книги / Многоцикловая усталость при переменных амплитудах нагружения

ность нелегироваппой стали окажется выше. При при­ менении более прочного материала, зарекомендовавшего

ротивляемость распространению трещины и снижается остаточная прочпость в надрезанпом сечении. Эти свой­ ства исключительно неблагоприятны на практике, так как даже небольшой надрез, который не всегда может быть вы­ явлен при коптроле, особенно па толстых сечениях, очень сильно снижает значение разрушающей нагрузки. Приме­ нение современных высокопрочных материалов для цикли­ чески нагруженных конструкций оказывается' успешным только в том случае, если оно сопровождается тщательным

материала на его циклическую прочность также уделяется особое внимание. При современных способах производства металлов, включающих такие операции, как плавка, разлив­ ка, в материале образуется ряд включений, неплотностей, аномалий, которые даже после горячей деформации влияют на механические свойства и тем самым на циклическую проч­ ность. Неметаллические включения в зависимости от их механических и теплофизических свойств, формы, размера, распределения являются концентраторами напряжений и соз дают поля остаточных напряжений.

Эти факторы особенно сильно сказываются на высоко­ прочных материалах, поскольку в них при пластической деформации локальные остаточные напряжения либо не уменьшаются, либо уменьшаются незначительно. Умень­ шить степень влияния включений на долговечность можно путем прокатки, в результате чего хрупкие включения дро­ бятся на мелкие части, а пластичные вытягиваются в волокна.

С помощью термической обработки можно в широких пределах изменять структурное состояние и механические свойства сталей. При сравнении нормализованной, нормали­ зованной с перегревом, отпущенной па мартенсит и отпу­ щенной па мартенсит с ферритом структуры видно, что пре­ делы выносливости нормализованной с перегревом струк­

ховатость поверхности также заметно влияет на сопротив­ ление усталости. Предел выносливости увеличивается по

мере улучшения качества поверхности и вообще выше, ког­ да направление обработки параллельно действию напряже­ ния. Однако трудно определить, в какой степени данный эффект зависит от концентрации напряжений вследствие поверхностных неровностей, так как при поверхностной об­ работке возникают наклеп и остаточные напряжения. Этим, вероятно, объясняется более низкий предел выносливости электрополированных образцов по сравнению с механичес­ ки полированными, несмотря на более гладкую поверхность первых.

О с т а т о ч н ы е н а п р я ж е н и я . Кроме остаточ­ ных микронапряжений, являющихся следствием неоднород­ ности микроструктуры, следует учитывать остаточные мак­ ронапряжения, возникающие при обработке и часто созда­ ваемые преднамеренно. Остаточные напряжения возникают почти при всех способах обработки поверхности. Когда на­ пряжения на поверхности оказываются растягивающими, внешняя нагрузка скорее вызывает повреждение, чем при наличии остаточных сжимающих напряжений. Часто для повышения циклической прочности применяют поверхност­ ную механическую обработку, например дробеструйную, а также азотирование или цементацию. Поскольку с помощью пластической деформации можно понизить остаточные на­ пряжения, эти способы обработки поверхности имеют зна­ чение только лишь в отношении предела выносливости. В области ограниченной выносливости их действие заметно ослабляется. Сжимающие остаточные напряжения могут возникать на поверхности детали, если после сильного на­ грева ее быстро охладить. Большой эффект можно получить для деталей из алюминиевых сплавов, имеющих концентра­ цию напряжений Г180].

Эксплуатационные факторы. К эксплуатационным факто­ рам относятся параметры среды, в которой работает деталь и

оценка циклической прочности затрудняется вследствие процессов ползучести, особенно при испытании на усталость асимметричными циклами нагрузки.

Изменение циклической прочности при повышении тем­ пературы аналогично в общих чертах изменению таких ме­ ханических характеристик, как предел текучести и времен­ ное сопротивление. Она уменьшается с повышением темпе­ ратуры и, наоборот, возрастает с ее понижением. Однако в тех интервалах повышенных температур, где процессы скольжения затруднены, циклическая прочность возраста­ ет, как, например, в области синеломкости углеродистых

сталей. Этот эффект объясняется динамическим взаимодей­ ствием между скользящими дислокациями и атомами угле­ рода и азота, приводящим к затруднению процессов пласти­ ческой деформации в ферритных зернах. Повышение вынос­ ливости сталей при низких температурах связывается с зависящей от температуры составляющей напряжения тече­ ния в феррите.

Сповышением температуры горизонтальный участок но кривых усталости исчезает, что свидетельствует об отсутст­ вии физического предела выносливости. Для каждой группы металлов и сплавов имеются свои предельные температуры, выше которых характеристики прочности, в том числе и предел выносливости, резко снижаются. При температурах до 400—500 °С используются теплоустойчивые ферритные стали, при температурах до 600—700 °С — аустенитные ста­ ли и при температурах до 1000 °С — сплавы на основе ни­ келя и кобальта.

Наиболее существенный рост предела выносливости в об­ ласти низких температур имеет место для углеродистых сталей. Для надрезанных образцов это увеличение менее существенно, чем для гладких.

Ср е д а . Срок службы металла при циклическом дефор­ мировании в итоге определяется скоростью роста трещины. Поскольку усталостпая трещина распространяется из об­ ласти концентратора на поверхности в глубь материала,

окружающая среда вступает в контакт с ее поверхностью и посредством химических и физических механизмов влияет на процесс ее развития. При понижении давления от атмо­ сферного до глубокого вакуума циклическая долговечность металлов при одной и той же нагрузке возрастает на один-два порядка. В условиях нормального атмосферного давления более низкое значение циклической долговечности объясня­ ется воздействием паров воды и кислорода, которые созда­ ют адсорбционные и оксидные слои на поверхностях трещины. Однако понижать долговечность могут и жидкие среды.

При наличии коррозионных сред, к которым может быть отнесена пресная вода, морская и др., сопротивление уста­ лостному разрушению резко снижается.

Коррозионному воздействию среды могут подвергаться даже такие материалы, которые без циклической нагрузки являются коррозионно-стойкими. Типичным для влияния коррозионной среды является исчезновение горизонтально­ го участка на кривой усталости. Поэтому при воздействии коррозионных сред нельзя проводить расчеты по пределу выносливости, как это делается в случае усталости на воз­ духе. При совместном действии коррозии и переменных

6,мпа

по

120

wo

80

SO

Рис. 14. Регрессионная обработка результатов усталостных испытаний и построение кривых усталости по параметру вероятности разрушения:

2 — линия регрессии, медианная припая усталости; г — 90 %-ные доверительные

цня).

пне в циклической долговечности ие может быть объяснено только погрешностями при задании нагрузки (ошибки силоизмерения, перекос при установке в захватах, вариация размеров опасного сечепияи т. п.) и обусловлено в основном микроструктурной неоднородностью материала и локальным характером зарождения и развития усталостного поврежде­ ния.

В качестве примера на рис. 14 приведены данные уста­ лостных испытаний образцов с концентратором из алюмини­ евого сплава Д16АТ. Представленные на рисунке данные показывают достаточно типичное рассеяние долговечностей, наблюдаемое при испытаниях металлических конструкци­ онных материалов. Во многих случаях разброс долговеч­ ностей па одном уровне напряжений превышает десятикрат­ ный. Для интерпретации получаемых при усталостных испытаниях результатов применяют различные методы, вы­ бор которых зависит от цели испытаний, объема данных (число испытанных обраацов), априорных сведений о форме кривой усталости и от способа вероятностного описания рас­ сеяния долговечностей. Простейший способ обработки та­ кой совокупности экспериментальных данных заключается в построении осредненной кривой усталости графическим способом или по способу наименьших квадратов (160]. Эти

по единой методике на каждом из 4—6 уровней напря­ жений испытывают не менее 10 одинаковых образцов та­ ким образом, чтобы на минимальном уровне напряжений до базового числа циклов разрушалось примерно 5—15 % испытываемых на этом уровне образцов, а на следующем (в порядке возрастания) — около 40—60 %. Максимальный уровень напряжения выбирают с учетом требования на про­ тяженность левой ветви кривой усталости (для многоцикло­ вой усталости должно быть N > 5 104). Оставшиеся уров­

ни распределяют равномерно между максимальным и мини­ мальным уровнями напряжений.

Результаты этих усталостных испытаний обычно обра­ батывают таким образом, чтобы вначале построить кривые

распределения долговечности (результаты испытаний на од­ ном уровне напряжений дают одну кривую распределения долговечности). Для этого значения долговечностей Ni для

образцов одного уровня напряжений располагают в вари­ ационный ряд Ni ^ N 2 ^ ...<I N n в порядке возрастания

долговечности. Кривые распределения долговечности (рис. 15) строят на нормальной вероятностной бумаге (или на вероятностной бумаге распределения Вейбулла или друго­ го закона распределения) [68], по оси абсцисс откладывают

в указанном вариационном ряду, а п — общее число образ­

цов, испытанных на данном уровне напряжений (на рис. 15 представлены результаты тех же экспериментов, что и на рис. 14). Если на рассматриваемом уровне напряже­ ний разрушились не все образцы, то строят только ниж­ нюю часть кривой распределения (до базовой долговеч­ ности).

Совокупность кривых распределения долговечностей для разных уровней напряжений обрабатывают с целью постро­ ения кривых усталости Np (а), соответствующих вероятно­ сти разрушения Р, где иод Np (а) понимают число циклов

нагружения (характеризующихся амплитудой или макси­ мальным напряжением цикла а), для которого вероятность разрушения образца равна Р . Графические зависимости Np (а) называют кривыми равной вероятности разрушения,

а иногда короче — квантильными кривыми усталости. Для построения Np (а) по кривым распределения долговечности

поступают следующим образом. По заданной вероятности разрушения Р , пользуясь графиками кривых распределе­ ния, находят долговечности, соответствующие вероятности

распределения долговечностей логарифмически нормально­ го закона), что осредпенная кривая усталости, получае­ мая интерполированием результатов небольшого объема ис­

среднее значение логарифмов числа циклов до разрушения. Представление результатов усталостных испытаний в виде кривых усталости равной вероятности разрушения приме­ няется при определении долговечности или ресурса с уче­ том их вероятностного разброса.

Результаты эксперимента, на основании которых постро­ ены кривые усталости равной вероятности разрушения, ис­ пользуются и для определения распределения предела вы­ носливости для заданной базы испытаний. Такое представ­ ление характеристик сопротивления усталости дополняет пред­ ставление результатов в виде квантильных кривых усталости и имеет самостоятельную ценность при определении допу­ скаемых напряжений или коэффициентов запаса прочности. Для построения распределения предела выносливости стро­ ят кривые распределения долговечностей для шести уровней напряжений, по ним строят кривые усталости для вероят­ ностей разрушения Р, равных 0,01; 0,1; 0,3; 0,5; 0,7; 0,9; 0,99. По этому семейству кривых усталости с помощью вер­ тикальной прямой, проходящей через значение N — выбран­

ной базы испытаний, па ходят значения пределов выносли­ вости для разных вероятностей разрушения. Если это не­ обходимо, допускается графическая экстраполяция кривых усталости, соответствующих малым вероятностям разруше­ ния. Найденные значения пределов выносливости наносят на нормальную вероятностную бумагу. Через полученные

ния долговечностей при определении предела выносливости, рекомендуют выбирать следующим образом [110]. Выбира­ ют самый высокий уровень напряжений — 1,3—1,5 средне­ го значения предела выносливости. Остальные уровни вы­ бираются так, чтобы на среднем уровне разрушалось около

няется метод ступенчатого изменения нагрузки (вверх — вниз) [160]. Испытания проводят на нескольких уровнях, соседние уровни напряжений а* различаются на постоянную величину До, которая выбирается в диапазоне 0,5—2,0 $0/?. В зависимости от того, разрушился или не разрушился образец, испытанный на предыдущем уровне напряжений, следующий образец испытывают на соседнем, соответственно меньшем или большем уровне. По формулам, приведенным в работе [161], рассчитывают од и saR. Для надежного опре­ деления sOR необходимо примерно 30 образцов, для опреде­

ления Од достаточно около ДО образцов. При меньших объе-

мах испытаний могут быть использованы таблицы дли опре­ деления crR, приведенные в работе [237].

Для графического построения кривых усталости по па­ раметру вероятности разрушения необходим большой объем усталостных испытаний. С целью уменьшения числа образ­ цов, необходимых для построения кривых усталости, целе­ сообразно решить вопрос о виде распределения долговеч­ ности N при заданном уровне нагрузки о, что позволяет

ограничиться определением по экспериментальным данным только небольшого числа параметров выбранного распре­ деления. Для описания распределения долговечности пред­ ложено применять логарифмически нормальное, Вейбулла, диффузионное (обратное нормальное), Бернштейна и другие

При небольших SI,.JV можно приближенно полагать Е (N) »

Проверить соответствие эмпирического распределения логнормальному можно с помощью критерия согласия X2

Пирсона, требуемый объем выборки примерно 50 и более. При небольших объемах выборки можно применить простой критерий Дэвида, согласно которому вычисляется отноше­ ние размаха выборки к оценке средного квадратического отклонения и сопоставляется с табличным критическим [68]. Очень часто используется графическая проверка с помощью вероятностной бумаги, основанная на том, что распределе­