следние определенным образом связаны с размерами трещины и характеристиками трещиностойкости конструкции. Создание конструкций гарантированной надежности часто невозможно.

Методы и средства, предназначенные для остановки нестабильно растущей трещины до аварийного разрушения, широко применяют при создании конструкций повьппенной живучести, в частности, силовых элементов летательных аппаратов. Конструкция обладает повышенной живучестью, если частичное или полное разрушение какого-либо из силовых элементов не имеет катастрофических последствий для конструкции в целом. Для этой цели используют либо специальные конструктивные решения, либо целенаправленно подбирают или изменяют свойства материала. В обоих случаях необходимы данные о трещиностойкости конструкции на стадии торможения и в момент остановки нестабильной трещины.

Многообразие и специфичность известных методов и средств остановки трещин ограничивают дальнейшее изложение общими методическими положениями по проведению соответствующих исследований. Прежде всего требуется определить трещиноопасные направления и границы допустимого расположения вершин заторможенной трещины в тех элементах конструкции, разрушение которых может сопровождаться катастрофическими последствиями. С учетом этих сведений создают начальные повреждения и выбирают места расположения и направленность принятых средств воздействия на распространяющуюся трещину: накладок, многослойных вставок, ребер жесткости, полостей, сварных швов или полос повышенной трещиностойкости.

Остановка трещины может произойти только тогда, когда условия для ее непрерью-ного распространения перестают вьшолняться, что должно учитываться при определении характеристик трещиностойкости на стадии

Рис. 11.4.4. Возможное изменение величины Kjj) в функции скорости динамического роста трещины

торможения и остановки нестабильной трещины. Достаточно точный динамический анализ поведения конструкции с трещиной можно провести с помощью зависимости скорости da

ее роста - и величины динамической тре-dt

щиностойкости Кц) . Искомой характеристикой трещиностойкости конструкции считают [42] минимальное значение Кц) = на

диаграмме динамического разрушения (рис. 11,4.4). Нестабильная трещина остановится, если в процессе ее торможения будет достигнуто условие Kj = К If) = Ki.

Необходимые для определения характеристики A/jnin экспериментальные данные

получают в ходе реализации, описанной в предыдущем разделе, методики оценки остаточной прочности конструкции. Значения

параметра Kj для распространяющейся трещины устанавливают с помощью соответствующих динамических решений и данных о нагрузке Р, размерах и скорости роста трещины. С этой целью используют также прямые способы, основанные на методах фотоупругих и других покрытий [42]. Однако с любой из известных подходов к построению зависимости, показанной на рис. 11.4.4, очень сложен и специфичен как при получении исходных экспериментальных данных, так и при осуществлении динамического анализа при расчете величин Kj. Поэтому, как правило, используют относительно простые методы одноточечной оценки характеристики Kj без

построения полной диаграммы динамического разрушения. Они основаны на определении величины Kj =Kja в вершине остановленной трещины после того, как испытуемая конструкция вернулась в состояние статического равновесия.

На участке торможения нестабильной трещины параметр Kjy вычисленный с использованием статического и динамического решений, обычно изменяется, как показано на рис. 11.4,5, с соблюдением условия

Kla = {Ia)it - [ia)j) = /min В результате определения величины Кj получают приближенную и вместе с тем консервативную оценку характеристики Kjj . При этом

отсутствует необходимость в сложных измерениях скорости роста трещины и трудоемких динамических расчетах, поскольку величину Kjq вычисляют с помощью обычных статиче

Рис. П.4.5. Значения параметра Ki в момент инициирования нестабильного роста трепшны (Кл ) и в процессе ее торможения:

1 - статическое решение; 2 - динамическое решение

ских решений по нагрузке и длине трещины, соответствующих моменту ее остановки.

Еще один подход в создании конструк-щ1й повьппенной живучести основан на представлении о температуре остановки трещины

САТ- Уть его состоит в создании температурного градиента, обеспечивающего повьппе-ние характеристик трещиностойкости материала вдоль траектории нестабильной растущей трещины. В зоне с достаточно высокой

температурой, большей температуры Тсдт

трещина самопроизвольно останавливается, что подтверждается многочисленными опытами.

Глава 11.5

ИСПЬГГАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ НА УСТАЛОСТЬ ПРИ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОВТОРНО-ПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗКАХ

11.5.1. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ НА УСТАЛОСГЬ

На сопротивление усталости деталей влияет огромное число факторов, совокупное значение которых носит неопределенный характер и не всегда может быть оценено по раздельному влиянию каждого из них.

Усталостное разрушение происходит путем возникновения трещины, ее развития и окончательного разрушения. Оно характеризуется, как правило, весьма малой пластической деформацией, внезапностью и приводит к катастрофическим последствиям. В изломе образца или элемента конструкции можно различить две зоны: то ко волоки истую разви-

тия усталостной трещины и крупнозернистую окончательного долома. В зависимости от вида нагружения (изгиб, растяжение, кручение), уровня напряжений, наличия их концентраторов зоны разрушения могут иметь различный вид.

Кривые усталости аналитически описываются различными уравнениями, в том числе уравнением

где /п и С - параметры.

Обычно результаты испытаний на усталость представляют в виде кривых усталости (рис. 11.5.1) с осью ординат и осью аб-

цисс N (число циклов в логарифмическом масштабе). При использовании двойной логарифмической шкалы напряжение можно наносить в логарифмическом масштабе. В этом случае результаты часто ложатся на прямую линию, особенно если включаются данные при очень больших значениях долговечности.

Для кривой усталости характерными величинами являются: предел вьшосливости

Gf. - максимальное напряжение, которое может вьщержать материал без разрушения произвольно большое число циклов; база испытания Щ - число циклов нагружения, после

которого разрушения образца не происходит независимо от длительного нагружения; предел выносливости (сгг)д на ограниченной

базе - напряжение, при котором образец разрушается при определенном заданном числе циклов. База испьггания черных металлов 10 циклов, а цветных (5...10)-10 циклов. При испьгганиях в условиях высоких температур, при воздействии коррозионной среды и в некоторых других случаях усталостное разрушение может произойти и после большего числа циклов.

Рис. 11.5.1. Кривая усталости

Характерной особенностью результатов нспытаннй на усталость является их разброс, что частично связано и с погрешностью эксперимента. Поэтому для точного построение кривых усталости необходимо провести большое число испытаний (не менее десяти). В большинстве случаев этот метод является достаточно точным, но можно использовать, например, метод наименьших квадратов, чтобы провести прямую шш кривую выбранной формы.

сли по достижении какого-то числа циклов усталостное разрушение не происходит, то материал имеет физический предел выносливости. Это обычно черные металлы. Цветные металлы, как правило, не имеют физического предела вьшосливости. Пределы ограниченной выносливости по долговечности меньше чем 10 циклов требуются для некоторых специальных целей (область малоцикловой усталости). Практически требуемые пределы выносливости 10... 10 циклов.

11.5.2. УСКОРЕННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ВЫНОСШВОСТИ

Среди ускоренных методов известны методы, состоящие в измерении повышения температуры образца, изменения электрического сопротивления, магнитной проницаемости, магнитных и вихревых потерь электрического тока и теплового расширения.

Иной тип ускоренного метода, впервые предложенного М. Про, довольно близко соответствует методу обычных испытаний на усталость, но амплитуда напряжений не постоянна, а увеличивается с постоянной скоростью до тех пор, пока не произойдет разрушение. М. Про полагал, что разрушающее напряжение

где К - постоянная, зависящая от материала.

Испытания проводятся при различных значениях а и Qp. При построении в зависимости от yfa они дают прямую линию согласно приведенному выше уравнению, пересекающуюся с осью нагружения в точке, которая определяет предел выносливости. Метод М. Про в меньшей степени может бьпъ использован для статической интерпретации результатов, чем метод проб или ступенчатый, поэтому не может бьпъ эффективным с точки зрения экономии образцов. Однако метод М. Про перспективен для определения циклической прочности хрупких керамических материалов, при большом числе образцов, раз-

рушившихся после первого полуцикла нагружения или выдержавших базу испытания без разрушения. Полученные образцы не дают данных о прочности материала или конструкционного элемента, но при использовании метода М. Про несут информацию о циклической прочности.

На линейной гипотезе суммирования повреждений основан метод Локати, который предлагает определение предела выносливости по результатам испьпания одного образца при ступенчатом увеличении нагрузки. Согласно гипотезе линейного суммирования повреждений степень повреждения материала пропорциональна отношению числа циклов нагружения при данном уровне напряжения и долговечности при этом уровне напряжения в условиях постоянной амплитуды:

где к - число уровней напряжений, при которых проводятся испытания.

Рис. 11.5.2. Определение предела вьшосливости по методу Локати

В соответствии с методом Локати (рис. 11.5.2, а) в координатах Qq-N или

ад - IgTV строят условные кривые усталости,

предположительно соответствующие возможно низшему (кривая 1) и высшему (кривая 2) предельным положениям и ограничивающим область действительной кривой усталости, и промежуточную кривую 3. Исходя из положения условных кривых усталости намечается программа испытаний образца или детали таким образом, чтобы график ступенчатого увеличения нагрузки накладывался на кривые усталости. Полученные в испьпаниях до разрушения образца или конструкционного эле-