ИСПЫТАНИЯ НА МАЛОЦИКЛОВУЮ УСТАЛОСТЬ

 

Потребность в испытаниях на малоцикловую усталость возникла в связи с усталостными разрушениями самолетов и кораблей — конструкций, испыты­вающих при эксплуатации сравнительно редкие, но в то же время относитель­но большие перегрузки [14]. Несмотря на то, что эти испытания за последние 25 лет получили довольно широкое распространение, до сих пор понятие мало­цикловой усталости не имеет столь строго определенного толкования, как, например, предел выносливости или сопротивление разрыву. Часто, особенно в американской литературе, под термином малоцикловая усталость (low-cycle-fatique) понимают сопротивление усталости в области больших повтор­ных нагрузок, принимая в качестве границы, отделяющей малоцикловую область от обычной усталости, напряжение, соответствующее пределу теку­чести или пропорциональности материала. Выбор такой границы в известном отношении имеет определенный смысл.

Как показали исследования В. И. Щабалина [15], кривая на уровне ( — предел текучести) имеет разрыв (рис. 1), что позволяет предположить существование различий в механизме уставания в малоцикловой области и в области обычной усталости.

Однако при таком подходе термин малоцикловая усталость не отражает специфических особенностей нагружения, связанных с малой частотой приложения нагрузки. Между тем низкочастотный характер нагружения в соедине­нии с высоким уровнем действующей повторной нагрузки в значительной мере определяет закономерности разрушения в малоцикловой области. Так, напри­мер, при оценке влияния поверхностного наклепа следует иметь в виду, что он значительно увеличивает сопротивление усталости как при низкочастотном малоцикловом нагружении, так и при напряжениях, близких к пределу вынос­ливости при обычной частоте нагружения (рис. 2, а и б). Если же оценивать сопротивление малоцикловой усталости при частоте нагружения 25—50 гц, то полезное влияние поверхностного упрочнения может не обнаружиться (см. рис. 2, а, верхний участок кривых).

Отсюда следует, что левый верхний участок кривой Веллера не всегда можно использовать для характеристики малоцикловой усталости того или иного материала. Если условия службы деталей и узлов таковы, что они испы­тывают сравнительно редкие перегрузки (например, маневренные перегрузки или перегрузки от порывов ветра в самолетных конструкциях, повторные на­грузки, связанные с суточными изменениями температуры в корпусах, находя­щихся под внутренним давлением и т. д.), то сопротивление малоцикловой усталости следует оценивать при низкочастотных испытаниях. В связи с этим в отечественной литературе [14, 16], наряду с термином «малоцикловая уста­лость», можно встретить термины «статическая выносливость» и «прочность при повторных статических нагрузках» — термины, отражающие специфические особенности процесса уставания, связан­ные с малой скоростью изменения повторной нагрузки.

Изломы низкочастотной малоцикловой усталости чаще всего, во всяком случае для конструкционного материала высокой и средней прочности, имеют типичную усталостную зону и по своему виду при визуальном осмотре могут не отличаться от классических изломов усталости (рис. 3).

Для испытаний на малоцикловую усталость хорошо зарекомендовали себя обычные универсальные гидравлические машины, снабженные специальными электромагнитными переключателями и следящими устройствами (контакто­рами) для переключения хода цилиндра при верхнем и нижнем положениях нагрузки (рис. 4). Здесь масло от насоса 1, приводимого в движение электро­двигателем 2, подается по трубке 5 в цилиндр 3 машины; при этом поршень 4 перемещается вверх, растягивая образец. При достижении заданной верхней нагрузки цикла срабатывает контактный манометр 6, при этом открывается кран электромагнитного переключателя 7 и прекращается подача масла в цилиндр по трубке 5. В результате поршень движется в обратном направ­лении, образец разгружается до заданного положения левого контакта на контактном манометре . В качестве электромагнитных переключателей могут быть использованы стандартные гидроагрегаты ГА-98. Дроссель 8 пре­дохраняет электромагнитный кран от гидравлического удара. Чтобы избежать подгорания контактов следящей системы (в данном случае манометра), целе­сообразно использовать предложенную В. Ф. Ямилинцем электросхему, в ко­торой включенное в цепь большое сопротивление (2,75 ком) обеспечивает сла­бый ток при размыкании контактов и тем самым предохраняет их от подгорания. В этой схеме на контакты промежуточного реле замкнуты, кроме контактного манометра, счетчик числа циклов и магнит гидроагрегата.

На переоборудованных таким образом гидравлических машинах для ста­тических испытаний можно проводить испытания на пульсирующее растяже­ние (или сжатие, или изгиб), а также асимметричное растяжение (или сжатие, или изгиб) с заданным коэффициентом асимметрии. Устройство насоса гидрав­лических машин позволяет регулировать частоту нагружения в пределах от 4 до 15 цикл/мин.

Аналогичное переоборудование гидравлических пульсаторов двустороннего действия дает возможность проводить испытания на малоцикловую усталость со знакопеременным циклом растяжения—сжатия.

Из машин с механическим приводом для испытания на малоцикловую усталость при осевой нагрузке получили распространение горизонтальные низкочастотные пульсаторы с предельными усилиями ±0,03 Мн (±3 Т) и ±0,1 Мн (±10 Т). На рис. 5 показана схема такого пульсатора с механиче­ским приводом. Эта машина может быть использована как для обычных испытаний на усталость, так и для испытаний с небольшой частотой прило­жения нагрузки; в обоих случаях можно задать и симметричный и асимметричный с любой асимметрией цикл. Образец./ нагружается с помощью вибра­тора 2, приводимого в движение электродвигателем постоянного тока. Максимальная нагрузка цикла регулируется подбором числа оборотов двигателя. Изменение напряжения в каждом цикле задается перемещением подвижной массы вибратора. Величина предельного напряжения цикла контролируется по упругому динамометру 3, жестко соединенному с одной стороны с образцом 1, и с другой—с вибратором 2.

Для испытаний с низкой частотой нагружения имеется отдельный ревер­сивный двигатель, приводящий в движение червячную пару 4, которая, в свою очередь, сообщает поступательное движение шпинделю 5 пульсатора. Задан­ный цикл нагрузки выполняется при помощи следящего устройства 6. Если оба контакта следящей системы связаны с пружиной, то испытания ведутся с заданным размахом нагрузки, если же один из контактов укреплен на ста­нине, то воспроизводится цикл с заданной деформацией.

Чаще всего детали конструкций в условиях службы несут заданную на­грузку, однако имеются важные практические случаи (например, связанные с высокими термическими напряжениями при использовании высокопластичных конструкционных материалов в ядерных реакторах), когда процесс усталостного разрушения определяется условиями постоянства амплитуды деформаций. В этом случае накопление в металле пластической деформации ограничено, что влияет на закономерности процесса усталостного, нагружения. В литературе [17] нагружение с заданным размахом деформации получило название же­сткого нагружения, в отличие от мягкого нагружения с заданным размахом нагрузки.

 

При циклическом упруго-пластическом деформировании с заданным размахом деформации зависимость между напряжениями и. деформациями для симметричного цикла схематически показана на рис. 6, а. Фактическая ширина петли гистерезиса характеризует суммарную величину из пластической и неупругой (необратимой упругой в данном цикле) деформации. Пластическую составляющую можно вычислить как разность между размахом деформаций и долей упругой деформации

Начальную точку кривой циклического деформирования обычно переносят в вершину петли гистерезиса О', рассматривая в каждом цикле первую его половину O’О"; и второй полуцикл O”O’, соответствующим образом изменив на противоположное направление координатных осей.

При нагружении по схеме заданной деформации () в зависимо­сти от свойств материала может происходить перераспределение между упру­гой и пластической составляющими деформации, что приведет к изменению фактически

действующих напряжений (см., например, точки О' и на рис. 6, а). По Коффину [18], зависимость между числом циклов до разруше­ния N и размахом пластической деформации хорошо описывается эмпи­рическим соотношением

где коэффициент С связан с пластичностью при разрушении, вызванном ста­тическим растяжением.

 

При циклическом нагружении с заданным размахом напряжения (см. рис. 6, 6} в процессе испытания сохраняются постоянными значения и , ширина же петли гистерезиса от цикла к циклу мо­жет изменяться в зависимости от особенностей материала: уменьшаться для циклически упрочняющихся материалов, увеличиваться — для циклически разупрочняющихся материалов и, наконец, сохраняться неизменной для цикли­чески стабильных материалов. При этом процесс накопления пластических сдвигов может, вообще говоря, происходить вплоть до разрушения.

Для испытания на малоцикловую усталость наиболее широкое распро­странение получили образцы с концентраторами напряжений в виде полос с отверстием (рис. 7, а) или цилиндрического стержня с кольцевой канавкой (см. рис. 7, б), имеющей либо полукруглый профиль =0,75 мм ( =2,2), либо V-образный профиль с углом раскрытия надреза 60° и =0,1 мм ( =4). Испытания таких образцов методически не пред­ставляют каких-либо затруднений. При их изготовления, важно не допустить наклепа кольцевого надреза, причем для нанесения надреза лучше применять профильный резец, а не шлифовальный круг. Отверстие в пластинах изготав­ливается сверлением, разверткой и последующим снятием с помощью мелкой шлиф-шкурки заусенца на кромках отверстия.

Сложнее получить качественное разрушение при испытаниях на малоцик­ловую усталость гладких образцов. Основная трудность заключается в том, что разрушение, как правило, идет по галтельному переходу, т. е. фактически на участках с заметной концентрацией напряжений ( =1,2 1,3). Чтобы перенести разрушение в рабочую часть, рекомендуется изготавливать плоские образцы карсетного типа (рис. 8, a) с возможно большим радиусом кривизны на рабочей длине..Для цилиндрических образцов (см. рис, 8, б) требуются обычно достаточно развитые в диаметре резьбовые головки. Чтобы избежать разрушения по резьбе титановых сплавов и высокопрочной стали отношение D /d должно быть около трех, для алюминиевых сплавов и среднепрочной стали . Разрушение в галтельном переходе можно предупредить, подвергнув его дробеструйной обработке или обдувке металлическим песком (предварительно, естественно, защитив, например, фольгой и изоляционной лентой, рабочую часть образца). По данным, приводимым в американской литературе [19], хорошие результаты дает гладкий образец, у которого рабо­чая длина соединяется с головками при помощи переходов, параболической и эллиптической форм.

В соответствии с ГОСТом поверхность образцов для испытании на уста­лость и в том числе на малоцикловую усталость должна иметь чистоту V 7— V8. При этом следует, однако, иметь в виду, что для многих конструкцион­ных материалов далеко не безразлично, каким способом достигается такая чистота. Например, шлифование карборундовыми кругами, резко снижает долговечность при повторных нагрузках титановых сплавов. Для получения высо­кой чистоты поверхности образцов из этих сплавов можно рекомендовать шли­фование кругами из карбида кремния или же кругами с наполнителями из искусственных алмазов или нитрида бора.

В соответствии с условиями работы элементов самолетных конструкций наиболее широкое распространение получили испытания на малоцикловую усталость при повторном растяжении (пульсирующем, или с небольшим коэф­фициентом асимметрии ). Следует иметь в виду, что при испыта­ниях образцов с концентраторами напряжения при приложении внешней нагрузки одного знака (например, растягивающей), если эта нагрузка доста­точно высока, чтобы вызвать пластическую деформацию у вершины надреза, в опасном сечении нагружение фактически будет идти по знакопеременному циклу (рис. 9), поскольку при разгрузке до у основания надреза воз­никают остаточные напряжения сжатия.

Результаты испытаний на малоцикловую усталость чаще всего представ­ляют в координатах «» или «» (рис. 10). Для оценки чувст­вительности к повторным нагрузкам результаты испытаний представляются также кривыми К—N, где .

ЛИТЕРАТУРА

1. Вейбулл В. Усталостные испытания и анализ их результатов. М.. «Машиностроение», 1964.

2.Guite for Fatige Testing a statistical Analysis II-nd Edition, ASTM, STP, 1964.

3. Гальперин М. Я. О рассеянии характеристик выносливости по на­чалу образования трещины и окончательному разрушению. — В кн. Механиче­ская усталость в статистическом аспекте. М., «Наука», 1969.

4. Eckel. Proceeding Amer. Sor. For Testing Materials, v. 41, р. 745, 1941.

5. Peterson R. E. Notch – Sensitivity Metal Fatigue, Mc grow – Hill Book Co, 1959.

6. И в а н о в а В. С. Циклическая прочность металлов. М„ АН СССР, 1962.

7. Хэйвуд Р. Б. Проектирование с учетом усталости. М., «Машино­строение», 1969.

8. В а г а п о в Р. Д., Ш и ш о р и и а О. И., Хр и п и н а Л. А. Моделиро­вание при испытаниях на усталость. Сб. «Испытания деталей машин на проч­ность». Под ред. Серенсена С. В. М., Машгиз, 1960.

9. Серенсен С. В., К о гае в В. П., Шнейдерович Р. М. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. М., Машгиз, 1963.

10. Механическая усталость в статистическом аспекте. Под ред. С. В. Се­ренсена. М., «Наука», 1969.

11. Дерягин Г. А., Штовба Ю. К., Шнеерова Э. И. Об ускорен­ных методах определения предела выносливости алюминиевых сплавов. — «Проблемы прочности», 1970, № 4.

12. Кудрявцев И. В. «Зав. лаб.»., 1961, № 4.

13. Машины и приборы для программных испытаний на усталость. Под ред. Гарф М. Э. АН УССР, 1970.

14. М а р и н Н. И. Статическая выносливость элементов авиационных конструкций. М., «Машиностроение», 1968.

15. Шабалин В. И. «Зав. лаб.», 1962, № 7.

16. Ратнер С. И. Разрушение при повторных нагрузках. М., Оборонгиз,1959.

17. Серенсен С. В. Прочность при малом числе циклов нагружения. М., «Наука», 1969.

18. Coffin. Trans. ASME, 1954, v. 76, р. 931.

19. Dubuc J. Trans. ASME, Ser, B 92, No 1, р. 39