книги / Развитие усталостных трещин в материалах и конструкциях

испытаниях на усталость жаропрочных материалов и при испыта­ нии образцов в агрессивных средах [62, 112].

Динамометры и зажимные устройства испытательных машин комплекса сконструированы сменными. Они могут быть универсаль­ ными при испытании лабораторных образцов или специальными при испытании натурных деталей, требующих соответствующего выбора чувствительности элементов силоизмерения и условий крепления.

Рис. 2. Основные варианты комплектации машин для испытания образ­ цов и деталей:

а — на консольный изгиб в одной плоскости; б — на кручение; в —>па растяже­ ние — сжатие: г —• на чистый изгиб.

Для расширения номенклатуры испытываемых деталей машины комп­ лекса выполнены в двух размерах и различаются мощностью при­ вода и величиной развиваемых нагрузок. С этой же целью динамо­ метрические узлы с пассивными захватами выполнены передвиж­ ными.

На рис. 2 схематично изображены четыре основные варианта комплектации испытательных машин. Унифицированными узлами ма­ шин являются несущая плита /, возбудитель колебаний 2, шатун 3 и приборная стойка, которая на схеме не показана. Элементы, передающие нагрузку на образец, и -упругие динамометры обозна­

чены соответственно цифрами 4 и 5, а места расположения испы­ туемых объектов — буквой Д. Таким образом, положение динамо­ метрических узлов машин устанавливается в зависимости от га­ баритов испытуемой детали. Граничные положения этих узлов определяются размерами, указанными на каждой схеме (без ско­ бок — для комплекса повышенной мощности, в скобках — для комплекса малой мощности).

При обычных испытаниях на усталость часто в качестве кри­ терия разрушения образцов из металлических или композиционных материалов принимают некоторую потерю их первоначальной жест­ кости, вызванную прогрессирующим ростом усталостной трещины. Это позволяет избежать возникающих иногда трудностей доведения образцов до окончательной поломки и дает вместе с тем доста­ точно полное представление об их несущей способности. Одна из отличительных особенностей исследования кинетики усталостного разрушения состоит в необходимости наблюдать за ростом трещи­ ны в течение всего периода ее развития, начиная с момента появ­ ления и кончая полным разрушением образца. В условиях мягкого нагружения такие исследования связаны с существенным увеличе­ нием амплитуды задаваемых колебаний для компенсации постепен­ ного уменьшения жесткости образца, поэтому механизм силовозбуждения испытательной машины должен иметь значительный ре­ зерв по амплитуде возмущающих перемещений. Опыт эксплуатации машин испытательного комплекса показывает, что унифицирован­ ный возбудитель колебаний, входящий в комплект каждой испыта­ тельной машины, располагает такими резервами и дает возможность доводить образцы и натурные конструкции до полного разрушения. В случае испытания весьма податливых объектов возможно увели­ чение перемещений путем соответствующего изменения плеч переда­ точных механизмов.

Полученные данные позволяют считать, что испытательный комп­ лекс, разработанный в Институте механики АН УССР, может быть использован для экспериментального изучения закономернос­ тей развития трещин усталости в образцах и натурных деталях из металлических и полимерных материалов в связи с эксплуата­ ционными и конструктивными факторами. К эксплуатационным факторам, влияние которых на усталостное разрушение может быть исследовано на испытательных машинах комплекса, прежде всего от­ носятся факторы механической напряженности, обусловленные ви­ дом действующей нагрузки и режимом нагружения, который для деталей рассматриваемого класса может быть стационарным или не­ стационарным, жестким или мягким, симметричным или асиммет­ ричным. К эксплуатационным факторам должны быть также отнесены различные внешние воздействия на конструкцию, сопутствующие

ее механическому нагружению, например высокие или низкие тем­ пературы, агрессивные среды, радиационное облучение и многие другие.

К конструкционным факторам, роль которых в образовании и дальнейшем развитии трещин достаточно велика и может быть изуче­ на на машинах комплекса, относятся свойства исходного материала детали, ее размеры, геометрические формы, технология изготовле­ ния и т. д.

При использовании машин испытательного комплекса примени­ тельно к задачам изучения кинетики усталостного разрушения мо­ гут возникнуть трудности в случае реализации испытательных про­ грамм со значительными, но редко встречающимися перегрузками. Эти трудности обусловлены относительной тихоходностыо исполни­ тельного механизма кривошипного возбудителя колебаний, в связи с чем переход с одного уровня напряжений программы на сущест­ венно отличающийся другой уровень осуществляется в течение не­ скольких десятков циклов нагружения. Для выполнения программ: с кратковременными перегрузками и для специального исследования* их роли в развитии усталостных трещин разработана программ­ ная испытательная машина МИП-8М консольного типа с вращающим­ ся образцом диаметром 8 мм [61]. Эта машина имеет две рабочие частоты возбуждения: высокую (50 Гц) — для реализации основной части спектра нестационарной напряженности и низкую (5 Гц) — для воспроизведения редко встречающихся перегрузок. Быстродей­ ствующий программный механизм машины позволяет изменять амплитуду напряжений в пределах одного цикла, а второй скорост­ ной режим обеспечивает возможность с высокой точностью дозиро­ вать числа амплитуд заданной величины и моделировать любые эксплуатационные спектры, благодаря чему минимальная продол­ жительность действия перегрузочных напряжений измеряется не­ сколькими циклами.

Значительный цикл исследований усталостного разрушения ме­ таллических образцов диаметром 8 мм при кручении был выполнен на разработанной в Институте механики АН УССР машине МКП-8 с электромагнитным силовозбуждением. Машина позволяет наблю­ дать за развитием трещины при программном изменении как пере­ менной, так и постоянной составляющей крутящего момента [61].

§ 2. МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА РАЗВИТИЕМ ТРЕЩИН УСТАЛОСТИ

Для наблюдения за развитием трещин усталости разрабо­ таны многочисленные методы и приборы, позволяющие с необходи­ мой в каждом отдельном случае точностью обнаруживать появление первой трещины, а затем следить за ее прорастанием до момента окон­

чательного разрушения образца или натурной детали. Чувстви­ тельность разработанных методов, эффективность и достигаемая с их помощью автоматизация проводимых исследований существенно раз­ личны и определяются их принципиальными особенностями, а также точностью использованных средств измерений.

Машины испытательного комплекса, разработанные в Институте механики АН УССР, не исключают возможности практического при­ менения всех этих методов. Чтобы не ограничивать конструктивны­ ми соображениями выбор экспериментальных средств наблюдения за образцом непосредственно во время его испытания, основные узлы машин комплекса размещены так, что в месте расположения зажимных устройств создается значительное рабочее пространство, обеспечивающее свободный доступ к образцу для визуального' осмотра или фотографирования его поверхности. Для этой же цели несущая конструкция машин выполнена в виде массивной плиты с крепежными пазами, допускающими размещение и крепление раз­ нообразных измерительных, регистрирующих и других приборов,, необходимых для наблюдения за разрушением исследуемого объекта. Однако мы кратко охарактеризуем только те методы и устройства, которые были использованы при накоплении опытных данных,, послуживших экспериментальной основой последующих глав. Не­ сколько подробнее изложены методы, разработанные или получив­ шие некоторое развитие в Институте механики АН УССР. Более пол­ ные сведения о существующих подходах к экспериментальному изуче­ нию кинетики усталостного разрушения и об аппаратурном обеспече­ нии соответствующих исследований содержатся в работах [61, 146].

Большинство описанных здесь методов наблюдения за разруше­ нием использовано для изучения микротрещин в докритическом пе­ риоде их развития. Так, для определения долговечностей, соответ­ ствующих началу усталостного разрушения крупных образцов и элементов конструкций при переменном изгибе в одной плоскости и кручении, применялся метод керосиновой пробы, позволяющий фик­ сировать появление первой трещины длиной менее 1 мм. Результаты испытаний использовались для построения кривых усталости по критерию трещинообразования.

Накопление информации о росте трещины в течение всего перио­ да ее развития осуществлялось путем снятия реплик. Материалом для реплик служили пластилин или полоски рентгеновской пленки (без эмульсионного слоя), смоченные 50%-ным раствором ацетона в спирте. Отпечатки трещины снимались через определенные ин­ тервалы времени и на ранней стадии разрушения измерялись с помощью микроскопа МБС-1 при увеличении Х32.

При испытании вращающихся консольных образцов диаметром 8 мм на программных двухскоростных машинах типа МИП-8М наблю-

дение за развитием усталостной трещины осуществлялось с помощью микроскопа МБС-2 и разработанного в Институте механики АН УССР стробоскопического микроскопа с фазосинхронизатором, позволяющим измерять длину трещины с точностью до 0,01 мм без остановки машины. Второй скоростной режим машины (5 Гц) ис­ пользовался для замера трещины на последней стадии разрушения образца, а также для испытания образцов при высоких уровнях за­ даваемых напряжений, что давало возможность полнее охарактери­ зовать особенности развития трещины перед началом спонтанного ее распространения.

изменением коэффициента оптического отражения поверхности об­ разца в местах прохождения трещины. Использование электрохими­ ческой бумаги позволило автоматизировать исследование кинетики усталостного разрушения материалов и создать новую программную ■испытательную машину. Режим работы этой машины зависит от стадии повреждения образца. Так, до появления первой усталостной макротрещины регистрирующие устройства машины не функциони­ руют. Появление на поверхности образца трещины, достигшей 0,2 мм, вызывает срабатывание специального сигнализатора, и ма­ шина автоматически переключается на режим записи, которая осу­ ществляется периодически через запрограммированные интервалы времени без прекращения испытаний. После того как трещина до­ стигнет критических размеров, машина автоматически останавлива­ ется. Более подробно метод записи трещины на электрохимической бумаге и конструкция испытательной машины описаны в работе [61].

Для определения площади усталостной трещины и скорости рас­ пространения ее в глубь материала при переменном изгибе в одной плоскости и кручении, а также при круговом изгибе применяли мето­ ды статического доламывания и окрашивания изломов при помощи проникающих красителей или периодического нагрева испытывае­ мого образца. Статическое доламывание образцов растяжением на различных стадиях развития усталостной трещины давало хорошие результаты, однако требовало большого количества образцов и за­ нимало много времени. Более экономичен метод окрашивания. В этом случае в качестве проникающего красителя применялся спиртовый раствор радомина «С», которым периодически, через фиксиро­ ванное число циклов нагружения, смачивали рабочую часть образца. Продвижение фронта трещины за время между каждым смачиванием хорошо просматривалось на изломе образца после его окончательного разрушения. Хорошие результаты были получены также при пе­ риодическом нагреве образца в печи. Прверхность трещины.при этом

окислялась, образуя после каждого нагрева след» по которому определяли скорость продвижения трещины и ее форму. В некото­ рых случаях применяли метод двухступенчатого чередования зада­ ваемых напряжений (а и 0,2а при длительности их действия п и 2,5п). В результате такого чередования напряжений на поверхности изломов оставались метки в виде хорошо различимых полос, соот­ ветствовавших продвижению трещины в глубину за время действия напряжения а. Аналогичное действие оказывало программное чере­ дование напряжений, после которого на изломе оставались следы, позволяющие определять скорость продвижения трещины в глубь опасного сечения образца.

Во всех этих случаях измерение глубины трещины осуществля­ лось с помощью микроскопа при сравнительно небольшом увеличе­ нии. Следует отметить, что наиболее четкие очертания фронта уста­ лостной трещины на изломе образца получались при комбинирован­ ном воздействии периодического изменения задаваемых напряжений и проникающего красителя, если последний наносился на поверх­ ность образца непосредственно перед переключением режима испы­ таний на низкое напряжение.

Перечисленные выше методы наблюдения за развитием усталост­ ных трещин давали возможность-фиксировать момент их появления, рост их длины или глубины и строить графики разрушения в коор­ динатах; относительная длина (глубина) — относительная длитель­ ность нагружения. Такие графики затем использовались для опре­ деления основных характеристик процесса усталостного разрушения материала, т. е. долговечности, начала образования усталостной трещины, скорости ее роста на различных этапах развития и продол­ жительности этих этапов. Полученные экспериментальные данные о развитии трещин позволили установить зависимость между их длиной на поверхности образца и глубиной. Эта зависимость оказа­ лась достаточно устойчивой и использовалась в дальнейшем для вы­ числения глубины трещины по ее длине, измерение которой значи­ тельно проще.

Определение скорости развития усталостной трещины осуществля­ лось также методом электронно-микроскопической фрактографии. С поверхности изломов разрушившихся образцов снимали реплики и на электронном микроскопе фотографировали места, характеризую­ щие последовательное продвижение фронта трещины за один цикл нагружения. По электронным фрактограммам производился расчет скорости развития трещины в зависимости от ее глубины.

Врезультате исследования усталостных трещин, развивающихся

внатурных коленчатых валах двигателей внутреннего сгорания при переменном изгибе, было установлено, что разрушение этой сложной детали начинается в зонах наибольшей концентрации

напряжений, т. е. в галтелях. В этом случае более удобным оказался метод косвенного наблюдения за развитием разрушения при помощи проволочных датчиков сопротивления. Датчики, изготовленные из константановой проволоки диаметром 30 мкм на бумажной основе с базой 10 мм и сопротивлением 100 Ом, наклеивались клеем БФ-4 на зачищенную площадку меньшей стороны опасного сечения щеки ко­ ленчатого вала. Увеличение напряжений в щеке с ростом трещины регистрировалось при помощи шлейфового осциллографа ТА-5. Благодаря удалению датчика от места появления первой усталостной трещины удавалось проследить практически весь процесс ее раз­ вития.

Исследование закономерностей накопления усталостного повреж­ дения в период, предшествующий появлению первой макротрещины, осуществлялось при изгибе и кручении образцов диаметром 8 мм путем наблюдения за изменением их микротвердости. Периодические измерения микротвердости на приборе ПТМ-3 при нагрузке 10 г в зоне ожидаемого разрушения и сопоставление ее с начальной микротвердостыо позволили получить данные об особенностях про­ цессов упрочнения и разупрочнения исследуемых материалов на первых стадиях усталостного разрушения.

Необходимо отметить, что при выборе метода наблюдения за на­ коплением повреждений и развитием трещин усталости особое внима­ ние уделялось проверке влияния его на получаемые результаты. Несущественность этого влияния в каждом отдельном случае обосно­ вывалась статистически по методу рангового анализа.

Обязательным условием применения рассмотренных выше мето­ дов исследования роста усталостных трещин является доступность поверхности объекта испытаний для прямого наблюдения или не­ посредственного контакта при наклейке датчиков и снятия реплик. Однако весьма часто трещины усталости развиваются в труднодо­ ступных местах, например в закрытых полостях металлоконструк­ ций, в галтелях сложных деталей, в образцах, испытываемых в малопрозрачных средах, и т. д. Для контроля за развитием усталост­ ных трещин в этих, достаточно часто встречающихся случаях в Институте механики АН УССР разработан новый метод, основанный на использовании волоконной оптики [52]. Идея этого метода со­ стоит в том, что изображение трещины, развивающейся на недоступ­ ных для наблюдения участках конструкции, передается при помо­ щи гибких волоконных световодов на экран, размещенный в месте, удобном для визуального наблюдения, фотографирования или ки­ носъемки. Для этой цели входной торец гибкого световода (жгута) изготавливается по форме исследуемой поверхности и до начала испытаний укрепляется в непосредственной к ней близости. Свобод­ ный торец световода выполняется в виде экрана и. выводится за пре­

делы испытываемой конструкции. Таким образом, входной торец световода может находиться в камере с моделируемой при испыта­ нии средой (вакуум, низкая температура, агрессивные среды) и совершать колебания совместно с исследуемым объектом, в то время как свободный торец остается неподвижным и доступен для обо­ зрения. Увеличение изображения трещины достигается применением фоконов или обычной линзовой оптики. При исследовании разруше­ ния вращающихся объектов или для получения изображения в опре­

для них условиях была установлена экспериментально путем испыта­ ний их на усталость [18]. Особенности структуры и механических свойств жгутов потребовали выработки специальных критериев их разрушения. Исходя из того, что с течением времени и наработкой числа циклов колебаний свойства жгута не должны заметно изменять^ ся, а передаваемое изображение не должно терять своей четкости, в качестве условного критерия разрушения была принята некоторая потеря первоначальной способности жгута передавать световую энергию. Такое изменение свойства жгута вызывается обрывом от­ дельных световодов и количественно может оцениваться числом воло­ кон, выбывающих из участия в передаче световой энергии.

Таким образом, для контроля за состоянием световодов доста­ точно в процессе их испытания вести микроскопические наблюдения за выходными торцами исследуемых жгутов и периодически фотогра­ фировать их после необходимого числа циклов нагружений. Сопостав­ ление получаемых при этом фотоснимков с исходным (который при фотографировании неповрежденного жгута представляет собою, мно­ жество светлых точек) и подсчет темных точек, появляющихся приразрыве или ином повреждении отдельных волокон, позволяет с до­ статочной точностью оценивать состояние жгута в целом.

Волоконные световоды испытывались на специальном устройстве,- состоящем из разъемного кольца с радиальными гнездами для креп­ ления жгутов, источника света, размещенного в центре кольца, и* вибратора, задающего линейные колебания кольцу в плоскостирасположения гнезд. Крепление жгутов в гнездах кольца осуществля­ лось так, чтобы входные их торцы находились в непосредственной близости к источнику света, а выходные (неподвижные) — на пово­ ротном предметном столе микроскопа для поочередного их фотогра­ фирования. При колебаниях кольца жгуты нагружались силами инерции собственной массы, направленными под углом, величина которого в зависимости от расположения жгутов в кольце менялась от 0 (продольные колебания) до 90° (поперечные колебания).

При выборе испытательных режимов учитывался диапазон час­ тот, свойственный машинам испытательного комплекса, т. е. от 25 до 100 Гц. Для сокращения времени испытаний режимы нагружения форсировались по. перемещениям, поэтому задаваемые амплитуды колебаний приблизительно в пять раз превышали эксплуатационные, а ускорения достигали 100g.

Анализ полученных результатов показал, что ни один из выбран­ ных форсированных режимов испытаний не оказался для световодов опасным и на базе 2 • 107 циклов не вызвал заметного их повреждения.

В настоящее время уже накоплен некоторый опыт использования волоконной оптики применительно к задачам изучения усталостного разрушения. Наиболее четкое изображение трещины наблюдается, если входной торец жгута находится в непосредственном контакте с поверхностью исследуемой детали. Однако такой контакт не всегда возможен (например, при вращении объекта исследования), поэтому в таких случаях между наблюдаемой поверхностью и торцом жгута выдерживают небольшой зазор. Опыт свидетельствует, что если этот зазор не превышает 0,3—0,4 мм, то четкость изображения трещины существенно не уменьшается даже в том случае, если деталь находит-

в малопрозрачной среде, например в машинном масле.

Такая возможность передачи изображения была использована при разработке устройства для исследования усталостного разруше­ ния вкладышей мощного транспортного дизеля в условиях его эксплуатации. Стекловолоконный жгут встраивался в коленчатый вал двигателя так, что входной торец его оказывался на 0,1 мм ниже поверхности коренной шейки. Для обзора всей поверхности вклады­ ша применялось стробоскопическое освещение выходного торца жгута, расположенного в центральной расточке вала, и фазосинхро­ низирующее устройство. Периодическое фотографирование изобра­ жения поверхности вкладыша позволяет проследить за всеми ста­ диями его разрушения и исследовать факторы, тормозящие или ускоряющие развитие этого процесса. Не менее успешно волокон­ ная оптика была применена для исследования усталостного разруше­ ния цилиндрических зубчаток планетарного редуктора, находяще­ гося в вакуумной камере. Возможность расплетать жгуты в средней их части на отдельные волокна, не снижая качества передаваемой информации, позволила вывести изображение профиля зуба и его рабочей поверхности за пределы вакуумной камеры, несмотря на предельную компактность конструкции, допускающей осмотр ис­ следуемой детали при помощи обычных средств наблюдения только после первой разгерметизации камеры и демонтажа редуктора.

В рассмотренных примерах волоконная оптика оказалась весьма эффективным средством повышения информативности получаемых результатов исследования усталостных разрушений натурных дета­

лей и позволила избежать моделирования условий их работы, ко­ торое не может обеспечить получение вполне достоверных опытных данных, так как всегда является лишь приближенным воспроизве­ дением эксплуатационных режимов. Применение волоконной оптики возможно также для изучения развития усталостных трещин в дета­ лях, работающих при высоких или низких температурах. В настоя­ щее время уже выпускаются жгуты, хорошо передающие изображе­ ние при температуре, достигающей 400° С В области низких темпе­

ния повреждений как при статическом [93, 170], так и при динами­ ческом [99, 156, 1761 нагружении. На рис. 3 дана схема облучения стеклопластика световыми потоками, подводимыми в различных по отношению к плоскости укладки волокон направлениях. Взаимо­ действие потока Ф0 со смолой и волокнами хорошо описывается тео­ рией рассеивающих (в частном случае — сильномутных) сред. Если на пути распространения света (потоки Ф| и Фп, проходящие вдоль армирующих волокон) встречаются участки структуры, об­ ладающие свойствами световодов, то светопропускание стеклоплас­ тика резко возрастает. Этот эффект может быть учтен на основе методов волоконной оптики [103].

Обычно разрушение стеклопластиков начинается с разрушения адгезионных связей между компонентами с последующим возникно­ вением многочисленных микротрещин. При этом накопление по­ вреждений происходит во всем напряженном объеме за счет увели­ чения количества микротрещин и расслоений. Развитие одной ил» нескольких магистральных трещин можно наблюдать только на стадии окончательного разрушения материала. Такой характер раз­ рушения стеклопластиков в значительной степени ограничивает