книги / Развитие усталостных трещин в материалах и конструкциях

Использование известных методов оценки накопленного усталостного повреждения, поэтому возникает необходимость в обосновании иных, интегральных критериев поврежденности структуры всего контроли­ руемого объема материала.

Одним из практических путей изучения кинетики усталостного разрушения стеклопластиков является применение известных мето­ дов фотометрии, дающих не только качественную, но и количествен­

полным оптическим контактом между ними, наличием дефектов, микротрещин и т. д. При прохождении через такую среду оптиче­ ское излучение частично поглощается, трансформируясь в другие виды энергии, частично рассеивается на оптических неоднороднос­ тях и частично проходит через облучаемое тело. В результате часть Ф7 (диффузно отраженная) оптического излучения, рассеянная раз­ личного рода неоднородностями, возвращается в сторону облучаю­ щего потока. В противоположную сторону проходят потоки диффуз­ ного Фв, направленного Ф4 и направленно-рассеянного Фв пропус­ кания, аналогичные соответствующим потокам отражения. При значительной толщине стеклопластика и высоком содержании на-

полнителя коэффициенты направленного и направленно-рассеян­ ного пропускания весьма малы и в пропущенном излучении преоб­ ладает поток Фб, вызванный рассеиванием оптического излучения дефектами структуры.

Так как наибольшую информацию о внутренней структуре све­ торассеивающих сред и об ее изменении, вызванном циклическим нагружением материала, несет излучение, появляющееся вследствие

ра ФМ-58, построенный по принципу сравнения лучистых потоков, диффузно пропущенных испытуемым 5 и эталонным 16 (ненагружаемым) образцами. Облучающий поток создается осветителем, состоящим из стабилизатора переменного тока 1, лампы накалива­ ния 2 и конденсора 3 В измерительный блок входят диафрагмы 7 и 14, система отклоняющих призм 8, 9, 12 и 13, окуляр 11 и экран 10, по яркости полей которого производится сравнение диффузно пропущенных лучистых потоков.

Связь образцов с осветителем и измерительным блоком осу­ ществляется гибкими волоконными световодами 4, 6, 15 и 17, что позволяет производить измерения не только на неподвижном образ­ це, но и в процессе его нагружения. Измерения могут проводиться как в непрерывном спектре, так и в отдельных его участках благо­ даря имеющемуся в комплекте фотометра набору светофильт­ ров.

Результаты сравнительного измерения диффузно пропущенного и отраженного потоков при нагружении плоских образцов толщи­ ной 10 мм симметричным растяжением — сжатием представлены на рис. 7, где Ф — отношение оп­ тических характеристик, изме­ ряемых в конечный и начальный

периоды испытания, Nc — номер сечения образца по его длине. Рабочая часть образца имела прямоугольную форму и вклю­ чала сечения от 2 до 10. Таким образом, более контрастно меня­ ется диффузное пропускание, так как световой поток, проходящий через образец, встречает на своем пути большее число дефектов, чем поток, отраженный поверх­ ностными слоями. При умень­ шении толщины материала раз­ личие в результатах измерений уменьшается. Характер измене­ ния потоков обусловлен гради­

ентом температуры саморазогрева, которая по мере удаления от захватных устройств машины, способствовавших эвакуации тепла* повышалась.

§ 3. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ НЕСТАЦИОНАРНОСТИ НАГРУЖЕНИЯ НА РАЗВИТИЕ ТРЕЩИН УСТАЛОСТИ

Выше отмечалось, что машины испытательного комплек­ са дают возможность исследовать закономерности развития усталост­ ных трещин в образцах или натурных деталях как при стационар­ ных, так и при программных режимах нагружения. В тех случаях,, когда эксперименты проводятся с целью выяснения роли нестационарности нагрузок в развитии разрушения, исходными данными для составления испытательных программ должны служить резуль­ таты измерения нагрузок, воспринимаемых конструкцией непосред­ ственно в условиях ее эксплуатации. Таким образом, считается,, что составленная программа эквивалентна по вносимому поврежде­ нию эксплуатационному спектру нагрузок и что она является мо­ делью действительного процесса нагружения конструкции. Однако при составлении испытательных программ и их реализации обычно

возникают трудности, обусловленные недостаточной изученностью многих методических вопросов программных испытаний.

Так, например, в условиях эксплуатации большинства конструк­ ций превалируют напряжения ниже предела выносливости, которые

изменении внешних нагрузок появляется некоторое взаимодействие между напряжениями различной величины, активизирующее недо­ грузки, подключая их к участию в накоплении повреждения [16, 140]. Таким образом, возникает вопрос о том, какие амплитуды эксплуатационных напряжений следует включать в реализуемую испытательную программу, какие факторы влияют на нижнюю гра­ ницу повреждающих напряжений спектра, является ли эта гра­

Значительные трудности при обосновании испытательных про­ грамм возникают в связи с существенным различием параметров кривых усталости натурных деталей и лабораторных образцов. Нагружение образцов по программе, эквивалентной спектру эксплуатационной напряженности, не может вызвать их разруше­ ния, а форсирование программы пропорционально отношению пре­ делов выносливости хотя и сохраняет подобие спектров, но не обес­ печивает одинаковой интенсивности накопления повреждения на­ турной деталью и образцом [20].

Статистический анализ нагруженности многих ответственных кон­ струкций позволяет отметить, что в ряде случаев их эксплуатация сопровождается значительными, но весьма редко встречающимися перегрузками. При воспроизведении таких перегрузок в испытатель­ ных программах блочного типа появляются напряжения малой повторяемости. Реализация таких программ весьма затруднительна по техническим причинам, поэтому возникает необходимость поиска возможности замены таких перегрузок эквивалентными напряжения­ ми, которые легко воспроизводятся испытательными машинами. Нуждаются также в более обстоятельном экспериментальном обос­ новании вопросы правомочности замены случайных процессов экс­ плуатационного нагружения конструкции детерминированными ■процессами, реализуемыми испытательными машинами. Недоста­ точно изучены условия осреднения влияния последовательности чередования нагрузок при блочном программировании и влияние предыстории нагружения на характеристики разрушения и т. д.

Для решения многих методических вопросов могут быть исполь­ зованы машины испытательного комплекса, позволяющие прово­ дить сравнительные испытания при варьировании только режимов нагружения, исключая влияние на формулируемые выводы всех

других, не исследуемых факторов, участвующих в формировании ме­ ханических свойств испытуемых объектов.

Ниже кратко изложены разработанные методики исследования влияния нестационарности механической напряженности на раз­ витие разрушения, которые были использованы для накопле­ ния экспериментальных данных, содержащихся в настоящей моно­ графии.

Основная цель методических разработок состояла в том, чтобы найти достаточно надежный способ экспериментального исследова­ ния особенностей накопления усталостного повреждения при спектрах нестационарной напряженности, распространяющихся ниже исходного предела выносливости. Эти разработки велись на основе учета стадийности процесса усталостного разрушения и ана­ лиза влияния на него отдельных участков спектра, что в цитирован­ ных выше работах не рассматривалось.

Чтобы определить минимальные напряжения спектра, принимаю­ щие участие в начальной стадии разрушения, т. е. в образовании первой трещины усталости, необходимо при исследовании законо­ мерностей накопления усталостного повреждения исключить период испытаний, соответствующий стадии развития трещины, начиная с момента ее появления. Начало образования трещины само по себе достаточно неопределенно, и фиксация его бывает весьма затрудни­ тельна. Поэтому целесообразно использовать методику косвенного определения нижней границы повреждающих напряжений, пред­ усматривающую оценку влияния состава спектра по ресурсу мате­ риала, остающемуся после некоторой дозы спектрального нагру­ жения в течение определенного числа циклов, заведомо недостаточ­ ного для образования первой макротрещины.

Описание этой методики дается по рис. 8, где условно изображе­ ны исходная кривая усталости исследуемого материала / и один программный блок в виде восьмиступенчатой ломаной линии 2Г соответствующий спектру эксплуатационных напряжений и состав* ленный с учетом требований осреднения влияния последовательности чередования напряжений различной величины. Амплитуды напряже­ ний и числа циклов каждого уровня программного блока обозначе­ ны соответственно через сг1>2,з,... и /21,2,3 .... Таким образом, в данном случае основная часть напряжений спектра располагается ниже исходного предела выносливости и только три верхних уровня, <jlf а2 и (т3, являются перегрузочными и превышают предел выносли­ вости. Для определения нижней границы повреждающих напряже­ ний спектра, участвующих в образовании первой макротрещины, необходимо испытать на усталость несколько групп одинаковых образцов после предварительного спектрального их нагружения. Для каждой такой группы при внесении предварительного поврежде­

ния принимают свой программный блок, отличающийся от блоков предыдущих групп только числом ступеней. Так, если для первой группы образцов блок состоял из двух верхних уровней о1 и а2, то для второй группы к реализуемому блоку добавляется следую­ щий нижний уровень с3 и т. д. На рис. 8 штриховой линией изобра­ жены блоки одной из групп предварительно повреждаемых образ­ цов. Эти блоки состоят из четырех уровней напряжений, причем только один из них расположен ниже исходного предела выносли­ вости. Для получения более контрастных результатов желательно,

Рис. 8. Схема косвенного определения напряжений, участвующих в образовании первой усталостной трещины.

чтобы доза предварительного спектрального повреждения, выражен­ ная в числе блоков Я, составляла значительную часть числа блоков Ятр| необходимого для образования первой макротрещины и устанав­ ливаемого экспериментально путем программных испытаний не­ скольких образцов при воспроизведении полного спектра нестацио­ нарной напряженности. Степень участия нижних уровней спектра в накоплении вносимого таким образом повреждения оценивается по контрольному числу циклов Л/к, которое характеризует остающий­ ся ресурс материала и определяется при доламывании образцов на стационарном режиме при напряжении <тк, превышающем исходный предел усталости (прямая 5). Графическая интерпретация получае­ мых при этом результатов может быть представлена в виде кривых, построенных в координатах — NK, где о, — минимальное напря­ жение спектра, использованного для внесения предварительного повреждения. Такие три кривые для образцов с различной дозой, предварительно внесенного повреждения (1 > kx > k2 > k9) схема-

тично изображены на рис. 9. Очевидно, чем больше доза поврежде­ ния, тем левее будут располагаться кривые и тем рельефнее будет проявляться процесс убывания остающегося ресурса.

Если при проведении таких опытов принять, что первый повреж­ дающий спектр состоит из двух верхних уровней напряжений ог и <J2, a последний — из всех восьми уровней блока 2 (см. рис. 8), то экспериментальные точки будут располагаться в интервале, ограни­ ченном значениями минимальных напряжений а2 и а8. Для повы­ шения достоверности экспериментальных данных желательно, чтобы

скольких одинаково поврежденных образцов и чтобы отсутствие тре­ щин, которые могли появиться после предварительного нагружения, контролировалось при помощи микроскопа. Пока к очередным по­ вреждающим спектрам будут добавляться сравнительно высокие напряжения, остающийся ресурс, естественно, будет убывать, а контрольное число циклов — уменьшаться. Стабилизация контроль­

быть принято в качестве нижней границы повреждающих напря­ жений исходного спектра.

Отмеченное в работах [16, 140] повреждающее действие недогру­ зок оценивалось авторами по результатам испытаний на усталость образцов до их окончательного разрушения. Если считать, что в об­ разовании первой трещины усталости принимают участие не все напряжения, то, очевидно, часть спектра нестационарной напряжен­ ности, распространяющаяся ниже исходного предела выносливости, вносит свою долю усталостного повреждения только после того, как трещина уже появилась, т. е. в период ее постепенного развития.

Обоснованность такой трактовки роли малых напряжений спект­ ра в развитии уже начавшегося разрушения можно' установить

экспериментально путем ступенчатого нагружения образцов с пред­ варительно выращенными усталостными трещинами. Для этой цели несколько одинаковых образцов испытываются на усталость до по­ явления трещин заданной длины. Дальнейшие испытания осущест­ вляются по ступенчатой возрастающей программе, изображенной на рис. 10 и расположенной ниже исходного предела выносливости а_ 1. При проведении таких программных испытаний минимальное напряжение (cr/)min выбирается так, чтобы оно не вызывало разви­ тия ранее выращенной трещины. Продолжительность nt действия напряжений ot /-й ступени, а также приращение Аа( принимаются одинаковыми для всей программы. Если в пределах одной ступени длина трещины, за которой ведется наблюдение при помощи микро­

определять сгтр, при котором развитие трещины возобновляется. Описанная методика может быть применена для изучения влия­

ния степени разрушения материала на нижнюю границу поврежда­ ющих напряжений спектра. Для этого несколько групп одинаковых образцов предварительно испытываются до появления трещины заданной для каждой группы длины. Последующие испытания,

Следует иметь в виду, что одинаковое предварительное повреж­ дение в виде выращенной до определенных размеров усталостной трещины может быть получено в неодинаковых условиях, напри­ мер при нагружении образца различными по величине и длитель­ ности действия стационарными напряжениями, при действии одина­ ковых стационарных напряжений различной длительности, при асимметричном или спектральном нагружении и т. д. Влияние пре­ дыстории нагружения образца на нижнюю границу повреждаю­ щих напряжений спектра и на остающийся ресурс поврежденного материала, выраженный в числе циклов птр, также может быть исследовано путем наблюдения за дальнейшим развитием ранее выращенной трещины при программном нагружении по ступенча­ той схеме. Начальные напряжения первой ступени, заведомо недостаточные для возобновления роста предварительно полученной трещины, определяются экспериментально.

Более полную информацию о роли недогрузок в развитии уста­ лостного разрушения и о влиянии степени разрушения на нижнюю границу повреждающих напряжений спектра можно получить пу­ тем обычных стационарных испытаний на усталость нескольких

групп образцов, одинаковых по исходным данным, но различных по степени предварительно внесенного повреждения. Для повышения информативности получаемого при этом экспериментального мате­ риала желательно, чтобы число групп образцов, отличающихся только длиной предварительно выращенной трещины, было доста­ точным для выявления соответствующих закономерностей. Резуль­ таты таких испытаний (в том числе испытаний партии неповрежден­ ных образцов) используются для построения кривых усталости по началу роста трещины и по окончательному разрушению, которые дают возможность охарактеризовать влияние малых напряжений спектра, степени повреждения материала и предыстории нагружения на параметры кривых усталости и скорость развития трещин.

Выше отмечалось, что при составлении и реализации дискретных испытательных программ блочного типа могут возникнуть труднос­ ти в тех случаях, когда эксплуатационные спектры нестационарной напряженности содержат кратковременные, редко встречающиеся, но значительные перегрузки. Для изучения влияния таких пе­ регрузок на закономерности развития усталостных трещин может быть применена методика, предусматривающая испытание двух партий одинаковых образцов, нагружаемых по различным програм­ мам. Первая партия образцов нагружается по программе, соответ­ ствующей полному спектру эксплуатационных напряжений с вос­ произведением редко встречающихся перегрузок. При испытании второй партии образцов редко встречающиеся перегрузки из про­ граммы исключаются или заменяются напряжениями последующегоуровня реализуемой части блока. Продолжительность действия этих напряжений определяется расчетом в предположении справед­ ливости линейного закона суммирования усталостных повреждений. Сопоставление графиков разрушения двух партий образцов позво­ ляет охарактеризовать влияние кратковременных перегрузок на параметры каждой стадии разрушения и оценить возможность рас­ четной их компенсации. Проведение исследований по описанной методике возможно на двухскоростной испытательной машине МИП-8М, обеспечивающей переключение режима нагружения в пре­ делах одного цикла.

Оценка влияния последовательности приложения нагрузок раз­ ной величины на развитие усталостного разрушения может быть осуществлена путем испытания образцов при воспроизведении про­ граммных блоков, одинаковых по емкости и по относительному по­ вреждению, вносимому напряжениями каждого уровня, но сущест­ венно отличающихся последовательностью чередования нагрузок. Конечной целью таких исследований должно быть определение ми­ нимального числа программных блоков, при котором долговечность образцов перестает зависеть от формы блока.