мента данные обрабатываются по формуле линейного суммирования повреждений для каждой кривой усталости и наносятся на гра-к

фик в координатах У(/7 7Уу) - а д. (рис. 1

11.5.2, б). Напряжение CJ , соответствующее

сумме относительных повреждений, равной единице, является пределом выносливости.

Методы аналитического построения кривой усталости без проведения испытаний на усталость основаны на использовании уравнений, найденных по результатам статических испытаний на растяжение или каких-либо других испытаний. Для этих методов наиболее важным является установление критерия, на основе которого можно получить уравнение кривой усталости с физически обоснованньв<и параметрами. Наиболее часто в качестве такого критерия используют один из энергетических критериев, связьшающих энергию, необратимо рассеянную в материале при циклическом нагружении, с энергией статического разрушения.

11.5.3. ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА УСТАЛОСТЬ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Значительное влияние на сопротивление усталости элементов конструкций оказывают следующие факгоры: конструкционные (размеры деталей, концентрация напряжений); технологические (состояние поверхности, структура и термическая обработка, поверхностная обработка, сварка); эксплуатационные (асимметрия цикла, вид напряженного состояния, режим и частота нагружения, температура, коррозионные среды, фреттинг-коррозия).

Размеры деталей. С увеличением размеров детали ее сопротивление усталости, как правило, уменьшается. Степень влияния размеров детали (эффект масштаба) на предел выносливости оценивается отношением предела, выносливости детали заданного диаметра к пределу вьшосливости лабораторньпс образцов диаметром 7... 10 мм. Проявление эффекта масштаба зависит от свойств материала, вида нагружеция (растяжение, изгиб, кручение), состояния поверхности и концентрации напряжений. Согласно экспериментальньп данньп испытания гладких конструкционных элементов эффект масштаба существенно проявляется при изгибе и кручении и практически отсутствует при растяжении, т.е. в условиях однородного напряженного состояния. Материалы, имеющие существенную структурную неоднородность типа чугуна и литого алюминиевого сплава, весьма существенно реагируют на изменение размера детали.

Концентрация напряжений. Большинство конструкционных элементов в местах изменения формы и размеров (концентраторах напряжений) испьггывают значительные напряжения (концентрация напряжения), которые существенно превышают номинальные напряжения (в предположении отсутствия возмущения напряженного состояния). Теоретический концентратор напряжений Kj равен отношению наибольшего местного напряжения ах к номинальному напряжению при упругом деформировании: Ат = сгахЛи ом-Степень влияния концентрации напряжений на предел вьшосливости характеризуется эффективным коэффициентом концентрации напряжений, равным отношению предела выносливости гладкого образца или элемента конструкции к пределу

выносливости {рг) конструкционного элемента с концентраторами напряжений: = сf.) . Чувствительность к концентрации напряжений характеризуется коэффициентом q = (Ау - 1)/(Ат ~ О Если материал не чувствителен к концентрации напряжений, то =1 и q = 0.

Коэффициент чувствительности к кон-центрахщи напряжений зависит от свойств материала, абсолютного значения теоретического коэффихщента концентрахщи напряжений, рмеров исследуемой детали и уровня напряжения, при котором проводятся испытания.

Асимметрия цикла. Существенное влияние на предел выносливости оказьшает среднее напряжение цикла. Результаты подобных исследований представляют в виде диаграмм

предельньЕХ напряжений (cJmax ~ min) ли

амплитуд цикла.

Множество известньЕХ аналитических описаний диаграмм предельных амплитуд дают хорошее соответствие эксперименталь-нъш данньп для различных конструкционных материалов.

Вид напряженного состояния. Неоднородность напряженного состояния и соотношение главных напряжений влияют на сопротивление усталости материала. Анализ влияния неоднородного напряженного состояния на предел вьшосливости свидетельствует о следующем:

предел выносливости при неоднородном напряженном состоянии значительно больше, чем при однородном, что наблюдается как при линейном (изгиб), так и при плоском напряженном состоянии (кручении);

увеличение градиента напряжений приводит к существенному росту местных напряжений, соответствующих пределу вьшосливости;

предел вьшосливости при испытаниях в условиях неоднородного напряженного состояния зависит от формы поперечного сечения и схемы нагружения. Он повьпиается с уменьшением объема металла, находящегося в области максимальных напряжений.

Режим нагружения. Стремление учесть влияние случайного нагружения на характеристики сопротивления усталостному разрушения металла сделало необходимым проведение лабораторных испытаний при различных режимах изменения напряжений. Режимы лабораторных испытаний на усталость можно подразделить на стационарные, монотонного увеличения или уменьшения нагрузки, блочного и случайного нагружения. При стационарном режиме (гармоническом, бигармоническом, треугольном, трапецеидальном и др.) закон изменения а в пределах одного цикла остается постоянным до разрушения. При монотонном нагружений амплитуда или среднее напряжение плавно или ступенчато изменяется до разрушения детали. Блочное нагружение осуществляется ступенчатым (рис. 11.5.) или непрерывными блоками, которые периодически повторяются вплоть до разрушения. При случайном нагружений последовательность ступеней или единичных значений амплитуд и средних напряжений цикла изменяется случайным образом. Наиболее часто влияние случайного характера приложения нагрузки на долговечность материалов оценивается по результатам испытаний конструкционных элементов или образцов при использовании блоков, отображающих статистические закономерности случайного нагружения.

Частота нагружения. Увеличение частоты нагружения, как правило, приводит к монотонному повышению пределов вьшосливости исследуемых материалов и конструкционных элементов. Это объясняется тем, что при более высокой частоте нагружения не завершаются в полной мере микропластические деформации, приводящие к усталостному разрушению. Наблюдаемое затем снижение циклической

Рис. 11.5.3. Диаграмма ступенчатого блочного нагружения

прочности при повышении частоты нагружения связано с гистерезисньп нагревом испытуемых конструкционных элементов, а следовательно, со снижением пределов выносливости этих элементов конструкции. Если применить надежное охлаждение испытуемых деталей жидкостью или газом, не вызывающим в них коррозии, то снижение циклической прочности не наблюдается.

Температура. Характер влияния высоких и низких температур на циклическую прочность конструкционных элементов существенно различен. На рис. 11.5.4 представлены температурные зависимости пределов вьшосливости углеродистых и теплоустойчивых сталей, а также жаропрочных аустенитных сталей и сплавов. Сложный характер некоторых из них объясняется различными структурными превращениями, имеющими место в разных температурных интервалах.

Каждая группа металлов и сплавов характеризуется предельной температурой, вьпие которой пределы вьшосливости резко падают. Так, при температуре до 773 К используют теплоустойчивые ферритные стали, при температуре до 973 К - аустенитные стали, а при температуре до 1273 К - сплавы на основе никеля и кобальта. При более высокой температуре можно применять сплавы на основе тугоплавких металлов при условии их защиты от окисления.

Исследования циклической прочности в области низких температур свидетельствуют о том, что для всех металлов с понижением температуры предел выносливости увеличивается. Наиболее существенен рост сопротивления усталости у углеродистых сталей; причем при наличии концентратора напряжения предел вьшосливости повьпиается меньше, чем у гладкого элемента.

й.,МПа

560\

280\

200\

т 600 во о г, к

Рис. 11.5.4. Зависимость предела вьтосливости сталей от температуры испытания:

а - углеродистых аустенитных сталей и сплавов; б - жаропрочных аустенипшх сталей и сплавов; / - углеродистая сталь (0,1 % С); 2 - сталь 40Х и ЗОХМ; J-сталь 25Х2М1Ф; - сталь 12X18Н9Т; 5 - сталь Х16Н25М6; 6 - сплав ХН77ТЮ

Коррозионная среда. Наличие коррозионных сред (пресная, морская вода и др.) вызывает резкое падение циклической прочности металлов. При этом следует отметить особенно, во-первых, понижение частоты нагружения (значительное снижение предела вьшосливости с увеличением времени воздействия среды при заданном числе циклов нагружения) и, во-вторых, воздействие высокой температуры (разрушение может иметь место и при весьма низких напряжениях, если число циклов нагружения будет достаточно велико).

Фреттинг-коррозия. В деталях с напря-женньв и посадками вследствие воздействия переменных нагрузок может происходить проскальзывание одной поверхности относительно другой, в результате чего разрушается одна из контактирующих поверхностей, как правило, более напряженная, и образуются локальные каверны, существенно снижающие циклическую прочность конструкционного элемента.

Природа фретгинг-коррозии объясняется по-разному: механический износ; элекгрофи-зическое явления, происходящие на границе контактирующих материалов.

Состояние поверхности. Глубина микронеровностей после механической обработки существенно влияет на циклическую прочность конструкционных элементов. Риски и надрезы, являющиеся следами механической обработки, особенно опасны в том случае, когда их направление перпендикулярно к направлению главного растягивающего напряжения. Характерно, что влияние микронеровностей более существенно для высокопрочных материалов.

Структура и термическая обработка сплавов. Поскольку циклическая прочность увеличивается менее интенсивно, чем предел прочности, и с ростом предела прочности более существенно проявляется влияние концентрации напряжений, коррозионных сред, состояния поверхности и др., необходимо тщательно относиться к устранению и нейтрализации действия различных факторов, которые могут привести к снижению сопротивления материала элемента конструкции.

Поверхностная обработка. Она широко используется для повышения циклической прочности образцов и конструкционных элементов и является основньв! способом нейтрализации действия концентраторов напряжений, коррозионных сред и других факторов, снижающих сопротивление усталости. Применяются следующие методы упрочнения: химико-термические (азотирование, цементирование, цианирование), поверхностная закалка ТВЧ, наклеп поверхностного слоя (обкатка роликами, обдувка дробью, чеканка и т.п.), комбинированные (цементация с последующей обдувкой дробью и др.). Механизм поверхностного упрочнения состоит в создании более

прочного и химически стойкого поверхностного слоя и остаточных напряжений сжатия в этом слое.

Сварка. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что сварка значительно снижает предел вьшосливости сварных соединений по сравнению с основньв металлом. Причиной этому являются напряжения растяжения в сварных швах, концентрация напряжений и неоднородность свойств сварного соединения.

Малоцикловое нагружение. Испытания при малоцикловом нагружении проводят при сравнительно низких частотах нагружения (до 50 циклов/мин), высоких уровнях напряжений (равных и вьппе предела текучести) и долго-вечностях до 2 10 циклов. Разрушение при малоцикловом нагружении может происходить вследствие исчерпания пластичности (квазистатическое разрушение) или возникновения и развития усталостной трещины (усталостное разрушение). Особенностью такого разрушения при малоцикловом нагружении является наличие значительных пластических деформаций, например у барабанов паровых котлов, фюзеляжей и стоек шосси самолетов.

Результаты экспериментов представляются в этом случае в равномерном, полулогарифмическом или двойном логарифмическом масштабе, как это делается при построении кривых много цикловой усталости. Для описания области малоциклового усталостного разрушения используются те же уравнения, что и при многоцикловой усталости.

Термическая усталость. При исследовании усталости металлов при малом числе циклов нагружения, вызванной циклическими колебаниями температуры, изменяют перепад температур или жесткость защемления образца или конструкционного элемента. Для описания кривых термической усталости в координатах \ёил~ используют уравнение Коффина [31]:

где т и С - параметры, определяемые экспериментально.

Термические напряжения имеют место также в незащемленных конструкционных элементах при наличии градиентов температуры, которые возникают при их быстром нагреве и охлаждении.

11.5.4. ПЕРИОДЫ УСТАЛОСТИ И ДИАГРАММА УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ

Области и периоды полной кривой усталости. На рис. 11.5.5 в общем виде представлена кривая усталости в диапазоне нагрузок от предела прочности до предела вьшосливости. Границей между областями малоцикловой 1 и