Многоцикловую усталость

дует, что в условиях многоциклового нагружения коррозионная среда не влияет на процессы накопления повреждений. Дело в том, что поликристаллическим металлам характерны различная ориентировка, анизотропия физико-механических свойств, дефекты строения кристаллической решетки отдельных зерен (кристаллитов), а также наличие различных дефектов и примесей между ними. В таком случае в напряженном металле даже при напряжениях, намного меньших макроскопического предела текучести ат, возникают локальные участки всестороннего растяжения или сжатия и очаги микроскопических деформаций, ускоряющих коррозионное растворение. Поэтому есть основания полагать, что при высоко-частотном (многоцикловом) нагружении МХЭ может проявляться еще в большей степени, чем при малоцикловом.

го не следует, что в условиях многоциклового нагружения коррозионная среда не влияет на процессы накопления повреждений. Дело в том, что поликристаллическим металлам характерны различная ориентировка, анизотропия физико-механических свойств, дефекты строения кристаллической решетки отдельных зерен (кристаллитов), а также наличие различных дефектов и примесей между ними. В таком случае в напряженном металле даже при напряжениях, намного меньших макроскопического предела текучести етт, возникают локальные участки всестороннего растяжения или сжатия и очаги микропластических деформаций, ускоряющих коррозионное растворение. Поэтому есть основания полагать, что при высокочастотном (многоцикловом) нагружении МХЭ может проявляться еще в большей степени, чем при малоцикловом.

Глава VI. Усталостная прочность при многоцикловом нагружении..... 137

Глава VI. УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТЬ ПРИ МНОГОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ

Для определения работоспособности титановых сплавов при многоцикловом нагружении необходимо знать их усталостную прочность. При этом следует иметь в виду, что в литературе по усталостным свойствм титановых сплавов имеется много противоречивых сведений. Это, по-видимому, является результатом не только недостаточной изученности этих свойств, но и их своеобразием. Так, уже сейчас ясно, что точные данные по усталостному поведению титановых сплавов во многих случаях можно выяснить лишь на основании статистической обработки первичных данных, так как при усталостных испытаниях наблюдается повышенный разброс данных. Очень важен статистический подход при определении надежной работы крупных деталей машин при многоцикловом нагружении. Уникальное явление усталости титана —его чувствительность к состоянию поверхности. В частности, в последнее время выяснили, что при числе циклов до ~107 трещины зарождаются в самом поверхностном слое, состояние которого полностью определяет уровень предела выносливости. При числе нагружении более 10s разрушение носит подповерхностный (подкорковый) характер, хотя типичное усталостное разрушение наблюдается при числе циклов нагружения по крайней мере до 1010 [91]. Пренебрежение к финишным поверхностным обработкам титановых деталей, работающих на усталость, явилось причиной снижения их долговечности на начальном этапе внедрения титана в технике.

Для более детальной оценки трещиностои кости при многоцикловом нагружении различных сплавов в последние годы используют основные положения линейной механики разрушения [ 109, с. 5—37]. За основной параметр, определяющий поле упругих напряжений в окрестностях усталостной трещины, принимают коэффициент интенсивности напряжений, которым измеряют вязкость разрушения при статическом нагружении. Но в условиях циклического нагружения это—амплитуда коэффициента интенсивности напряжений А/С. Именно этот параметр контролирует скорость роста усталостной трещины. Для анализа трещиностойкости строят кривые зависимости скорости распространения трещины йот приложенного значения А/С (кривые Пэриса). Эти кривые в координатах 1дД/С— \gv имеют три явно выраженных участка. В области малых значений А/С скорость роста трещины резко снижается с уменьшением А/С так, что можно выявить физический порог коэффициента интенсивности, обозначаемый А/СГЛ или просто Kth, ниже которого магистральная .трещина в образце данной геометрии не распространяется. Величина Kth является важным параметром трещиностойкости при многоцикловой усталости. В области средних значений А/С кривая в координатах IgA/C— \gv имеет прямолинейный участок, закон роста трещины подчиняется формуле Пэриса: v = C(AK)n, где Си п — постоянные. В области больших значений А/С наблюдается резкое ускорение роста трещины так, что можно объективно определить критическое значение А/С^С, при достижении которого наступает катастрофическое разрушение образца данной геометрии. Величина A/Cfc называется циклической вязкостью разрушения. Если трещина усталости распространяется в условиях плоской деформации, то Kfc = Kc [ 109, с. 5-19; 110]. Величина Д/С^С является тоже важным параметром трещиностойкости металлов. Установлена корреляция между пороговыми значениями пэрисовской кривой и микрофрактографическими особенностями поверхностей усталостных

и многоцикловом нагружении с перегрузками

В Институте машиноведения выполнена серия испытаний [95, 96], обосновывающая деформационную трактовку накопления усталостных повреждений при нерегулярном малоцикловом и многоцикловом нагружении с перегрузками.

96. Когаев В. П., Гусенков А. Я., Бутырев Ю. И. Деформационная трактовка накопления усталостных повреждений при нерегулярном малоцикловом и многоцикловом нагружении с перегрузками.— Машиноведение, 1978, № 5.

§ 1.4. Деформационная трактовка накопления усталостных повреждений при нерегулярном малоцикловом и многоцикловом нагружении с перегрузками....... 57

Деформирование образцов осуществляется по схеме, приближенной к чистому изгибу, с частотами нагружения 3 или 3000 циклов в минуту при максимальной амплитуде деформации, обеспечиваемой при малоцикловом нагружении перемещением подвижного захвата на 15 мм от его нейтрального положения и при многоцикловом нагружении — на 6 мм. При этом могут быть исследованы микроструктурные особенности поведения металлических материалов в условиях испытания на малоцикловую усталость,, а также при изучении усталостной прочности на базе 10е циклов и более.

Влияние ППД на многоцикловую усталость существенно отличается от влияния ППД на циклическую прочность и долговечность при малоцикловой усталости. Если при многоцикловой усталости положительное

На малоцикловую усталость испытывают материалы, используемые для конструкций, претерпевающих малое число нагружений при эксплуатации, а также для конструкций, работающих на многоцикловую усталость, но испытывающих в процессе эксплуатации сравнительно редкие, но в то же время относительно большие перегрузки.

1. Степнов М. П., Евстратова С. П. Формирование испытаний на многоцикловую усталость конструкционных алюминиевых сплавов.— Завод, лаб., 1979, 45, № 7, с. 649—653.

Было проведено исследование влияния накопленной пластической деформации при пульсирующем цикле нагружения на многоцикловую усталость низкоуглеродистых сталей. На рис. 4 приведена предельная кривая образцов с надрезом, изготовленных из стали 11375.1 при пульсирующем цикле нагружения в области малоцикловой усталости. Четыре серии образцов с надрезом подвергали пульсирующему нагружению при сттах = 422 МП а одним, 10, 300 и 1500 циклами нагружения. На рис. 4 эти циклы нагруже-

'Приведен обзор имеющихся литературных данных о влиянии предварительной односторонней и повторной перегрузок на последующую многоцикловую усталость механических металлов. Представлены результаты экспериментального исследования о влиянии односторонней и повторной перегрузок в области нижнего предела текучести и упрочнения низкоуглеродистой стали ЧСН 11375.1 на ее многоцикловые усталостные характеристики. Полученные данные дополнены замечаниями о влиянии перегрузки на развитие дислокационной субструктуры при последующем многоцикловом нагружении.

При решении первой задачи исследуют влияние температуры, скорости деформирования и жесткости нагружающих систем при кратковременном и длительном статическом нагружениях гладких лабораторных образцов, уточняют характеристики сопротивления разрушению при ударном нагружешш лабораторных образцов типа Шарли и Менаже, регламентируют основные метрологические параметры усталостных испытаний (мало- и многоцикловую усталость). При этом большое внимание уделяют двум стадиям разрушения — образованию макротрещин и окончательного излома, а также статистической природе характеристик механических свойств. Выполняемые исследования и методические разработки являются основанием для усовершенствования действующих и разработки новых государственных стандартов на механические испытания. При решении второй задачи получены значительные результаты в области исследования механических за-

Известно, что характер изменения напряжений во времени в течение одного цикла, т.е. форма цикла обусловливает и скорость деформирования, и время пребывания материала под действием определенных фаз напряжений. В соответствии с многочисленными литературными данными форма цикла несущественно влияет на многоцикловую усталость конструкционных материалов и часто предопределяет долговечность металлов и сплавов при их малоцикловой усталости [72, с. 15—21; 90], что, по всей вероятности, связано с очень большим различием в скорости деформирования в обоих случаях и времени пребывания образцов под действием максимальной растягивающей нагрузки.

Пружины-модели испытывались на многоцикловую усталость при периодическом нагружении. Цикл напряжений - асимметричный с коэффициентом асимметрии Р?. =0,2, соответствующий первой ступени блока нагружения плунжерных пружин. Испытания производили на многопозиционной установке при осевом сжатии.

С целью проверки того, какая из выдвинутых гипотез подтверждается, проводились испытания на многоцикловую усталость (база испытаний 10 циклов) образцов диаметром 2 мм из стали 50ХФА„ прошедших предварительно термическую обработку, аналогичную той, которой подвергаются плунжерные пружины после навивки. Образцы нагружались в условиях периодического кручения при отнулевом цикле напряжений с частотой 1500 циклов в минуту. Амплитуда напряжений 1а = 420 МПа.

Проблема длительной прочности элементов машин, приборов и аппаратов является традиционной, но за последние годы она расширилась и приобрела особое значение в связи с новыми задачами, которые ставят такие быстро развивающиеся отрасли техники, как энергетическое и химическое машиностроение, авиакосмическая техника и др. Долговечность конструкций приходится оценивать во многих случаях в условиях нестационарных силовых и температурных режимов нагружения, при этом могут протекать различные процессы длительного разрушения. К таким обычно относят статическую усталость, возникающую в результате выдержки конструкционных элементов во времени под действием усилий, мало- и многоцикловую усталость, связанную с циклическими сменами усилий безотносительно ко времени выдержки, а также процессы поверхностных разрушений при действии напряжений и агрессивных сред. При этом возможены еще и другие, комбинированные процессы. Длительному разрушению подвержены не только традиционые металлические, но и различные новые неметаллические материалы — полимеры, керамики, стекла и различные композиты, причем многие неметаллические материалы обнаруживают как циклическую, так и указанную статическую усталость практически в любых температурных условиях, ввиду чего проектирование изделий из этих материалов неизбежно наталкивается на необходимость их расчетов на длительную прочность.

сания процесса длительного разрушения нужно, строго говоря, располагать двумя различными уравнениями повреждений, одно из которых относится к первой стадии рассеянных повреждений, другое — ко второй стадии локальных повреждений. Кроме того, необходимо еще установить условие завершения первой и начала второй стадии, оканчивающейся полным разрушением тела при достижении трещинами их критических размеров. Такой путь полного описания процесса длительного разрушения намечен, например, в работах В. В. Болотина применительно к однонаправленным композиционным материалам. Однако в подавляющем большинстве случаев длительную прочность пока еще оценивают на основе рассмотрения либо только стадии рассеянных, либо только стадии локальных повреждений. Первый путь, во многих случаях вполне обоснованный, может считаться в настоящее время более универсальным. С другой стороны в современных расчетах на многоцикловую усталость металлических конструкционных элементов проявляется тенденция ограничиваться рассмотрением только стадии роста трещин усталости, развивающихся из некоторых исходных (технологических) дефектов в виде малых поверхностных трещин с нормированной начальной длиной или глубиной. Иногда при решении практически одинаковых проблем усталостной прочности применяется в одних случаях первый, а в других — второй путь, причем в случае использования достаточно полных и достоверных экспериментальных данных о сопротивлении материала оба пути приводят к удовлетворительной оценке ресурса рассматриваемых конструкционных элементов.