Полная версия

Главная arrow Товароведение

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Испытания на циклические нагрузки

На многие детали машин и элементы конструкции действуют динамические нагрузки в режиме колебаний. При этом под колебаниями понимают не только движение масс различных систем, но и повторнопеременные нагрузки разного вида. На рис. 7.31 представлены области частот колебаний циклических нагрузок, имеющих место в различных машинах и конструкциях.

В простейшем случае речь идет о чисто синусоидальных колебаниях, но в общем случае следует учитывать также, например, гармонические или случайные колебания.

Подобное нагружение может привести к тому, что после определенного числа циклов нагружения происходит разрушение, хотя номинальные напряжения в детали не превышали статического предела упругости. Это явление, которое встречается как в кристаллических, так и в некристаллических материалах, часто называют усталостью, а вызванное им разрушение -усталостным.

Области частот колебаний циклических нагрузок

Рис. 7.31. Области частот колебаний циклических нагрузок:

  • 1 - резонансные колебания; 2 - звуковые колебания; 3 - колебания нагрузок, действующих на детали автомобилей из- за неровности дороги; 4 - колебания при движении корабля;
  • 5 - колебания при полете самолета; 6 - колебания нагрузок, возникающих при движении различных транспортных средств и в резервуарах; 7 - колебания ветровой нагрузки, действующей на строительные сооружения; 8 - температурные колебания; 9 - колебания снеговой нагрузки

Поскольку при этом протекают процессы, приводящие к необратимым изменениям в материале, лучше говорить о повреждении или разупрочнении, которые в конечном счете приводят к полному разрушению. Сопротивление материала или детали процессу накопления повреждений при циклическом нагружении определяется пределом выносливости. В случае циклического нагружения для установления (расчета) геометрических размеров детали нельзя использовать характеристики прочности, полученные при статических испытаниях, например, предел текучести или временное сопротивление. В этом случае необходимо проводить испытания на усталость, с помощью которых можно определить предел выносливости или число циклов до разрушения, по которому можно установить срок службы данной детали.

Уже в середине прошлого столетия была разработана методика испытаний на усталость, которая находит применение (испытания по Велеру) до настоящего времени. В последние десятилетия эта методика была дополнена новыми положениями, касающимися проведения испытаний и обработки их результатов. Параллельно с этим для описания различных видов циклического нагружения и их учета при определении размеров конструкций выделилась специальная область механики твердого тела, занимающаяся усталостной прочностью и эксплуатационной стойкостью.

Повреждение материала и критерии накопления повреждений

Повреждение материала и образование излома при усталости происходят в результате возникновения и постепенного распространения трещины. Для описания этого процесса оказалось целесообразным разделить его на три стадии:

I. Зарождение трещины.

II. Развитие трещины.

III. Разрушение остаточного поперечного сечения.

Зарождение трещин. Во время циклического нагружения крисунок- таллиты в поликрисунокталлах постоянно подвергаются действию переменных напряжений. Эти напряжения будут вызывать переменное движение дислокаций в тех крисунокталлитах, которые благоприятно ориентированы к направлению касательных напряжений. Уже после нескольких циклов нагружения движение дислокаций концентрируется на нескольких постепенно углубляющихся и расширяющихся усталостных полосах скольжения, что можно непосредственно наблюдать на поверхности.

В этих полосах скольжения протекание дислокационных реакций приводит к образованию дискообразных выдавливаний (экструзий) и углублений (интрузий), которые рассматривают как первую стадию формирования субмикроскопической трещины (рис. 7.32). Другая возможность трещинообразования, которая особенно проявляется при повышенных температурах, заключается в возникновении микротрещин по границам зерен и поверхностям раздела фаз.

Наряду с процессами, вызывающими образование трещин на поверхности, внутри материала также происходит движение дислокаций, которое в зависимости от его структурного состояния вызывает разупрочнение или упрочнение материала. В результате происходит изменение механических и физических свойств. В то время как все чистые металлы с гранецентрированной и объемно-центрированной кубической решеткой, а также малоуглеродистые стали при циклическом нагружении упрочняются, наклепанные металлы разупрочняются, причем интенсивность разупрочнения зависит от степени предварительного наклепа и интенсивности циклического нагружения. Для сталей при отношении отв ~ 0.6 можно ожидать упрочнения при циклическом нагружении, а при отв > 0,8 - разупрочнения.

Возникновение и распространение усталостной трещины на I и II стадиях

Рис. 7.32. Возникновение и распространение усталостной трещины на I и II стадиях:

1 - граница зерна; 2 - интрузия; 5 - экструзия

Разупрочнение деталей после длительного срока службы может сделать актуальными проблемы стабильности. Изменение физических свойств, например электропроводности, позволяет обнаруживать повреждение материала уже на начальной стадии циклического нагружения.

Развитие трещин. При увеличении продолжительности циклического нагружения интрузии сначала растут в направлении максимальных касательных напряжений, т. е. распространяются в виде микротрещин в отдельных крисунокталлах под углом 45° к направлению действия внешних нормальных напряжений а (I стадия роста трещины). Продолжительность этой стадии составляет обычно всего 1...5 % срока службы до разрушения. Вообще, при наличии концентраторов напряжений (надрезов, резких переходов поперечного сечения), а также трещин, образовавшихся по технологическим причинам или из-за неоднородностей структуры, I стадия может полностью отсутствовать. Поэтому заключительную II стадию роста трещины рассматривают как решающую в процессе повреждения, на которой происходит постепенное изменение направления распространения транс- крисунокталлитной усталостной трещины. Оно становится перпендикулярным к направлению действия максимальных нормальных напряжений.

В некоторых материалах, например в высокопрочных алюминиевых сплавах, стальных отливках и в чугуне с шаровидным графитом, наблюдается интеркрисунокталлитное распространение трещин. Чаще всего механизм распространения трещин на II стадии характеризуется постепенным дискретным ее продвижением при чередовании затупления и заострения вершины трещины (рис. 7.33).

При циклическом нагружении периодически создаются новые поверхностные трещины, что можно наблюдать на поверхности излома в виде усталостных полос или бороздок (рис. 7.34).

Постепенный рост трещины при циклическом нагружении

Рис. 7.33. Постепенный рост трещины при циклическом нагружении: а - в ненагруженном состоянии; б - увеличение растягивающих напряжений; в - максимальные растягивающие напряжения; г - увеличение сжимающих напряжений; д - максимальные сжимающие напряжения; е - увеличение растягивающих напряжений

Образование усталостных борозд на поверхности излома строительной стали на II стадии распространения трещины

Рис. 7.34. Образование усталостных борозд на поверхности излома строительной стали на II стадии распространения трещины

Эти бороздки образуются не только на металлах и полимерах, но также на дереве, бетоне, керамических и композиционных материалах. В пластической зоне, формирующейся около вершины трещины, после циклического нагружения остаются внутренние остаточные напряжения сжатия, которые ниже определенного предела нагружения могут привести к частичному сжатию поверхностей трещины, так что дальнейшее продвижение трещины без повышения нагрузки невозможно. Это явление объясняет образование нераспространяющихся трещин.

Для количественной оценки скорости распространения трещины на II стадии вначале определяли ее зависимость от длины трещины а, напряжения а и свойств материала М:

Позднее, однако, было показано, что удовлетворительное соответствие экспериментальным результатам достигается только в том случае, если, исходя из концепций линейной механики разрушения, взаимосвязь между da/dN и размахом коэффициента интенсивности напряжений в вершине трещины АК будет представлена в виде выражения

где сит- постоянные, зависящие от материала, соотношения между максимальным и минимальным напряжениями цикла и особенностей воздействия окружающей среды.

На рис. 7.35 графически представлена взаимосвязь между da/dN и АК. Влияние микроструктуры оказывается самым сильным в областях А и С, в то время как внешние условия нагружения прежде всего влияют в областях А и В.

Кривая роста усталостной трещины (схема)

Рис. 7.35. Кривая роста усталостной трещины (схема): А - рост трещины при АК > АКо; при АК < АКо трещина не распространяется; В - непрерывный рост трещины с образованием бороздок; С - приближение к статическому разрушению da / dN, мм/цикл В

Различный наклон прямых для разных материалов в области В, связанный с разными значениями показателя степени т, означает, что при более низком уровне напряжений скорость распространения трещины в одном материале больше, чем в другом, в то время как при более высоких напряжениях наблюдается обратное явление.

Область применения формулы (7.69) можно расширить с помощью уравнения

где R - отношение минимального и максимального коэффициентов интенсивности напряжений в вершине трещины, возникающих во время циклического нагружения, R = Ктт / Ктах. Интегрированием уравнения (7.69) или (7.70) можно определить число циклов до разрушения и рассчитать срок службы циклически нагружаемой детали.

При упругопластической циклической деформации, например, вызванной периодическими изменениями давления в резервуаре высокого давления, большая часть срока службы приходится также на II стадию роста трещины. В этом случае говорят о малоцикловой, или кратковременной, усталости, так как уже Ю^.ЛО4 циклов могут привести к разрушению. Рост трещины в этом случае описывается выражением

где NB - число циклов до разрушения; гр - амплитуда пластической деформации; с, п - константы (п чаще всего равно 0,5).

Для исследования малоцикловой усталости проводят циклические испытания с постоянной или переменной амплитудой деформации.

Усталостный излом. Постепенно растущая усталостная трещина после 50...60 % срока службы достигает такого размера, что становится видимой невооруженным глазом.

При длине или глубине трещины 0,5... 1,0 мм ее можно рассматривать уже не как микротрещину, а как трещину в инженерном понимании.

После того как усталостная трещина займет достаточно большую часть сечения образца или детали, в оставшейся части поперечного сечения действующие напряжения превысят статическую прочность материала. Это приведет к полному излому (долому) образца или детали при распространении нестабильной трещины (рис. 7.36). Таким образом, на поверхности изломов, образовавшихся при циклическом нагружении, различают две макроскопические зоны:

  • • зону постепенного распространения трещины усталости на II стадии с относительно ровной поверхностью;
  • • зону долома при последних циклах нагружения с шероховатой и испещренной трещинами поверхностью.
Усталостный излом

Рис. 7.36. Усталостный излом: а - схема макроскопического излома (1 - фокус излома; 2 - область постепенного распространения трещины с линиями усталости; 5 - зона дол ома); б - одноочаговый

усталостный излом

Форма усталостных трещин при различных видах нагружения

Таблица 7.1

Вид

нагружения

Номинальные напряжения

Высокие

Низкие

Гладкий

образец

Надрезанный

образец

Г ладкий образец

Надрезанный

образец

Растяжение

Односторонний

изгиб

Двусторонний

изгиб

Круговой

изгиб

Кручение

То же, что при высоких номинальных напряжениях

Рассмотрение поверхности усталостного излома даже невооруженным глазом или с помощью лупы (макрофрактография) позволяет полунить важную информацию о причинах излома, опираясь на которую, можно объяснить причины эксплуатационных разрушений.

Линии усталости, возникающие вследствие временной остановки трещины при прекращении нагружения, являются существенной отличительной особенностью усталостных изломов. Отношение размеров зоны постепенного роста трещины и зоны долома считается мерой величины циклических напряжений, приводящих к разрушению.

Характерная форма усталостных трещин при различных видах нагружения представлена в табл. 7.1. С развитием микрофрактографии, особенно после применения растровых электронных микроскопов, появилась возможность исследовать процесс развития усталостных трещин в микроскопических областях и определять скорость распространения трещины по расстоянию между бороздками.

Факторы, влияющие на долговечность. На процесс повреждения и тем самым на долговечность при циклическом нагружении влияют многие факторы.

Температура. Образование и распространение трещины в металлических и неметаллических материалах с повышением температуры облегчаются из-за большего относительного влияния термически активируемых процессов. При Т > 0,5Ts (Ts - температура плавления) следует учитывать явление ползучести материала; при этом становится заметным влияние частоты нагружения. При низких температурах сопротивление распространению трещины увеличивается.

При частых теплосменах из-за возникновения термических напряжений также может произойти усталостное разрушение. Чтобы экспериментально определить сопротивление термической усталости, цилиндрические образцы попеременно нагревают и охлаждают.

Частота циклов. Влияние частоты циклов нагружения на долговечность определяется зависимостью деформационных процессов от времени и влиянием окружающей среды.

В металлических материалах скорость роста трещины с увеличением частоты уменьшается. При очень высоких частотах нагружения (>10 кГц) наблюдается обратная зависимость, что, вероятно, связано с разогревом материала.

Состояние поверхности. Так как усталостные трещины почти всегда начинаются от мест концентрации напряжений на поверхности, ее состояние является особенно важным фактором.

Наряду с конструктивно обусловленными надрезами, связанными с изменением поперечного сечения деталей, сверлением и т. д., на срок службы циклически нагружаемых деталей отрицательно влияют концентраторы напряжений технологического происхождения (подрезы, коррозионные язвы, дефекты сварки, закатанные плены), а также чистота обработки поверхности (шероховатость).

На рис. 7.37 показано влияние различной обработки поверхностей на долговечность сталей в зависимости от прочности на растяжение.

Влияние обработки поверхности на долговечность сталей различной прочности

Рис. 7.37. Влияние обработки поверхности на долговечность сталей различной прочности: 1 - полировка; 2 - шлифовка; 5 - механическая обработка резцом; 4 - черновая обдирка; 5 - окисленная поверхность после прокатки; Rt- величина дефектов поверхности в вершине; 0f - фактор влияния

поверхности

В то же время с помощью некоторых процессов поверхностной обработки можно существенно повысить срок службы изделия. Особенно благоприятны поверхностная холодная пластическая деформация, накатка или дробеструйная обработка, а также поверхностная химико-термическая обработка - цементация или азотирование. Положительное влияние этих процессов связано с образованием на поверхности остаточных напряжений сжатия.

Окружающая среда. Находясь в контакте с поверхностью трещины, окружающая среда влияет на рост трещины вследствие физикохимических процессов, протекающих в ее вершине.

Скорость распространения трещины в металлических материалах в вакууме на 10...20 % меньше, чем на воздухе, из-за частичного сваривания неоки елейных поверхностей трещины. Под влиянием жидких поверхностно активных сред на поверхности трещины могут образоваться адсорбционные слои, которые чаще всего ускоряют ее рост. Особенно плохо влияют активные коррозионные среды; в этом случае говорят о коррозионном растрескивании под действием циклических напряжений или коррозионной усталости.

Экструзии или интрузии, появившиеся на поверхности, ведут себя как активные области, в которых происходит анодное растворение. В результате такого локального коррозионного воздействия возникает коррозионная каверна, которая при дальнейшем циклическом нагружении является концентратором напряжения. Мероприятия по пассивной коррозионной защите, например, нанесение гальванических защитных слоев, повышают сопротивление циклическому нагружению. При контактной усталости большое практическое значение имеет влияние применяемых видов смазки.

Структура. С повышением чистоты металлических материалов, особенно по содержанию вредных примесей (например, серы и газов), их долговечность повышается. Поэтому использование для изготовления деталей, работающих в условиях циклического нагружения, сталей вакуумной выплавки и разливки особенно целесообразно. Распространению трещины в многофазной структуре могут препятствовать мелкодисперсные выделения. Это, например, объясняет повышение долговечности стали после закалки и высокого отпуска. Изменение величины зерна, напротив, оказывает небольшое влияние. Увеличение долговечности полимеров связано со степенью их кристалличности.

Испытания на усталость

По различным возможным видам циклического нагружения испытания на усталость можно разделить на испытания при регулярном периодическом нагружении, при нескольких уровнях напряжения и при программированном нагружении.

Циклические испытания при регулярном нагружении. Испытания на усталость при регулярном нагружении, или испытания по Велеру, проводят при синусоидальном циклическом нагружении. Процесс нагружения характеризуют следующие показатели (рис. 7.38): среднее напряжение оср, амплитуда напряжения оа, максимальное напряжение отах, минимальное напряжение omin, размах напряжения 2оа.

Полный цикл изменения напряжения называют циклом нагружения L.

Под средним значением напряжения оср понимают постоянное напряжение, на которое накладываются переменные напряжения с амплитудой аа; omax является наибольшим, а атт - наименьшим значением напряжения в цикле приложения нагрузки независимо от знака. Справедливы следующие соотношения:

Изменение напряжений во времени при регулярном циклическом нагружении

Рис. 7.38. Изменение напряжений во времени при регулярном циклическом нагружении

В зависимости от условий проведения испытаний оговаривают либо среднее значение и амплитуду напряжения, либо максимальное и минимальное значения напряжения. Для того чтобы отличить выбранные характеристики нагружения от определенных в результате испытаний характеристик усталостной прочности, первые обозначают в индексах строчными буквами, а вторые - прописными. Способ нагружения обозначают также строчными буквами в индексе.

В зависимости от указанных характеристик усталостные испытания при регулярном нагружении можно проводить при трех режимах, охватывающих семь разновидностей циклов напряжений (рис. 7.39). Испытания можно проводить в условиях действия:

  • а) сжимающих напряжений (отах и omin отрицательны);
  • б) знакопеременного цикла напряжений (отах и атт имеют различные знаки);
  • в) растягивающих напряжений (отах и а1тп положительны).

Изменение коэффициента асимметрии цикла % = о!ШП / стах при указанных режимах нагружения представлено на рис. 7.40.

Характеристикой усталостной прочности материала является предел выносливости ов. Он представляет собой значение напряжения, которое образец выдерживает без разрушения или без недопустимой деформации в течение сколь угодно длительного нагружения или, по меньшей мере, в течение заранее установленного числа циклов - так называемой базы испытания. Предел выносливости можно выразить через амплитуду напряжения оав, а также через максимальное напряжение оов.

Если при испытании задано среднее напряжение и предел выносливости определяют по максимальному напряжению, то Виды регулярного циклического нагружения

Рис. 7.39. Виды регулярного циклического нагружения: 1 - область сжимающих напряжений; 2 - область перехода сжимающих напряжений в растягивающие; 5 - область растягивающих напряжений

Изменение коэффициента асимметрии цикла при различных режимах нагружения

Рис. 7.40. Изменение коэффициента асимметрии цикла при различных режимах нагружения: 1 - статическое сжатие; 2 - отнулевой цикл напряжений при сжатии; 3 - симметричный цикл напряжений; 4 - отнулевой цикл напряжений при растяжении; 5 - статическое растяжение

Если, наоборот, задано максимальное напряжение и предел выносливости определяют по среднему напряжению, то

Обычно используют два частных случая нагружения для расчета предела выносливости:

а) предел выносливости при симметричном цикле нагружения или оср = 0, или х = -1, который равен

б) предел выносливости при отнулевом цикле нагружения для оср = са либо х = 0 (растяжение), либо % = ±оо (сжатие), который равен

Для определения предела выносливости проводят серию испытаний при регулярном нагружении с различными нагрузками. При этом среднее напряжение цикла оср или минимальное напряжение цикла о1ШП поддерживают постоянным, в то время как амплитуду напряжения а или максимальное напряжение цикла отах последовательно понижают так, чтобы по результатам испытаний можно было установить предел выносливости.

Величины напряжений наносят на график зависимости их от числа циклов N, которые при данном напряжении образец выдержал до разрушения; при соединении отдельных точек получают кривую Велера (рис. 7.41). Как и следовало ожидать, эта кривая показывает изменение N при снижении амплитуды напряжений. Для металлических материалов, особенно конструкционных сталей, кривая Велера при N более определенного значения приближается к прямой, параллельной оси абсцисс. Особенно ясно виден этот переход при построении кривой Велера в двойной логарифмической системе координат (рис. 7.41, в). Этому граничному значению напряжения, при котором после бесконечно большого числа циклов нагружения не происходит разрушения, соответствует предел выносливости, выраженный через амплитуду напряжений.

Зависимость амплитуды напряжений и числа циклов до разрушения N (кривая Велера) в системах координат

Рис. 7.41. Зависимость амплитуды напряжений и числа циклов до разрушения N (кривая Велера) в системах координат: а - линейной; б - полулогарифмической; в - двойной логарифмической

Для определения предела выносливости испытания на усталость, по Велеру, нужно проводить вплоть до достижения предельного числа циклов нагружения базы испытания NG. Ниже представлены некоторые значения NG, полученные экспериментально:

Сталь...............................................................................................107

Медь и медные сплавы.................................................................5107

Легкие металлы.............................................................................108

Для полимеров или металлических материалов кривая коррозионной усталости Велера даже при очень большом числе циклов продолжает оставаться наклонной, что не дает возможности установить значение предела выносливости.

Если амплитуда напряжения са > ав, то после некоторого числа циклов нагружения, определяемого по кривой Велера, происходит усталостное разрушение. В этом случае говорят об ограниченном пределе выносливости o(7V)

В качестве примера можно привести такое написание ограниченного предела выносливости при знакопеременном растяжении: oz(10) = = 200...250 Н/мм , при этом напряжении разрушение наступает после 106 циклов.

В области ограниченной выносливости часто строят линии повреждаемости, по которым может быть зафиксировано начало заметного повреждения при образовании макроскопических трещин. Построение линий повреждаемости теряет свое значение с введением кривых роста усталостных трещин.

Для аналитического описания кривой Велера путем обработки многочисленных результатов испытаний выведены различные уравнения. Все они могут быть представлены в виде

где ав - статическая прочность на растяжение; gd - среднее значение предела выносливости; / (N) - функция двух параметров, полученных по кривой Велера.

Усталостные испытания дают значительный разброс результатов. При определении долговечности сталей число циклов до разрушения может различаться в 10 раз, а значения предела выносливости могут отклоняться на ±25 % от его средней величины.

Исходя из этого, при проведении испытаний на усталость и обработке их результатов целесообразно применять статистические методы. Тогда зависимость между амплитудой напряжений и числом циклов до разрушения, полученную по кривой Велера, можно дополнить значениями, характеризующими вероятность разрушения.

Для статистической обработки результатов испытаний необходимо испытать в области ограниченной выносливости на четырех уровнях напряжений по крайней мере по 10 образцов. При этом п экспериментально определенных величинах долговечности на каждом уровне напряжения располагают в вариационный ряд в порядке возрастания числа циклов до разрушения и снабжают порядковым номером т.

Вероятность разрушения Ра равна

Нанеся напряжение и число циклов на вероятностный график, можно выбирать их для любой вероятности разрушения и использовать для построения соответствующей кривой Велера.

Точное нахождение предела выносливости возможно с помощью метода ступенчатого изменения нагрузки. При этом испытания начинают с амплитуды напряжения, соответствующей ожидаемому значению предела выносливости, и затем, если образец в пределах базы испытания разрушается или проходит базу без разрушения, следующее испытание проводят при более низкой на одну ступень или при более высокой на такую же ступень амплитуде напряжений соответственно. По результатам испытаний определяют среднее значение предела выносливости:

где ох - наиболее низкое напряжение, при котором происходило менее часто встречающееся событие, причем под событием понимают разрушение или отсутствие разрушения; d— выбранный интервал между ступенями амплитуды напряжения;

f - частота события на ступени; / - номер ступени.

Знак «плюс» используют при проведении расчета по неразрушенным образцам, знак «минус» - при проведении расчета по разрушенным образцам. Стандартное отклонение среднего значения предела выносливости

где В = 'Ll1/.

Требуемое число образцов для определения предела выносливости по методу ступенчатого изменения нагрузки зависит от точности выбора предполагаемого значения предела выносливости и составляет 10...40.

Обобщенные диаграммы циклической прочности. По кривой Велера получают значения предела выносливости только для данного вида нагружения. Чтобы охарактеризовать поведение материала при всех видах нагружения, суммируют результаты, представленные в различных кривых Велера, в полную диаграмму усталости. Она имеет большое значение для определения конструктивных размеров циклически нагруженных деталей. В диаграмме Смита (рис. 7.42) по оси абсцисс отложено среднее напряжение, а на оси ординат в том же масштабе - максимальное или минимальное напряжение.

Диаграмму образуют две линии, которые ограничивают область предела выносливости материала для различных случаев нагружения.

Предел выносливости при симметричном знакопеременном цикле нагружения (оср = 0) определяется точками пересечения диаграммы с осью ординат, в то время как предел выносливости при нулевом цикле напряжений соответствует перпендикуляру, проведенному вверх из точки пересечения одной из линий диаграммы с осью абсцисс. С увеличением значения среднего напряжения обе линии сближаются, что свидетельствует об уменьшении амплитуды напряжения оа, соответствующей пределу выносливости.

В точке пересечения обеих кривых са = 0. Эта точка, разрушение в которой вызвано только средним напряжением, влияющим как статическое, соответствует временному сопротивлению при растяжении ов. Если пластическая деформация циклически нагруженной детали не допустима, полную диаграмму усталости нужно ограничить линией, параллельной оси абсцисс на высоте предела текучести от, и присоединить к ней граничную линию минимальных напряжений.

Диаграмма предельных напряжений цикла (диаграмма Смита) для положительного среднего напряжения

Рис. 7.42. Диаграмма предельных напряжений цикла (диаграмма Смита) для положительного среднего напряжения:

  • 1 - граничная линия максимального напряжения;
  • 2 - граничная линия минимального напряжения
Упрощенное построение неполных диаграмм усталости для вязких (а) и хрупких (б) материалов

Рис. 7.43. Упрощенное построение неполных диаграмм усталости для вязких (а) и хрупких (б) материалов

Полная диаграмма усталости Мура - Коммерса - Яспера

Рис. 7.44. Полная диаграмма усталости Мура - Коммерса - Яспера

Упрощенная полная диаграмма усталости для вязких материалов (стали) может быть построена по пределу выносливости при симметричном знакопеременном нагружении o_i и пределу текучести от; для хрупких материалов - по пределу выносливости o_i и временному сопротивлению ов (рис. 7.43). Для материала, имеющего равные показатели сопротивления усталости при нагружении в области растяжения и сжатия, полные диаграммы усталости симметричны. В других случаях, как, например, у чугуна с пластинчатым графитом, они не симметричны.

Диаграмма Смита находит применение прежде всего в машиностроении; для строительных сталей используют полную диаграмму усталости Мура - Коммерса - Яспера (рис. 7.44).

При ее построении на оси ординат откладывают величину максимального напряжения отах, а на оси абсцисс - отношение минимального и максимального напряжений % = тт / отах. В механике вводят некоторые новые характеристики поведения материалов при циклическом нагружении. Наряду с построением кривых роста трещины и определением скорости ее роста da / dN в качестве критерия повреждаемости и основы для расчетного определения размеров можно выбрать (из соотношения Ктт / Ктах) наименьшее значение коэффициента интенсивности циклических напряжений, необходимого для дальнейшего распространения трещины. Это значение коэффициента интенсивности циклических напряжений АКтах устанавливается как предел выносливости при наличии трещины.

В противоположность пределу выносливости gd предел выносливости при наличии трещины можно определить с достаточной точностью при испытании одного образца.

Испытания с концентраторами напряжений. На усталостную прочность деталей сильно влияют изменения формы, надрезы, сверления и другие концентраторы напряжений, вызывающие их неравномерное распределение.

Влияние местного повышения напряжения вблизи надреза выражают теоретическим коэффициентом концентрации напряжений (рис. 7.45):

На рис. 7.46 представлены числовые значения ак вала, к которому приложена изгибающая нагрузка. При этом, однако, обнаружено, что значения а^, определенного в соответствии с теорией упругости, еще недостаточно, чтобы установить предел выносливости надрезанного образца как максимальную прочность при циклическом нагружении для детали данной формы.

Концентрация напряжений надреза при растяжении (а) и изгибе (б)

Рис. 7.45. Концентрация напряжений надреза при растяжении (а) и изгибе (б)

Теоретический коэффициент концентрации напряжений а

Рис. 7.46. Теоретический коэффициент концентрации напряжений ак

для вала при изгибе

Кроме того, необходимо предусмотреть влияние свойств данного материала, для чего вводят экспериментально определяемый эффективный коэффициент концентрации напряжений, учитывающий влияние надреза на усталостную прочность образца:

где одно'/) - пределы выносливости гладкого и надрезанного образцов соответственно.

Расчетная предельная прочность детали при циклическом нагружении g„d может быть получена из отношения

Полностью учесть влияние формы можно только путем натурных испытаний целой детали на усталость.

Суммирование повреждений. При использовании двух уровней нагружения можно увеличить количество информации, получаемой с помощью кривых Велера (рис. 7.47). При этом строят кривые повреждаемости, которые позволяют проследить за ходом накопления повреждений при циклическом нагружении. С помощью циклического нагружения при низких амплитудах напряжений на первой ступени можно достичь сначала отрицательного повреждения и, следовательно, повысить долговечность при нагружении на второй ступени (рис. 7.47, б).

Построение кривой повреждаемости при испытании на двух уровнях нагружения

Рис. 7.47. Построение кривой повреждаемости при испытании на двух уровнях нагружения: а - схема испытания (1 - кривая Велера; 2 - разрушение при двухступенчатом нагружении); б - кривая повреждаемости для стали, содержащей 0,35 % С, при различной последовательности нагружения

Ход процесса повреждения при нескольких уровнях нагружения определяют с помощью математического закона накопления повреждений.

Согласно гипотезе линейного накопления повреждений Пальмгрена - Майнера принимают, что повреждение, вызываемое циклическим нагружением за п циклов, пропорционально отношению n/N (N - число циклов до разрушения по кривой Велера) и общее повреждение не зависит от последовательности частичных повреждений. По этой гипотезе усталостный излом наступает, когда повреждение S достигает величины

На рис. 7.47, 6 эта зависимость представлена в виде прямой, идущей под углом 45°.

Гипотеза накопления повреждений позволяет теоретически оценить срок службы детали на основе кривой Велера, если ввести определенные предположения о характере эксплуатационного нагружения.

Испытания при нескольких уровнях напряжений применяют также с целью сокращения продолжительности испытаний при установлении предела выносливости. Если предположить, что уравнение Майнера справедливо, то можно определить предел выносливости путем ступенчатого последовательного увеличения уровня амплитуды напряжения во время испытания (метод Локати).

Испытания при программированном нагружении. Испытания на одном или нескольких уровнях нагружения позволяют получать характеристики сопротивления разрушению только при синусоидальном циклическом нагружении. В то же время большинство деталей, особенно в самолето-, станко-, автомобилестроении и сельскохозяйственном машиностроении, во время эксплуатации подвергается воздействию напряжений, которые постоянно изменяются по величине и направлению. Для того чтобы получить характеристики сопротивления повреждаемости при этих эксплуатационных условиях нагружения, поддающихся только статистическому описанию, необходимо определить эксплуатационную усталостную долговечность. Это можно сделать путем испытаний при программированном блочном нагружении, которые применяют уже в течение 40 лет. При этом сначала необходимо определить величину, повторяемость, последовательность и частоту напряжений, которые воздействуют на деталь в течение всего срока службы.

Эта последовательность нагружения, называемая блоком нагружения, может быть установлена при использовании классификации, согласно которой напряжения делят на несколько групп (ступеней) и затем определяют частоту превышения напряжениями границ соответствующей группы (блока). Полученные данные (блок нагружения) используют для управления испытательной машиной. Различные варианты испытаний с программированным нагружением (рис. 7.48) в определенной мере характеризуют долговечность детали в условиях, близких к реальным.

Дальнейшей проблемой является учет изменяющихся средних напряжений, которые возникают, например, из-за неравномерного расположения грузов или при изменении массы самолета вследствие сгорания горючего во время полета. С введением сервогидравлики удалось также ввести испытания на усталость с нестационарным случайным нагружением.

Для проведения таких испытаний вначале в реальных условиях эксплуатационного нагружения проводят замеры изменения напряжений непосредственно в процессе работы деталей и записывают эти данные на перфоленту или магнитную ленту. Затем ленту вводят в электронную управляющую аппаратуру испытательной машины и с помощью регулирующей системы управляют ею.

Последовательность при испытании с программированным нагружением

Рис. 7.48. Последовательность при испытании с программированным нагружением: а - каждый блок нагружения начинается с самого низкого уровня напряжения; б - каждый блок нагружения начинается с самого высокого уровня напряжения; в - каждый блок нагружения начинается и кончается самым низким уровнем напряжения; г - каждый блок нагружения начинается и кончается самым высоким уровнем напряжения; д - каждый блок нагружения начинается и кончается средним уровнем напряжения

При таких испытаниях нагружение происходит в нерегулярной последовательности, в то время как при стохастически детерминированных программированных испытаниях нагружение, которое удовлетворяет нормальному распределению, осуществляют с помощью функционального генератора.

Машины для испытаний на усталость

Для исследования поведения материалов и деталей при циклическом нагружении находят применение различные виды испытательных машин. По виду нагружения их можно разделить на испытательные машины для циклического растяжения-сжатия, изгиба и кручения. Другим признаком классификации испытательных машин могут быть способы получения циклических нагрузок, амплитуда колебаний, частота колебаний и цель применения.

Для циклического растяжения-сжатия применяют или машины со специальным устройством для создания колебаний, или резонансные машины. Испытательные машины первой группы в принципе устроены как гидравлические машины для испытаний на статическое растяжение и сжатие, но дополнительно снабжены пульсатором, цилиндр которого соединен с рабочим цилиндром испытательной машины. При движении поршня пульсатора давление масла в рабочем цилиндре изменяется в определенном режиме. При этом способе нагружения вначале возможны перегрузки, поэтому для получения знакопеременных нагрузок машину снабжают своеобразным упругим элементом (сосудом высокого давления, наполненным маслом). Недостаток этого принципа циклического нагружения состоит в том, что из-за больших колеблющихся масс испытания на этих машинах можно проводить только при относительно низких частотах (не более 3 000 мин-1). Этот недостаток можно преодолеть только с помощью машин, которые работают в резонансной области или вблизи нее.

На рис. 7.49 представлена схема испытательной машины, работающей на принципе резонанса. При этом образец 1 приводят в колебательное движение с помощью движущегося эксцентрика 2, колебательного рычага 3 и вибрационной головки 4.

Кроме того, имеются высокочастотные пульсаторы с электромагнитным приводом, на котором с помощью электромагнитной системы можно достичь частоты нагружения до 300 Гц, а амплитуду нагрузки регулировать электронно-оптическим методом. Так как в резонансных испытательных машинах сами образцы ведут себя как пружина, их применение на стадии упругой деформации ограничено.

В последние годы в машиностроении для испытаний на усталость при частоте 0...200 Гц нашла широкое применение сервогидравлическая система, ранее использовавшаяся в самолето- и ракетостроении.

Схема резонансной испытательной машины

Рис. 7.49. Схема резонансной испытательной машины:

  • 1 - образец; 2 - эксцентрик; 5 - колебательный рычаг;
  • 4 - вибрационная головка

На рис. 7.50 представлена схема подобной системы. С помощью электрогидравлического сервоклапана 3 в двойной цилиндр 4 насосом высокого давления 9 подают масло, которое вызывает требуемое нагружение образца 5. Нагрузку измеряют силоизмерителем 6 и преобразуют в электрическое напряжение усилителем 7. Полученное фактическое значение напряжения в усилителе датчика 2 сравнивается с заданным параметром, поступающим от датчика 7, и разница между фактическим и заданным значениями в виде регулирующего отклонения поступает к сервоклапану. При этом все элементы 7...7 образуют замкнутую систему регулирования. Заданные параметры регулирования можно получить с помощью функционального генератора программирующих устройств или компьютера. При этом могут быть реализованы практически все необходимые виды нагружения. Возможно использование компьютера не только для постоянного контроля и корректировки нагружения, но и для точного учета и обработки результатов испытаний. При использовании сервогидравлических машин с высокой скоростью регулирования можно при квазистатических испытаниях в определенных пределах изменять жесткость машин.

Недостаток сервогидравлических машин состоит в значительном потреблении энергии, большей частью превращаемой в тепло и уносимой при охлаждении. В машинах для испытания на усталость при изгибе циклическое нагружение может осуществляться при вращении образца и без вращения.

Сервогидравлическая испытательная система (гидро- пульсационная система)

Рис. 7.50. Сервогидравлическая испытательная система (гидро- пульсационная система): 1 - задатчик параметра; 2 - усилитель датчика; 3 - сервоклапан; 4 - цилиндр; 5 - образец; 6 - силоиз- меритель; 7 - усилитель силоизмерителя; 8 - осциллограф;

9 - насос высокого давления

Машина для усталостных испытаний на изгиб с вращением

Рис. 7.51. Машина для усталостных испытаний на изгиб с вращением

В машинах для испытаний на изгиб с вращением (рис. 7.51) вращающийся образец нагружается изгибающим моментом.

При испытании плоских и круглых образцов на знакопеременный или консольный изгиб образец с помощью двойного эксцентрика изгибают попеременно в обе стороны на определенный угол. Недостатком этого вида испытаний по сравнению с нагружением типа растяжение-сжатие является неоднородное распределение напряжений в поперечном сечении образцов. С помощью машин для испытаний на циклическое кручение получают знакопеременный крутящий момент, вызывающий в образце напряжения сдвига. Эти испытания находят применение, например, для определения конфигурации и эксплуатационной прочности коленчатых валов.

Для испытания деталей часто целесообразно собирать испытательное устройство по агрегатному принципу и приспосабливать его для решения той или иной задачи испытания.

При этом в качестве элементов испытательного устройства используют нагружающие приспособления, называемые испытательными цилиндрами, оборудование для создания и измерения нагрузки, а также элементы связи. Испытательный цилиндр состоит из цилиндра с притертым поршнем, который создаст циклическое нагружение по гидравлическому или сервогидравлическому принципу.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>