Исследования усталостной

Трудности в установлении однозначной связи между шероховатостью поверхности и фрактальной размерностью структуры излома вполне очевидны. Уже отмечалось, что в реальных физических процессах самоподобие фракталов обеспечивается на ограниченных масштабах. Причиной этому является зависимость рельефа поверхности от локальных процессов разрушения, формирующих излом. Здесь мы опять приходим к проблеме о связи процессов на различных масштабных уровнях. Накопленный массив экспериментальных данных, полученных при электронномикроскопических исследованиях поверхности изломов показывают, что установление этой связи требует учета многих внешних факторов, влияющих на механизм локального разрушения. Фракто-графические исследования позволяют заключить, что на микроуровне и мезо-уровне сохраняются те же характерные признаки вязкого и хрупкого разрушения, как и на макроуровне. В этой связи следует отметить, что большую информацию несут фрактографические исследования усталостных разрушений при низких скоростях роста трещины. В этом случае легко выявляется кооперативное взаимодействие хрупких и вязких механизмов разрушения. На рисунке 4.43 показаны фрактограммы, полученные при большом увеличении с локальных зон усталостных изломов.

Прошло уже более 40 лет с того момента, когда была опубликована первая работа Форсайта и Ри-дера [5] по исследованию закономерности формирования усталостных бороздок на поверхности излома при регулярном блочном нагружении элемента авиационной конструкции. Последовавшие работы в области исследования усталостных разрушений привели к осознанию возможности использования шага усталостных бороздок в качестве характеристики подрастания трещины за

Ниже в качестве примера приведены некоторые результаты, полученные при использовании предложенных методик исследования усталостных разрушений. На рис, 9,24, а показаны кривые изменения амплитуды прошедшего сигнала поверхностной волны в зависимости от числа циклов нагруженич гладкого образна, В начале наблюдается некоторое улучшение прохождения ультразвука, связанное, по-видимому, с упрочнением материала. Далее прохождение ухудшается. Здесь четко проявляется эффект «возврата»: прошедший сигнал восстанавливается после прекращения испытаний и выдержки в течение нескольких десятко? минут или часов. Этот эффект может быть объяснен закреплением дислокаций.

С целью исследования усталостных явлений в материале проводились лабораторные испытания конструктивного элемента — тормозной тяги.

Великая Октябрьская социалистическая революция и последовавшие за ней восстановление и подъем промышленного производства выдвинули на первый план задачи всемерного расширения и совершенствования научно-технических исследований, в том числе и в области прочности материалов. В лабораториях Центрального аэрогидродинамического института, основанного в Москве в 1918 г., было положено начало изучению свойств материалов при действии больших нагрузок. В том же году в лабораториях Научно-технического комитета НКПС (затем реорганизованных в Экспериментальный институт путей сообщения) началось проведение исследований по динамике и прочности конструкций искусственных сооружений и подвижного состава железных дорог. Годом позднее во вновь организованном Институте технической механики Украинской академии наук и в Киевском политехническом институте были предприняты исследования усталостных явлений и динамической прочности металлоконструкций. Наконец, с 20-х годов в Ленинграде—в Институте металлов и Физико-техническом институте велась разработка усовершенствованных методов испытаний материалов и прочностных нормативов, осуществлялись исследования явлений хрупкого разрушения материалов, остаточных деформаций и другие работы, имевшие существенное значение для формирования рациональных основ прочностных расчетов. Исследования этих институтов способствовали освоению производства и применению качественных материалов в зарождающихся новых отраслях молодого советского машиностроения, обоснованию стандартов на них, а также успешному завершению восстановительных работ в промышленности и на транспорте.

Для воспроизведения бигармонических нагрузок обычно разрабатываются специальные машины, однако иногда используются и стандартные установки после соответствующей модернизации, сводящейся в основном к добавлению второго возбудителя. Бигармонические машины значительно различаются по кинематическим и динамическим схемам. Впервые машина для исследования усталостных характеристик материалов при бигармонйческом нагружении была разработана и построена в СССР [3, 19]. Ее схема, подробно описанная в параграфе 2 настоящей

Таким образом, с применением инерционного силовозбудите-ля для испытаний при растяжении—сжатии возникают специфические затруднения, в связи с чем основные исследования усталостных характеристик материалов в условиях однородного напряженного состояния проводятся на гидравлических машинах [8, 18, 20]. Машина, описанная в работе [20], позволяет суммировать нагрузки с соотношением частот to2: wt = 2 : 1 при различном сдвиге фаз между ними и частоте высшей гармонической 2000 циклов в минуту. Соотношение частот суммируемых синусоидальных нагрузок в пульсаторе, изготовленном в Польше [18], составляет 4:3 при высшей частоте нагружения 1867 циклов в минуту.

Большие трудности связаны с получением статистических данных о несущей способности элементов конструкций. Для этого используются в основном два способа. По одному из них экспериментально определяются функции распределения характеристик усталости (или других необходимых механических свойств) для материала путем массовых испытаний лабораторных образцов. Пользуясь условиями подобия, по ним определяется циклическая несущая способность деталей. Систематические исследования усталостных свойств легких авиационных сплавов в статистическом аспекте были проведены, например, кафедрой сопротивления материалов МАТИ [7; 10; И; 14] и другими организациями [5]. Это позволило показать применимость усеченного нормально логарифмического распределения для величин долговечностей и ограниченных пределов усталости, установить зависимость дисперсий чисел циклов от уровня напряжений, построить семейства кривых усталости по параметру вероятности разрушения. На основе гипотезы прочности слабого звена были разработаны критерии подобия при усталостных разрушениях в зависимости от напрягаемых объемов с учетом неоднородности распределения

Многолетние исследования усталостных повреждений позволили сделать вывод, что усталость охватывает две значительно отличающиеся друг от друга области циклического нагружения и деформирования, в каждой из которых разрушение является, по-видимому, следствием действия различных физических механизмов. Одна из этих областей — циклическое нагружение, при котором во время каждого цикла возникают значительные пластические деформации. Эта область характеризуется большими по величине нагрузками и малыми долговечностями, т. е. небольшим числом циклов до усталостного разрушения. Обычно эта область называется малоцикловой усталостью.

2,03 мм и очень небольшой их эффект при электролитической полировке. Дальнейшие исследования усталостных характеристик с малыми образцами будут, по-видимому, заслуживать некоторого внимания, даже "если бы нашей целью являлось только усовершенствование наших знаний о методике эксперимента.

Данный метод применим лишь к зонам кругового сечения, т. е. к буртикам валов, к зонам прессовой посадки железнодорожных осей и т. д. Обширные исследования усталостных свойств больших обкатанных деталей проводились Хорджером и его коллегами в течение многих лет. Они пришли к заключению, что увеличение усталостной прочности в основном происходит при повышении сжимающих напряжений и увеличении твердости поверхностного слоя. Полезное воздействие средних сжимающих напряжений находится в соответствии с тенденциями, отраженными в усталостных диаграммах для гладких деталей; в которых при данном сроке службы среднее сжимающее напряжение допускает большие знакопеременные напряжения. Поверхностные напряжения могут достигать значений 56,2—70,3 кГ/мм2, при этом наибольшему давлению ролика соответствуют наибольшие напряжения и твердость [996], а следовательно, и максимальное увеличение усталостной прочности. Хорджер [131] доказал, что в одном случае механическое упрочнение поверхности увеличило твердость по Виккерсу от 180 до 240.

материалов проводится, главным образом, экспериментально на специальных образцах. Существует большое число методов и конструкций машин для исследования усталостной прочности. Принципиальная схема машины для испытания образца знакопеременным изгибом при, характеристике цикла Ra =—1, изображена на рис. 2.53. Образец /, изготовленный из испытуемого материала, укрепляется в зажимах 2 машины и нагружается внешней нагрузкой 3 таким образом, что его средняя (рабочая) часть испытывает чистый изгиб. При испытании образец приводится во вращение от электродвигателя 4 посредством гибкого вала. Плоскость расположения изгибающих пар при этом не меняет своего положения относительно основания машины. Поэтому каждому обороту образца соответствует один цикл изменения напряжений.

Б.Б.Чечулиным совместно с Р.Д.Вагановым, И.В.Козловым и Ю. А. Шаманиным были проведены специальные исследования усталостной прочности сплава ВТ6 (ав = 820 МПа, 6=10,6 %, ф= 26,4 %) при изгибе, кручении и совместном циклическом нагружении изгибом и кручением. При этом • использовали круглые гладкие образцы диаметром 30 мм (табл. 33).

Нестационарность нагружения. При эксплуатации конструкций отдельные детали часто подвергаются нестационарным циклическим нагрузкам. Фактических данных по влиянию нестационарности циклического нагружения на усталостные свойства титановых сплавов мало. Автор работы [166] определял влияние циклических перегрузок на усталостную прочность сплава титана ПТ-ЗВ и стали марок 15 и Ст4. Он пришел к выводу, что у материалов, которые имели близкий предел выносливости, одинаковые кратковременные циклические перегрузки могут приводить и к упрочнению, и к разупрочнению, однако закономерности при этом не установлено. Сплав ПТ-ЗВ показал наименьшую чувствительность к перегрузкам. И.В.Козлов, Н.И.Вассерман и др. [ 167] провели исследования усталостной прочности образцов диаметром 10 мм сплава ВТ6 (0В = 880 МПа, 6 = 16%, ф= 49 %) при нестационарном нагруже-нии круговым изгибом. Испытание большого количества образцов каждой партии позволяло с достаточной достоверностью проводить статистический анализ результатов и получать вероятностную картину предела выносливости при заданном числе циклов. Это дало возможность . исключить влияние на получаемые усталостные характеристики естественного разброса при испытаниях. Прежде всего было определено действие предварительного нагружения циклическими напряжениями ниже стационарного предела выносливости на вторичный предел выносливости (рис. 108). Из рис. 108 видно, что предварительное нагружение сплава ВТ6 приводит к заметному повышению вторичного предела выносливости, несколько большего в области малой вероятности разрушения.

>В ИПП АН УССР создана электромагнитная установка [3] для исследования усталостной прочности металлов при весьма низких температурах (до 10 К). Механическая часть установки помещена в криостат, представляющий собой сосуд Дьюара для жидкого гелия (температура кипения 4 К), который, кроме вакуумной изоляции, между наружной обо-

Для исследования усталостной долговечности машин, узлов и деталей, подвергающихся воздействию знакопеременных нагрузок, которые, как правило, носят случайный характер, проводят испыта-

Разработана [154] электродинамическая установка для испытания на усталость лопаток турбин и компрессоров в условиях высоких температур. Частота нагружения от 200 до 3000 Гц, температура испытания до 1200°С. Испытания на усталость замковых соединений лопаток турбин и компрессоров проводят при совместном действии статического растяжения и переменного изгиба на машине резонансного типа [50]. Установка УЛ-il предназначена для исследования усталостной прочности лопаток и образцов в резонансном режиме [3]. Разновидностью электромагнитной установки для испытания лопаток является выпускаемая в ЧССР машина «Турбо». Лопатки турбома-шин испытывают на резонансных частотах 147. Возбуждение колебаний лопаток может осуществляться пульсирующей воздушной струей [50]. Создана многообразцовая электромагнитная машина148 для испытания на усталость лопаток при одновременном статическом растяжении в условиях высоких температур и специальных сред, а также установка 14Э для испытания на усталость диска турбины с укрепленными на нем лопатками с электродинамическим возбудителем колебаний. Имеются установки150 для испытания лопаток и образцов при растяжении и изгибных колебаниях, а также на термическую усталость151.

Ркс. 141. Эскиз образца, принятого в ЦНИИ МПС для исследования, усталостной прочности осей и валов в местах прессовых посадок

6. Трощенко В. Т., Шестопал Л. Ф. Методика исследования усталостной прочности и неупругости металлов в условиях комнатной и высоких температур1 при кручении.— Киев, 1973.— 10 с.— (Информ. письмо, АН УССР, Ин-т проблем прочности; № ,40).

-f- 10 ! мм/цикл и анализа результатов исследования усталостной долговечности низкоуглеродистой стали (0,15 % С) были получены следующие важнейшие результаты:

Для получения доверительной информации о достигнутой в том или ином случае величине усталостного повреждения необходимы обширные исследования усталостной прочности, причем в зависи-

8. Г о х б е р г М. М. Исследования усталостной прочности некоторых сварных соединений крановых решетчатых конструкций. Труды ЛПИ, № 199. М.—Л., Машгиз, 1958.