Накопление усталостного

В ряде современных машин разрушение деталей может происходить в результате большой температурной и силовой напряженности, в которых они работают. Так, например, в реактивных двигателях самолетов детали, образующие горячий тракт,. — жаровые трубы, кожухи камер сгорания, форсажные камеры и др. — работают в условиях высоких температур, частых изменений теплонапряженности и действия вибрационных нагрузок, вызывающих переменные напряжения. На рис. 20, е показана трещина в стенке кожуха камеры сгорания реактивного двигателя, когда разрушению предшествовал . прогар материала, газовая коррозия и абразивный износ стенок, а также накопление усталостных разрушений. Таким образом, разрушение материала, как проявление данного процесса старения, может являться следствием комплекса разнообразных необратимых процессов.

1 — упругопластическая деформация; 2 — накопление усталостных повреждений; 3 — контактно-усталостное разрушение.

дования привели, однако, к предположению, что усталостные трещины в матрице инициируют разрушение на поверхности волокон бора. Кроме того, в самих волокнах бора может идти накопление усталостных повреждений [45]. Тот факт, что усталостные трещины не были обнаружены в бериллиевых волокнах, расположенных впереди от основной усталостной трещины, является весомым косвенным доказательством того, что скорость роста усталостной трещины действительно может увеличиваться при прохождении через высокомодульные волокна (рис. 10, г), как это предсказывал Леверенц [38].

нительно низких температур, где основное влияние оказывают циклические пластические деформации и накопление усталостных повреждений, и область высоких температур, где, по-видимому, преобладает влияние ползучести и длительных статических повреждений. Это необходимо также и для получения исходных данных для разработки параметрических зависимостей длительной малоцикловой прочности, аналогичных зависимостям, разработанным для длительной статической прочности (типа Ларсена— Миллера и т. д.). Этим требованиям в известной мере отвечают испытания при длительном мягком нагружении, т. е. при постоянной амплитуде напряжений, и при длительном жестком нагружении, т. е. при постоянной амплитуде суммарных (упругости, пластичности и ползучести) деформаций.

66. Даунис М.А. Накопление усталостных и квазистатических повреждений при нестационарном малоцикловом нагружевии.— Матер. Всесоюз. рабочего симпоз. по вопросам малоцикловой усталости. Каунас, 1971.

Влияние усталости на критическую температуру хрупкости стали ВСт.Зсп в зоне термомеханического старения показано на рис. 29, б. В этом случае критическая температура хрупкости Гкр зоны старения после сварки в исходном состоянии выше Гкр основного материала ВСт.Зсп более чем на 10°С. В процессе работы на усталость Гкр основного металла и зоны старения повышаются до 20°С. При использовании результатов исследований [77, 103] следует учитывать, что усталость накапливалась при высокой частоте — 20 Гц, что редко встречается в технике. Повреждаемость металла при малых частотах нагружения может быть выше, так как накопление усталостных повреждений при реальных частотах (до 1000 Гц) развивается более интенсивно. Большинство исследователей считают, что повышение частоты нагружения до 1000 Гц не влияет на предел выносливости, но дальнейшее повышение вызывает рост сопротивления усталости; так, при частоте 20.Гц предел выносливости повышается на 40%.

В настоящее время при объяснении разрушения в условиях многократного циклического нагружения исходят из дислокаци-онно-вакансионных представлений. Зарождение и накопление усталостных повреждений рассматривается с точки зрения возникновения и накопления дислокаций, их взаимодействия между собой и с другими дефектами решетки, прежде всего с вакансиями. Этот процесс обусловлен [85, 86]: 1) увеличением плотности дислокаций и блокированием подвижных дислокаций атомами примесей и вакансиями; 2) созданием скоплений дислокаций критической плотности; 3) образованием субмикроскопических зародышей усталостных трещин.

Рис. 5. Накопление усталостных dj (темные точки), длительных статических ds (светлые точки) и суммарных D повреждений ио числу циклов при термоусталостном нагружении

1. Накопление усталостных повреждений в вершине трещины происходит в зоне сильных циклических пластических деформаций^ размером которой в направлении трещины является рс.

с представительным значением q = 2 независимо от материала. В пластической зоне при бж/60 > 0,25 происходит в основном накопление усталостных повреждений.

Для прогнозирования усталостной долговечности чаще всего используется прием сопоставления функции a (t) с кривой усталости типа сттах — N (здесь а — нормальное напряжение, t — время, N — число циклов до разрушения). Самым простым случаем является циклическое изменение а с максимальным напряжением цикла 0"тах- Тогда долговечность определяется непосредственным вычислением абсциссы N кривой усталости при заданной ординате отах. Если а изменяется нестационарно, сопоставление функции a (t) с кривой усталости усложняется. Осциллограмма функции о (t) сначала подвергается статистической обработке (систематизируется) и строится так называемый спектр амплитуд. Он сопоставляется с кривой усталости чаще всего по правилу Пальмгрена — Майнера в чистом или скорректированном виде. При этом предполагается линейное накопление усталостных повреждений.

Показано влияние цикличности нагружения на образование и накопление усталостного повреждения, а также на микрорельеф поверхности разрушения. Исследуются закономерности усталостных разрушений и развития усталостных трещин в связи с условиями нагружения, конструктивными, технологическими и эксплуатационными факторами. Предложены математические модели развития и прогнозирования усталостных трещин.

Прогресс в области расчетной техники и применение ЭВМ открывают перспективу моделирования процесса развития трещины. Число испытаний при переменных нагрузках (программные нагру-жения или случайные нагружения) можно сократить, заменив их испытаниями при постоянных нагрузках и моделирование с использованием ЭВМ. Полученные результаты легче статистически обрабатывать и обобщать; на основании их можно предсказать накопление усталостного повреждения.

Накопление усталостного повреждения приписывается циклической деформации кар, статического повреждения — односторонне накопленной ер, т. е. [17]

Использование кулачков и эксцентриков в качестве программирующих элементов затрудняет достаточно .точное воспроизведение необходимых спектров напряжений и практически исключает дискретное их программирование. Вследствие кинематических особенностей кулачковых механизмов они больше пригодны для плавного изменения амплитуды задаваемых напряжений. К недостаткам кулачкового привода следует отнести также-сложность переналадки машины при изменении режимов испытаний для исследования влияния на накопление усталостного повреждения формы спектра напряжений, интенсивности и других его параметров.

При исследовании влияния отдельных пиков бигармоническо-го напряжения на накопление усталостного повреждения соответствующие изменения в долговечности могут быть небольшими, в связи с чем возникает необходимость повысить точность задания нагрузок (амплитуд слагаемых гармоник cfj и 02 или экстремумов crjminfmax)), так как в противном случае результаты испытаний могут быть искажены случайными отклонениями от необходимого режима нагружения.

Здесь 3-1 — минимальная величина амплитуды напряжения, ниже которой не происходит накопление усталостного повреждения. Эта величина либо определяется той минимальной амплитудой напряжений, при которой прекращается развитие трещины усталости [обычно величина составляет около (0,4—0,5) o_i], либо эта величина предела усталости ulj по кривой усталости, построенной в минимальных напряжениях при программном испытании на усталость с изменением амплитуд напряжений применительно к плотности распределения Ф' (
Если напряжение аотах^Г31ц то накопление усталостного повреждения не будет иметь место.

100. Филатов М. Я. Влияние формы цикла напряжения на накопление усталостного повреждения. — «Прикладная механика», 1966, т. II, вып. 11, с. 83 — 89.

Рис. 4.11. Накопление усталостного т)' (темные точки) и квазистатическог» т)" (светлые точки) повреждений за цикл (о), а также суммарного повреждения т] (б) сплава АД-33

Рис. 4.11. Накопление усталостного TJ' (темные точки) и квазистатического т" (светлые точки) повреждений за цикл (а), а также суммарного повреждения т) (б) сплава АД-33

Рис. 4.12. Накопление усталостного т)' (темные точки) и квазистатического т)" (светлые точки) повреждений за цикл (a), a также суммарного повреждения т) (б) стали 22к

В последнее время появились работы [2, 235, 335, 269], в которых делаются попытки учесть накопление усталостного повреждения в пластически деформируемой зоне перед вершиной трещины, перед каждым ее продвижением в результате ее циклического упругопластического деформирования. Один из вариантов такой модели, реализованный в численном виде, описан в работе [21.