Материал: Многоцикловая усталость при переменных амплитудах нагружения

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