О характере влияния формы цикла напряжений па сопротивление усталости можно судить,

основываясь на положении, что повреждающее действие цикла напряжений будет тем большим, чем более продол­ жительным в цикле будет действие максимальных напряже­ ний. В связи с этим простейшие циклы (такого типа, как на рис. 1) по повреждающему действию можно расположить в следующий ряд: треугольный (пилообразный), синусоидаль­ ный, трапецеидальный, прямоугольный. В работе 1125] образцы из углеродистой стали испытывались на усталость при треугольной, синусоидальной и прямоугольной формах циклов. При первых двух формах цикла различия в долго­ вечности обнаружено не было; при прямоугольном цикле долговечность оказалась значительно меньшей, чем при первых двух. В работе 1149] форма цикла при переменном кру­ чении формировалась путем сложения двух гармонических со­ ставляющих с различными частотами и амплитудами. В результате исследований было установлено, что существует оптимальное соотношение амплитуд гармонических состав­ ляющих, при котором долговечность образца оказывается наибольшей. Изменение этого отношения в ту или другую сторону связано с падением долговечности. Влияние формы цикла в этом случае объясняется эффектами тренировки, имеющими место при определенном соотношении его мак­ симального и минимального значения.

Р е г у л я р н о с т ь н а г р у ж е н и я . Если в про­ цессе переменного нагружения значения агаах и amj„ не ос­ таются постоянными, то сопротивление усталости зави­ сит от характера нестабильности режима нагружения. Простейший пример такого непостоянства — двухступенчатое нагружение, когда одна часть заданной базы нагружения реализуется при одном значении amax (ffmin)j а другая часть базы — при другом. В этом случае практически для всех конструкционных материалов выявляется следующая за­ кономерность: если сначала нагружение ведется при меньшем значении атах, а затем при большем, то общая долговечность увеличивается по сравнению с той, которая имеет место тогда, когда нагружение ведется только с большим значе­ нием отцаа*. Это так называемый эффект тренировки. Он имеет вполне определенное прикладное значение и на практике чаще всего реализуется в период обкатки машин и механиз­ мов, когда их эксплуатация ведется при пониженных на­ грузочных режимах. Эффекта тренировки можно достичь не только при двухступенчатом нагружении, но и при мно­ гоступенчатом, когда атах незначительно увеличивается через некоторое число циклов. Таким образом можно до­ стичь повышения предела выносливости до 30 % [180].

Предел выносливости низкоуглеродистых сталей может

возрасти, если в процессе испытаний чередуются периоды нагружения с периодами отдыха. Увеличение времени от­ дыха ведет к увеличению предела выносливости. Процесс отдыха ускоряется с повышением температуры.

Положительное влияние тренировки и недогрузок на сопротивление усталости связывают с эффектами деформа­ ционного старения. Отрицательное влияние перегрузок (да­ же кратковременных, одиночных) объясняется тем, что при возрастании сгтах может произойти зарождение усталостной трещины, распространение которой затем возможно уже при значительно более низких напряжениях.

Влияние последовательно высоких и низких переменных напряжений на усталостную долговечность наиболее до­ стоверно выявляется с помощью специально организован­ ных программных испытаний, когда в блоке нагружения (т. е. в периодически повторяющейся специфической сово­ купности циклов напряжений) определенным образом че­ редуются циклы с большим и малым значением отахЕсли уровни напряжений в циклах велики, то форма блока су­ щественно сказывается на результатах испытаний. Для по­ лучения результатов, слабо зависящих от формы блока в смысле чередования амплитуд различных уровней, объем программных блоков выбирается таким, чтобы число бло­ ков до разрушения было не менее 12—15. В противном слу­ чае форма блока может оказать значительное влияние на накопление повреждений в испытуемом материале [162].

При непрерывном изменении максимальных значений напряжений во времени долговечность материалов во мно­ гом зависит от типа спектра пагруженности, т. 'е. от вида функции вероятностей амплитуд напряжений. Для оценки работоспособности элементов конструкций предложены че­ тыре типовых спектра, определяющих режим их работы [139]:

1.Тяжелый режим, для которого функция вероятнос­ тей амплитуд напряжений описывается бэта-распределепием.

2.Средний равновероятный режим, функция вероят­ ностей амплитуд для которого описывается равновероят­ ным распределением.

3.Средний нормальный режим, для которого вероят­ ность амплитуд описывается интегральной функцией нор­ мального распределения.

4.Легкий режим, функция вероятностей амплитуд для которого описывается интегральной функцией гамма-рас­ пределения.

Исходя из реального спектра нагруженности строится программный блок испытаний, моделирующий данный спектр.

Как уже отмечалось, существенное влияние на результаты испытаний может оказывать число программных блоков, необходимое до разрушения. Однако в любом случае при испытании случайной нагрузкой получают, как правило, более низкие значения долговечности, чем при программных испытаниях. Это объясняется прежде всего плияиием по­ следовательности нагружения. Следует также учитывать то обстоятельство, что большие перегрузки в спектре, со­ ответствующие малым вероятностям появления, могут быть достаточными для возникновения усталостных трещин, ко­ торые могут затем распространяться при низких напряже­ ниях.

Не о д н о р о д н о с т ь н а п р я ж е н н о - д е ф о р ­

ми р о в а н н о г о с о с т о я н и я . Это те, весьма распро­ страненные на практике случаи нагружения, когда в сече­ нии элемента конструкции градиент напряжений или де­ формаций пе равен нулю. Анализ влияния неоднородности напряженного состояния на характеристики усталости приводит к следующим выводам [167, 169]: 1) предел выносли­ вости при однородном линейном (осевое растяжение — сжа­ тие) или плоском (кручение тонкостенной трубы) напряжен­ ном состоянии заметно ниже, чем при неоднородном линей­ ном (изгиб) или плоском (кручение сплошного стержня) напряженном состоянии; 2) при увеличении градиента на­ пряжений существенно увеличиваются местные напряжения, соответствующие пределу выносливости; 3) при неоднород­ ном напряженном состоянии предел выносливости зависит

от формы поперечного сечения образца, он увеличивается с уменьшением объема материала, находящегося в области

В общем случае сложное напряженное состояние материа­ ла характеризуется наличием трех главных напряжений, действующих в трех взаимно перпендикулярных плоско­ стях. При этом компоненты напряжений могут менять свое направление, иметь различные частоты и фазы.

Для описания экспериментальных данных при сложном напряженном состоянии используют теории прочности. При этом предполагается, что разрушение в материале наступает при достижении некоторой комбинацией глав пых напряже­ ний критического значения, определяемого эксперименталь­ ным путем. Гипотезы прочности при многоосном цикличес­ ком нагружении можно применять в исходной форме только в том случае, если все компоненты тензора напряжения в каждый момент времени изменяются пропорционально. Вли­ яние фазы приложения главных напряжений при испытании

образцов, нагружаемых циклическим изгибом и кручением, а также растяжением — сжатием и кручением, исследова­ лось в работе [125]. Результаты испытания показали, что сдвинутое по фазе нагружение может приводить к меньшей долговечности, чем синфазное.

Конструктивные факторы. К конструктивным факторам прежде всего относятся факторы, характеризующие геомет­ рию и размеры образца. Для практического использования экспериментальных данных о циклической прочности мате­ риалов особое значение имеет вопрос, соответствует ли дол­ говечность, определенная на малых образцах простой гео­ метрической формы, долговечности больших образцов и деталей. Многочисленные экспериментальные данные дают отрицательный ответ. Ниже будут рассмотрены основные за­ кономерности влияния конструктивных факторов на цикли­

циклическую долговечность оказывает величина попереч­

от максимального положительного напряжения до отрица­ тельного, принимая нулевое значение на нейтральной оси. Чем меньше толщина образца, тем больше градиент напря­ жений по сечению. Как показывает опыт, долговечность гладких образцов или деталей при неоднородной нагрузке тем выше, чем больше градиент приложенных напряжений. Объясняется это тем, что с увеличением поперечного се­ чения уменьшается градиент напряжений и напряженное состояние в объемах материала, прилегающих к поверх­ ности, приближается к однородному, а, как уже отмечалось выше, сопротивление усталости при однородном напряжен­ ном состоянии всегда ниже, чем при неоднородном. Кроме этого, существует статистический фактор, обусловленный статистически распределенными дефектами на поверхности материала. Проявление этого фактора усиливается с ростом размеров образцов или деталей.

Ф а к т о р к о н ц е н т р а ц и и н а п р я ж е н и й . Важнейшим фактором, определяющим циклическую долго­ вечность, является концентрация напряжений. Почти все детали имеют конструктивные надрезы, изменения попереч­ ного сечения, вырезы, прорезы или отверстия. Дефекты по­ верхности, обусловленные обработкой, следы коррозии, а также внутренние дефекты действуют так же, как и надре­ зы. В надрезах под действием внешней нагрузки возника­ ют перенапряжения и, как следствие, понижается предел

выносливости. Снижение предела выносливости образцов с* кон­ центратором напряжений не обязательно приводит к умень­ шению их долговечности в области малоцикловой усталости. При больших амплитудах долговечность надрезанных об­ разцов может быть больше долговечности гладких. Этот эффект объясняется наличием объемного напряженного со­ стояния в устье надреза, которое сильнее препятствует пла­ стической деформации, чем при одноосном напряженном состоянии при такой же амплитуде нормального напряжения в случае испытания гладких образцов.

С о е д и н е н и е э л е м е н т о в к о н с т р у к ц и и . Многие элементы конструкций имеют различные сочленения, болтовые и заклепочные соединения, насадки и т. п. Если поверхности в контакте подвергаются относительному пе­ ремещению небольшой амплитуды, то может происходить повреждение поверхностей, известное как коррозия трения. Обычно различные соединения имеют контакт только в оп­ ределенном числе выступающих точек поверхности и в этих местах происходит пластическое течение и холодное схва­ тывание. Трение и износ являются результатом разруше­ ния схватывания и образования задиров на выступающих: местах. Наличие коррозии трения обычно определяется по: образованию коррозионных продуктов, которые состоят из: мелко раздробленных окисленных частиц. Поверхность по­ вреждается быстрее с увеличением действующей нагрузки: или давления. В сухих условиях металл в результате корро­ зии трения повреждается больше, чем во влажных. Нали­ чие переменных напряжений в местах повреждения от коррозии трения приводит к сокращению усталостной долго­ вечности детали и уменьшает ее предел выносливости. Кор­ розию трения можно уменьшить и даже предотвратить вве­ дением смазок или специальных прокладок между контак­ тирующими поверхностями.

Т и п м а т е р и а л а . Оптимальный выбор материала: для подверженных циклическим нагрузкам деталей с целью обеспечения их надежности в особых условиях нагружения — задача весьма важная и сложная. Общее сравнение двух: материалов по принципу лучший и худший на практике не­ возможно. Это становится ясным при сравнении высокопроч­ ных и нелегированных конструкционных сталей. Первые: при использовании их для изготовления конструкций с ма­ лой концентрацией напряжений дают значительный вы­ игрыш в величине допустимой амплитуды напряжений. Пе­ ренос этих результатов на конструкции с сильным концент­ ратором напряжений при повышенных средних папряжеииях приведет к явной ошибке, так как циклическая проч­