книги / Усталость металлов

шасси подчиняются функции биноминального распределения, в то же время нагрузки на крылья пассажирских и транспортных са­ молетов описываются функцией логарифма биномиального рас­ пределения. Тип программного циклического нагружения, ис­ пользованного Гасснером, показан на рис. 62. Гасснер устано­ вил, что на усталостную долговечность не влияет ни размер бло­ ка, ни увеличение числа уровней напряжения выше восьми. На результат может значительно влиять устранение низшего уровня напряжения, если даже он ниже предела усталости. В програм­ мных испытаниях образцов с отверстием из алюминиевого сплава исключение низшего уровня напряжения (действовавшего 80% от общего числа циклов) увеличило в 2—3 раза число циклов до

Рис. 62. Тип п ро гр ам м н о го циклического н агруж ен и я (л о ­ гари ф м бином инального р асп р е ­

А — блок нагружения с ^ <71 =

= 10е; L — низкоскоростной при­ вод усталостной машины (1—

30 об/мин)\ S — высокоскоростной привод (500—3000 об/мин)-, oQ max—

амплитуда максимального напря­

жения N0 — номер уровня напря­ жения

разрушения, даже если напряжение при этом уровне составляло только 5—6% от максимального действующего.

Каждое программное испытание включает несколько упро­ щающих допущений; например, периоды отдыха опускают, поло­ жительные и отрицательные циклы нагрузки объединяют, чтобы образовать полный цикл, а полные циклы нагрузки располагают в некотором регулярном порядке непрерывного ряда. Фрейденталь [241], спроектировавший машину, создающую напряжение различных амплитуд в произвольном порядке, показал, что по­ следовательность нагружения может влиять на результаты испы­ таний. Тем не менее, Гасснер, который провел много программ­ ных испытаний на деталях самолета и автомобиля, утверждает, что их результаты хорошо согласуются с долговечностью в рабо­ чих условиях.

Так как программные или спектральные испытания наиболее соответствуют рабочим условиям, интересно сравнить результа­ ты таких испытаний с линейным повреждением; значения накоп­ ленного циклового отношения, полученные из программных ис­ пытаний, приведены в табл. 23. Результаты, полученные при из­ гибе с вращением, большей частью дают накопленное цикловое отношение меньше 1, некоторые из значений являются действи­ тельно очень низкими, так что линейный закон повреждения дает завышенную оценку долговечности, часто с большим запасом.

112

Гладки е образцы

Со

* Принимается, что каждый максимум напряжения эквивалентен синусоидальному колебанию одной и той же максимальной амплитуды приблизительно при нулевой средней нагрузке.

Наибольшее расхождение имеет место в результатах, приведен­ ных Гасснером (239], вероятно потому что размах напряжения из­ меняется в широких пределах (см. рис. 62). Действие случайных высоких напряжений может быть достаточным для начала воз­ никновения усталостных трещин, которые могут затем распрост­ раняться при напряжениях ниже первоначального предела уста­ лости. Результаты программных испытаний при растяжении с асимметричным циклом отличаются от результатов испытания при изгибе с вращением. Для гладких образцов результаты ис­ пытаний алюминиевых сплавов хорошо согласуются с линейным законом повреждения, в то время как для образцов с надрезом и деталей накопленное цикловое отношение в среднем значительно выше единицы. Это объясняется положительным влиянием ос­ таточных напряжений, вызванных высокими нагрузками.

Можно сделать вывод, что линейный закон повреждения яв­ ляется полезной зависимостью для приблизительной оценки ус­ талостной долговечности, однако он не дает возможности надеж­ но определить долговечность для всех условий переменного на­ гружения. Несколько попыток было сделано, чтобы вывести не­ линейные законы [221, 248, 249], но ни один из них не удовлет­ ворял всему диапазону условий из-за сложного характера ус­ талостного процесса и влияния таких факторов, как остаточное напряжение и деформационное старение. Для практики, где на­ дежная оценка усталостной долговечности является существен­ ной, должны проводиться программные испытания натурных де­ талей или конструкций.

Влияние частоты циклического нагружения

Большинство машин работает при частоте между 500 и 10 000 циклов в минуту; в этом диапазоне частота испытания мало влияет на сопротивление усталости большинства материалов.

Вообще, наблюдается небольшое уменьшение предела уста­ лости с понижением частоты. Имеются два фактора, которые мо­ гут способствовать этому явлению. Во-первых, долговечность мо­ жет быть связана с величиной пластической деформации в про­ цессе каждого цикла изменения нагружения, при высоких часто­ тах это время мало для того, чтобы произошла деформация, так что результирующее повреждение может быть меньше. Этот эффект имеет более важное значение при высокой темпера­ туре.

Во-вторых, известно, что атмосферная коррозия снижает пре­ дел усталости некоторых материалов; более значительного по­ нижения следует ожидать при низких частотах. Другим факто­ ром является повышение температуры материала с повышением частоты из-за гистерезиса.

Для сталей частота 200—5000 цикл/мин не влияет на предел усталости, однако при повышенных напряжениях ее влияние ста­ новится значительным. Это иллюстрируется некоторыми резуль­ татами, опубликованными Вейсом (250] и приведенными в табл. 24. Испытания при пульсирующем растяжении с низкими

скоростями нагружения проводились на гидравлическом пульса­ торе Амслера усилием 10 г, а при высоких скоростях — на виб­ рофоре Амслера; база испытаний составляла 106 циклов. Резуль­ таты в конце таблицы показывают, что эффект частоты меньше для алюминиевых сплавов, чем для сталей. Подобный результат был получен Обергом и Траппом [166] при испытаниях алюминие­ вых и магниевых сплавов на изгиб с вращением с частотой 90 и 104 цикл/мин и Смитом [163] при испытаниях с осевым нагруже­ нием листовых образцов из алюминиевого сплава при 12 и 103 цикл/мин. При частотах выше 104 цикл/мин пределы устало­ сти вообще возрастают с ростом частоты. Испытания при очень высоких частотах вызывают экспериментальные трудности и по­ этому результатов исследований при этих частотах опубликовано мало. Частота 10е цикл/мин была достигнута в 1929 г. с помо­ щью пневматической резонансной системы [61]; в последние го­ ды также проводились испытания при высоких частотах [45, 60, 62]. Интерес к таким испытаниям возник в связи с тем, что высо­ кие частоты сокращают время испытаний и позволяют испы­ тывать непосредственно детали, такие как турбинные лопатки, подвергающиеся в рабочих условиях вибрациям при очень высо­ ких частотах,

i 16

надрез не влияет на предел усталости, Ко = 1, q = 0 и материал не чувствителен к надрезу. Однако установлено, что значение q зависит не только от материала, но также от напряженного состояния, размера образца или детали и долговечности, и q нельзя рассматривать как постоянную материала. Влияние надреза на предел усталости мягкой стали и алюминиевого сплава показано на рис. 65.

Форма надреза и распределе­ ние напряжения по минимально­ му сечению, определенное мето­ дом фотоупругости, показаны на

ба

рис. 66. Максимальное напряжение имеет место в вершине над­ реза и а = 3,5. Из рис. 65 видно, что для мягкой стали

л - т г г - 1-™- в то время как для алюминиевого сплава

Для образца, показанного на рис. 66, коэффициент чувстви­ тельности к надрезу для мягкой стали

и для алюминиевого сплава