книги / Статическая выносливость элементов авиационных конструкций

значительно раньше достижения формального предела выносли­ вости и продолжается и после перехода через него.

Экспериментальная проверка действительного течения кривой выносливости непосредственным испытанием образцов на вынос­ ливость чрезвычайно затруднительна по следующим причинам. На низкихнапряжениях испытание оказывается очень длитель­ ным, а разброс результатов отдельных испытаний возрастает при этом во много раз, что требует увеличения числа образцов и тем самым растягивает эксперимент по времени. В результате этих затруднений при малом числе образцов достоверность вы­ водов сильно падает, а вероятность ошибки соответственно воз­ растает. Поэтому предел выносливости определяется на заранее назначенной базе по числу циклов, которое должно быть согла­ совано с ожидаемым сроком службы конструкции.

За последние годы, когда внимание к вопросам прочности конструкций при повторяющихся нагрузках сильно возросло, отмечаются случаи разрушения конструкций от усталости после многих лет эксплуатации при напряжениях, заметно более низ­ ких, чем предел выносливости сплава, определенный на базе 107 циклов. Подсчет числа циклов этой нагрузки в течение всего срока эксплуатации разрушенной конструкции дает много сотен миллионов циклов. Подобные факты разрушения конструкций тоже наводят на мысль о том, что предел выносливости, опреде­ ленный на базе 107 циклов, не может служить надежной исход­ ной характеристикой выносливости для очень значительных сро­ ков службы конструкции. В таких случаях необходимо специаль­ ное исследование вопроса о том, насколько нужно снизить зна­ чение обычного предела выносливости, определенного на базе 107 циклов, чтобы получить исходную позицию для определения срока службы конструкции.

2 . ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТЫ ПОВТОРЕНИЯ НАГРУЗКИ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ

Общие соображения

Частота повторения нагрузки определяет при принятой форме цикла два основных параметра, влияющих на разрушающее чис­ ло циклов: скорость нарастания и убывания нагрузки и время действия максимальной и минимальной нагрузок цикла за каж­ дый цикл. Если процесс уставания сплава сопровождается нара­ станием локальных пластических деформаций, как это описано в гл. I, то с уменьшением частоты повторения нагрузки должно наблюдаться уменьшение числа циклов нагрузки при разруше­ нии. За каждый цикл нагружения сплав теряет в этом случае большую долю своей способности к деформированию, чем в случае более частого повторения нагружения, когда пластиче­ ская деформация не успевает достичь полной величины. За один цикл при этом будет потеряна меньшая доля способности сплава к деформированию и общее число циклов при разрушении будет

72

больше. Приведенные соображения основываются на том допу­ щении, что каждый сплав при данной конфигурации и данном структурном состоянии образца обладает определенной способ­ ностью сопротивляться нарастанию повреждений при повторе­ нии нагрузки.

Для изучения влияния на выносливость сплава частоты по­ вторения нагрузки можно применить метод непосредственного сравнения кривых выносливости данного сплава, полученных при разной частоте повторения нагрузки. Испытательная маши­ на для таких сравнительных испытаний должна гарантировать надежность определения нагрузки при заданном режиме испы­ тания и независимость ее от частоты повторения нагрузки.

Рис. 74. Кривые выносливости в осях a—N, получаемые при разных частотах повторе­ ния нагрузки

Как показала мировая практика развития эксперимента по усталости сплавов, это требование можно выполнить далеко не на всякой машине. В 1902 г. английские исследователи Рей­ нольдс и Смит [21] провели обширные экспериментальные иссле­ дования влияния частоты повторения циклов нагрузки на вынос­ ливость железоуглеродистых сплавов тех марок, которые в свое время были исследованы основоположником систематических усталостных исследований А. Велером. Велер на своих усталост­ ных установках работал при частоте п=60-=-80 цикл[мин, так как в то время еще не было серийного производства современ­ ных электродвигателей для индивидуальных приводов испыта­ тельных машин, которые позволили значительно повысить число оборотов этих машин.

Основной вывод из работы Рейнольдса и Смита указывал на опасность повышения частоты, которая снижает выносливость сплава, т. е. предел выносливости. Последующими работами многих исследователей в разных странах была доказана оши­ бочность вывода Рейнольдса и Смита, которые не учли сил инер­

73

ции подвижных частей своей испытательной машины при изме­ нении частоты повторения циклов нагрузки.

В действительности оказалось, что повышение частоты по­ вторения циклов нагрузки сопровождается небольшим повыше­ нием предела выносливости. Многие исследователи считают воз­ можным пренебречь этим повышением и принимают, что вынос­ ливость не зависит от частоты повторения нагрузки. С таким общепринятым мнением нам пришлось встретиться, когда мы приступали к изучению влияния частоты. На рис. 74 представ­ лена предположительная схема относительного размещения кри­ вых выносливости какого-нибудь сплава в осях сг—N при разных частотах «.

Экспериментальные данные испытаний на изгиб при вращении

с ав=180 кГ/см2 в пределах принятой при испытании напряжен­ ности изменялось в пределах 1,43—1,54 (в среднем в 1,5 раза), для сплава с сгв= 6 0 кГ/см2— 1,76—2,4 (в среднем более чем в 2 раза) и для Д16-Т— 1,6—4,8 (в среднем в 3,5 раза). Влияние

74

частоты оказалось настолько значительным, что пренебрегать им нельзя. Если исходить из результатов, полученных из испы­ таний при высокой частоте, для решения вопросов прочности при нагрузках низкой частоты, то ошибка идет не в запас прочности. Приведенные результаты испытаний были первыми эксперимен­ тальными данными по проверке изложенных выше соображений о предположительном влиянии частоты на выносливость. Даль­ нейшие работы по изучению влияния частоты циклов были на­ правлены на выявление более общих закономерностей.

На рис. 76—77 приведены результаты подобных испытаний сплавов Д16-Т и В95 при разных коэффициентах К и разных частотах в диапазоне 15—2000 цикл/мин. Из этих данных следу­ ет, что в принятых пределах изменения параметров К и п общая закономерность для обоих сплавов сводится к тому, что с уве­ личением частоты число циклов при разрушении при данном ко­ эффициенте К во всех случаях увеличивается, и отношение N JN is с уменьшением К до значения 0,4 также растет.

На рис. 78 приведены результаты подобных же испытаний образцов из стали 25, которая часто применяется в общем ма­

шиностроении. Испытания проведены при К= ^П2£1= 0)67, где

<7в — временное сопротивление при растяжении. Вид кривой вы­ носливости показывает, что в левой ее части число циклов при разрушении нарастает очень интенсивно от rti = 15 до п2= =250 цикл/мин. Дальнейший подъем кривой резко замедляется. При частоте я4= 2000 цикл/мин получено число циклов N= =45 000 вместо 40 000, полученных при частоте /г3=500 цикл/мин.

Все приведенные данные представляют результаты испыта­ ний образцов с поперечным отверстием, вызывающим резкую

75

концентрацию напряжений. Это в свою очередь предопределяет сравнительно малый пластически деформируемый объем и ма­ лую затрату внешней энергии на нагревание образца, которое

Ч исло ц и к л о в п 8 м инут у

Рис. 78. Кривая зависимости выносливости стали 25 от частоты повторения нагрузки

простой методикой измерений обнаружить трудно. Чтобы обна­ ружить влияние более интенсивного нагревания при деформиро­ вании образца на его выносливость, форма образца была изме­ нена — его рабочая часть была сделана в виде тела равного сопротивления изгибу.

Рис. 79. Кривые зависимости выносливости стали 25 от частоты повторения нагрузки по испытаниям гладких образцов равного сопротивления изгибу

При такой форме образца (рис. 79) пластически деформи­ руемый объем увеличился во много раз и нагревание образца

76

оказалось весьма значительным — в несколько.сот градусов, так что на поверхности рабочей части образцов появились цвета по­ бежалости при частотах‘свыше «=500 цикл{мин. Диапазон ис­ пользованных при испытании частот был от nmin=15 до птах= =2800 цикл!мин. Испытания проведены на двух сериях образ­ цов при К = 0,61. Обе кривые выносливости (фиг. 79), построен­ ные в осях N—/г, имеют четко выраженный максимум в районе частот п = 200-^-500 цикл!мин. После максимума кривые спадают

коси абсцисс. Частоте 2800 цикл}мин соответствует разрушаю-

№Ж ГС Я бв=1Ю±ЮнГ/мм2

ТТТТГМ 1

- К п =2800 цикл/мин

стоте 15 цикл!мин. При этом образцы нагреваются j.o появления цветов побежалости на поверхности их рабочей части. Таким образом, количественное выражение влияния частоты на вынос­ ливость (по числу циклов) может быть очень различным, если повышение частоты сопровождается повышением температуры деформируемого объема.

Если бы это испытание было проведено только при частотах «min=15 и ttmax= 2800 цикл!мин, то сравнение разрушающих чисел циклов показало бы отсутствие влияния частоты. На са­ мом же деле влияние весьма значительно до 300—400 циклопин, но при дальнейшем повышении частоты оно нейтрализуется но­ вым фактором — нагреванием, которое превращает исходный сплав в сплав с совершенно иными механическими свойствами. Таким образом, не зная течения всей кривой от ит щ до /гтах, нельзя сделать правильного вывода только по результатам ис­ пытаний при крайних значениях частоты.

Испытания, подобные описанным выше, были проведены на образцах из стали ЗОХГСА с другой формой концентратора на­ пряжений — круговой проточкой V-образной формы с радиусом закругления донышка проточки р=1,5 мм (см. рис. 30 и 31).

77

Были испытаны две серии образцов, вырезанных из одного и того же прутка стали ЗОХГСА, при двух частотах /гх=20 и п2— =2800 цикл)мин. Одна серия была термически обработана до

<Тв=1Ю±10 кГ(мм\ другая — до ав=170±10 кГ}мм2. Результа­ ты испытаний приведены на рис. 80 и 81. Серия образцов с сгп = = ПО кГ1мм2 дает в среднем повышение разрушающего числа циклов, примерно, на 35%, а с сг„=170 кГ-!мм2 на 55% при по­ вышении частоты с 20 до 2800 цикл1мин. В одинаковых условиях при испытании разброс отдельных значений в каждой группе четырех-пяти образцов по отношению к среднему значению до­ стигает в серии с <Ув=1Ю кГ[мм2 от —7 до +46%, а в серии с

<тв= 170 кГ/мм2 от —10 до +35%.

Экспериментальные данные при симметричном кручении

Для изучения влияния частоты на выносливость при круче­ нии была использована усталостная машина на кручение (см. рис. 36), оснащенная для получения низкой частоты многосту­ пенчатым редуктором 4. Для получения высоких частот (1500 и 3000 цикл/мин) редуктор 4 заменялся входящим в комплект ма-

Рис. 82. Форма и размеры образца диаметром 8 мм для испытаний на кручение

шины электродвигателем с прямой передачей на шпиндель ма­ шины. При испытаниях применялись цилиндрические образцы диаметром 8 и 14 мм с утолщенными головками для зажима в машине (рис. 82 и 83). Одна половина образцов была с концен-

159

Рис. 83. Форма и размеры образца диаметром 14 мм для испытаний на кручение

78

тратором напряжений в виде поперечного круглого отверстия диаметром соответственно 2 и 5 мм, другая половина была без концентратора (гладкие образцы). Были исследованы сплав В95 и сталь ЗОХГСА в состоянии поставки (иц=62 и 82 кГ(мм2). Необходимо иметь в виду, что машина работает по принципу заданной деформации.

Z4-W*

ЗОКГСО-62 :Т" т «2

1

'1 1В95-Г-58' 1

Рис. 84. Результаты испытания на кручение спла­ вов В95-Т и ЗОХГСА в пределах частот. О— 500 цикл!мим

Так как разрушение образцов при испытании на кручение происходит очень медленно с постепенным нарастанием трещины усталости, то при работе по заданной деформации жесткость образца на кручение после начала образования трещины посте­ пенно падает. При этом крутящий момент, передаваемый на об­ разец, тоже падает.

Результаты испытаний приведены на рис. .84 и 85, где по оси1 абсцисс отложена частота циклов нагрузки, а по оси ординат —

79.

числа циклов, соответствующие разрушению образца (после марки сплава — временное сопротивление). Цифровые данные у конечных точек кривых представляют отношение разрушающе­ го числа циклов при максимальной частоте к числу циклов при минимальной, частоте. На рис. 84 /гт т = 8 цикл/мин для всех кри­ вых, а на рис. 85 rtmin= 8 цикл/мин только для образцов из В95 с концентратором (отверстием); для остальных кривых (рис. 85) Яшт~15 цикл/мин. Коэффициент напряженности при всех испы­ таниях /(=0,4. Как следует из данных, приведенных на рис. 84 и 85, и в случае кручения с повышением частоты циклов нагруз­ ки с 8 и 15 цикл/мин до 500—3000 разрушающее число циклов повышается в 1,5—2,5 раза.

Экспериментальные данные при осевом нагружении

Для проверки влияния частоты циклов нагрузки при осевых нагрузках была испытана одна серия образцов, изготовленных из одного прутка сплава В95 с временным сопротивлением <тв=56,5 кГ/мм2 (рис. 86) под зажимы, изображенные на рис. 57. Испытательная машина — вертикальный гидравлический пуль­ сатор на 5 Т (рис. 87), оснащенный дополнительно кольцевым динамометром с микроскопом и приспособлением для снижения частоты циклов нагрузки. Для крепления образцов в машине использовались зажимы, конструкция которых приведена на рис. 57. Результаты испытания на пульсирующее растяжение приведены в табл. 3.

Среднее 28200