Материал: 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,