Материал: Многоцикловая усталость при переменных амплитудах нагружения

Рис. 57. Долговечность образцов под действием двух историй нагруже­ ния, отличающихся порядком приложения пиковых полуциклов на­

грузки:

А _сначала положительный полуцикл, затем отрицательный солуцнкл перегруэни; В — обратная последовательность; I.— нагрузка А; г — нагрузка В; зачер­ ненные значки — образцы с концентратором; светлые — гладкие образцы.

ний на долговечность при действии одинаковых номинальных нагрузок показано на рис. 57. В экспериментах после пере­ грузочного цикла с амплитудой вызывающего пластиче­ ские деформации в зоне концентрации, следовала циклы

с меныпими амплитудами а2. Истории нагружения А и В

отличались последовательностью приложения положи­ тельного и отрицательного полуциклов, как показано на ри­ сунке.

При амплитудах а2, соответствующих диапазону нагру­ зок, вызывающих большие пластические деформации, раз­ личие в долговечностях не наблюдалось. При уменьшении а2 разница в долговечностях становится существенной, что объясняется влиянием локальных средних напряжений, инициированных перегрузочным циклом. История изменения локальных напряжений и деформаций показана па рис. 57. Определяющее влияние локальных напряжений для со­ противления усталости образцов с концентратором в данном случае было доказано при испытании гладких образцов при напряжениях, реализующихся в зоне концентратора, при этом долговечности гладких образцов и образцов с концен­ тратором совпали для историй А и В (см. рис. 57).

В работе [228J исследовано влияние исключения из про­ граммы испытания как малых амплитуд спектра, так и пе­ регрузочных ступеней при испытаниях болтового соединения пластин из алюминиевого сплава. Спектр представляет собой распределение нагрузок на крыло сверхзвукового тран­ спортного самолета под действием порывов ветра. Эксплуа­ тационная нагрузка воспроизводилась в виде рандомизиро­ ванной последовательности полуциклов, в которую случай­ ным образом включались циклы земля — воздух — земля со следующими параметрами цикла: амплитуда 0,53ат , сред­ нее значение — 0,47ат (от — среднее напряжение циклов

нагрузки от порывов ветра, обусловленное весом самолета). На рис. 58 приведены данные испытаний по различного рода программам — пять вариантов исключения нижних ампли­ туд спектра (по оси ординат отложены минимальные ампли­ туды спектра аа/от) и два варианта отбрасывания максималь­

что подтверждено статистическим анализом. Причем этот вывод справедлив и для уровней равных 0,384 и 0,288, лежащих выше и около предела выносливости болтового со­ единения при регулярном нагружении. Не исключено, что эффект повышения долговечности при исключении малых нагрузок не выявлен из-за большого разброса долговечностей и малого объема выборки. Влияние же максимально воспро­ изводимых амплитуд спектра оказалось ярко выраженным. Оказалось, что циклы с амплитудами, большими <тJ a m =

Рис. 58. Влияние минимальных уровней нагрузок в спектре на долго­ вечность: треугольники — результаты испытаний с полным спектром в области больших нагрузок a j а т = 1,54 (штрнхпунктирная линия —

средние значения логарифмов долговечностей): квадраты — результаты испытаний под действием спектра с отброшенными ступенями высоких амплитуд до уровня о а/о т = 0,96 (сплошная линия — средние значе­

ния логарифмов долговечности).

= 0,96, приводят к существенному увеличению долговечно­ сти и упрочняют материал. Аналогичные данные приведе­ ны в работе [256] для образцов из сплава 2024-ТЗ в виде по­ лосы с отверстием при нагружении полетным спектром нагрузок, причем включение в режим нерегулярного нагру­ жения ступеней с большими нагрузками приводит к увели­ чению долговечности до момента зарождения трещины и к замедлению ее роста на последующей стадии (рис. 59) (в дан­ ном исследовании циклы с большими амплитудами не исклю­ чались, а заменялись циклами с амплитудой среза <та,тах* равными 44; 66; 88 МПа).

В работах [38, 39] также приведены экспериментальные данные, свидетельствующие о положительном воздействии периодических перегрузочных циклов на долговечность алю­ миниевого сплава Д16АТ при асимметричном нагружении, что объясняется наличием остаточных напряжений в воне концентрации, вызванных пиками номинальных нагруэок.

По приведенным выше данным о влиянии перегрузок мож­ но сделать вывод, что в большинстве случаев периодически

прикладываемые перегрузки эксплуатационного спектра на­ грузок отрицательно сказываются на сопротивлении уста­ лости материала конструкции, причем снижение характери­ стик сопротивления усталости наблюдается в основном в области, примыкающей к исходному пределу выносливости, и выражается в его уменьшении. При асимметричном нагружении с пиковыми перегрузками растяжения указанный эф­ фект может компенсироваться за счет создания зон сжима­ ющих остаточных напряжений, наличие которых приводит к увеличению долговечности.

Количественная оценка снижения предела выносливости в результате действующих перегрузок важна для оценки нижних повреждающих нагрузок спектра amin. Величина Отт обычно является параметром, используемым в расчетах долговечности по некоторым гипотезам суммирования по­ вреждений, причем результат расчета может существенно зависеть от <тгащ. Кроме того, при воспроизведении реальных нагрузок в лабораторных испытаниях одной из самых важных проблем является сокращение времени испытаний (из-за экономических соображений) за счет отбрасывания циклов нагрузки с амплитудами, меньшими armjn . Для определения oVnin зачастую применяют блочные двухступенчатые ИСПЫТа-

0.1 1 10 Юг 10s Юч Ю5 J06 til,полетные циклы

Распространение трещины

I , ММ

Рис. 59. Влияние уровня усечения распределения амплитуд на время зарождения и скорость роста трещин я алюлшниевом сплаве 2024-ТЗ (Z — дли па трещины).

кия [25, 27 и др.]. Методика таких испытаний следующая. Напряжения на ступени CTJ выбираются равными максималь­ ным перегрузкам эксплуатационного спектра. Соотношения длительностей ступеней выбирается так, чтобы доля расчет­ ного повреждения, вносимого ступенями с большей ампли­

ется путем экстраполяции кривой усталости до уровня а.г для оценки N 2. Таким образом, например, определялась

нижняя граница повреждающих напряжений спектра в ра­ боте [25] для полуосей грузового автомобиля из стали 45.

по данным работы 125], необходимо с целью сокращения вре­ мени ресурсных испытаний, поскольку 100 000 км пробега соответствуют наработке 10е циклов, или 1100 ч работы ус­ тановки на частоте 25 Гц, а при эксплуатационном спектре амплитуд нагрузок пропорциональное время работы на ма­ лых амплитудах спектра очень велико.

Обозначим через К долю предела выносливости, соответ­

ствующую нижней границе повреждающих напряжений спект­ ра: К = am)n/a_i. Значение К может определяться не толь­

ко по результатам двухступенчатых блочных испытаний, но и по результатам многоступенчатых испытаний. Для это­ го рассчитываем долговечность по линейной гипотезе для различных значепий К и определяем значение К из условия

паилучшего соответствия расчета и эксперимента [46]. По данным разных авторов, значение К колеблется в диапазо­

не 0,5—0,7 [25, 40, 41, 46, 81, 149]. В некоторых отраслях машиностроения, например авиастроении, воспроизводят при испытаниях нагрузки, составляющие 0,3 <тд.

Указанные выше рекомендации по выбору коэффициента К относились к испытаниям и расчетам на усталость на ста­

дии зарождения трещины. При исследовании устадии распро­ странения трещины значение К должно быть выбрано с уче­

том напряжений, вызывающих рост трещин. Кроме того, влияние циклов с малыми амплитудами при длительном их воздействии может проявляться в эффекте фреттинг-корро- зии. Например, в работе [258] показаны полный спектр на­ грузок, соответствующий 5 104 полетов, его ступенчатая аппроксимация и две ступени, которыо отбрасывали при ис­ пытаниях по укороченным программам. Испытывались про­ ушины из алюминиевого сплава при нагружении полным спектром, спектром без ступени 1 и спектром без ступеней 1 и 2. Соответствующие долговечности, выраженные в числе долетов, составили 1,9 104; 2,4 • 104 и 3,4 • 1Q4. Таким