книги / Экспериментальные исследования усталостного поведения материалов при многоосных циклических воздействиях

концентрация напряжений, шероховатость поверхности и т.п.) и вид напряженного деформированного состояния. Как правило, наличие в испытаниях перечисленных выше факторов приводит к снижению циклического ресурса материалов, что определяет необходимость проведения комплексных экспериментальных исследований при сложных термомеханических воздействиях.

Отдельным направлением исследований в области усталости материалов является исследование циклической прочности конструкционных материалов в условиях многоосного циклического нагружения. Для описания результатов таких испытаний строятся кривые усталости в виде зависимости циклической долговечности от некоторых введенных параметров напряженного состояния. В качестве параметров описания сложного напряженного состояния могут рассматриваться амплитуды максимальных касательных напряжений, интенсивности напряжений, главных нормальных напряжений и прочие эквивалентные напряжения. Для примера на рис. 1.17 и 1.18 приведены кривые усталости при растяжении, кручении и совместном действии растяжения и кручения для высокопрочной мартенситностареющей стали, построенные в виде зависимостей главных напряжений и максимальных касательных напряжений от числа циклов до разрушения.

Циклическое поведение конструкционных сталей и сплавов в условиях малоцикловой усталости имеет ряд особенностей по сравнению с многоцикловой усталостью, связанных с наличием максроскопических пластических деформаций в каждом цикле нагружения. Изучение процесса накопления повреждений в условиях малоцикловой усталости происходит при жестком или мягком режиме нагружения. «Мягкий» режим в процессе нагружения задается поддержанием постоянной амплитуды напряжения, а при «жестком» присутствует постоянная амплитуда полной или пластической деформации.

31

При циклическом нагружении в упругопластической области происходит образование петель механического гистерезиса (рис. 1.19), которые характеризуется следующими параметрами:

определяется как половина разности максимального и минимального значения напряжений (деформаций);

σ ε – размах напряжений (деформаций) в цикле, определяемый как удвоенная амплитуда;

ε – ширина петли гистерезиса (максимальная пластическая деформация в цикле);

– площадь петли механического гистерезиса (энергия пластического деформирования в цикле);

σ ε – коэффициент асимметрии в цикле, опреде-

ляется как отношение максимального значения напряжений (деформаций) к минимальному.

Рис. 1.19. Петля механического гистерезиса в координатах «напряжение – деформация»

33

По характеру изменения неупругих деформаций и напряжений в процессе циклического нагружения металлы и сплавы делятся на циклически упрочняющиеся, циклически разупрочняющиеся и циклически стабильные. Циклически упрочняющиеся материалы – такие, у которых ширина петли гистерезиса при мягком нагружении уменьшается, а максимальные напряжения цикла при жестком нагружении увеличиваются (рис. 1.20). В условиях мягкого нагружения для разупрочняющегося материала петля гистерезиса, наоборот, расширяется, а максимальные напряжения цикла при жестком нагружении уменьшаются (рис. 1.21). Существуют также циклически стабильные материалы, для которых напряжение и пластические деформации в процессе нагружения остаются неизменными. Для упрочняющегося материала режим жесткого нагружения приводит к разрушению быстрее, чем режим мягкого нагружения, в то время как для разупрочняющегося материала режим жесткого нагружения приводит к обратным результатам.

Рис. 1.20. Диаграммы деформирования циклически упрочняющегося материала при нагружении: а – мягком; б – жестком

34

2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ УСТАЛОСТНОГО ПОВЕДЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПРИ МНОГООСНЫХ ЦИКЛИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ В УСЛОВИЯХ МНОГОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ

Представлены результаты испытаний конструкционных сталей и сплавов (ЭП517Ш и Д16Т) в условиях сложного напряженного состояния, в том числе с использованием вспомогательных диагностических систем тепловизионного контроля и акустической эмиссии. Приведены экспериментальные данные о закономерностях механического поведения алюминиевого сплава Д16Т в условиях многоцикловой двухосной усталости при пропорциональном и непропорциональном нагружении. Показана зависимость статических свойств сплава Д16Т после предварительных циклических воздействий и зависимость циклических свойств от соотношения частот двухосного нагружения, от действия дополнительных статических воздействий по одной из мод двухосного нагружения (растяжение или кручение) и от соотношения между модами циклического нагружения. Приведены зависимости относительного количества сигналов акустической эмиссии от числа циклов при одноосной и двухосной усталости. Показаны диаграммы изменения температуры на поверхности образцов, полученных с использованием тепловизионной системы, при двухосном пропорциональном циклическом нагружении. Представлены фотографии усталостных изломов образцов при разных соотношениях между модами циклического нагружения и статических изломов после предварительных циклических воздействий при различных видах напряженно-деформиро- ванного состояния.

36

2.1. Закономерности усталостного поведения материалов при пропорциональном растяжении – сжатии с кручением

Пропорциональное нагружение является одним из наиболее простых случаев многоосного циклического воздействия, при реализации которого соотношение между компонентами тензора напряжений остается постоянным. Важным представляется исследование связи характеристик сопротивления усталости с величинами данных соотношений.

Проведена серия испытаний при различных соотношениях нормальных и касательных напряжений в цикле на образцах алюминиевого сплава Д16Т корсетного типа с диаметром рабочей части 5 мм (рис. 2.1) на универсальной электродинамической испытательной системе Instron ElectroPuls E10000. В процессе испытания осуществлялось управление по нагрузке с амплитудой

одноосное растяжение – сжатие составляла 30 Гц, кручение и совместное растяжение – сжатие с кручением – 3 Гц. Амплитуды нормальных и касательных напряжений определялись из сле-

дующего соотношения: σ σ 3τ .

Рис. 2.1. Фотография корсетного образца алюминиевого сплава Д16Т

Для определения амплитуд нормальных и касательных напряжений был введен параметр α, устанавливающий соотношение между модами циклического нагружения и характеризующий наклон траектории нагружения в пространстве напря-

37

жений σ – τ. Амплитуды нормальных и касательных напряжений определялись как

(рис. 2.2).

Рис. 2.2. Зависимость долговечности образцов сплава от величины параметра, характеризующего соотношение между модами циклического нагружения

Фрактографический анализ позволяет выявить направление распространения усталостной трещины в рабочей части образца. Картины изломов для различных соотношений между модами циклического нагружения существенно отличаются (рис. 2.3).

Испытания проводились при совместном использовании испытательной системы, аппаратуры инфракрасного тепловизионного анализа температурных полей FLIR SC7700M и регистрации сигналов акустической эмиссии Vallen-Systeme AMSY-6. На поверхность металлических образцов тонким слоем наносилась матовая краска черного цвета для устранения бликов на поверхности образцов с целью минимизации отражения от сто-

38

ронних источников тепла, что часто используется при проведении других видов испытаний с использованием систем инфракрасного термосканирования. В захватной части образцов была сделана выемка для крепления датчика регистрации сигналов акустической эмиссии. Датчик акустической эмиссии M-31

счастотным диапазоном 300–800 кГц и предусилитель AEP4

скоэффициентом усиления 34 дБ устанавливался на образце в неподвижном захвате испытательной системы (рис. 2.4).

Рис. 2.3. Типовые усталостные изломы образцов при двухосном

пропорциональном циклическом нагружении и значениях α:

а – 0; б – π; в – π; г – π; д – π

Рис. 2.4. Образец с покрашенной рабочей частью и установленным датчиком регистрации сигналов акустической эмиссии

39

В процессе циклических испытаний образцов производилась синхронизированная регистрация сигналов с использованием аку- стико-эмиссионной системы и системы термосканирования FLIR SC7700M (рис. 2.5). Пример снимка образца изображен на рис. 2.6.

Рис. 2.5. Установка оборудования при испытании алюминиевых образцов Д16Т на многоосную усталость при совместном использовании систем термосканирования и регистрации сигналов акустической эмиссии

Рис. 2.6. Снимок корсетного образца системой инфракрасного термосканирования в процессе циклического испытания

40