книги / Усталость металлов

Материал

заклепок	Вид
или	соединений
болтов

		Характеристика соедине
Число рядов заклепок или болтов	Расстояние между ряда­ ми в мм	Шаг закле­ пок или бол­ тов в мм	Тип заклепки или болта	Диаметр в мм

						Клепаные
DTD546B	DTD327 Двухсрезный		2	19.1	19.1	Штампо­	4.8
плакирован­		стык				ванная
ный (Al-Cu);						головка
искусствен­
ное старение
DTD687A	DTD327	То же	2	19.1	19.1	То же	4.8
плакирован­
ный
(Al-Zn-Mg)
DTD610B			2	19.1	19.1		4.8
плакирован­
ный (Al-Cu);
естествен­
ное старение
24S-T пла­	17S	Внахлестку	2	20,1		Штампо­
					20,1	ванная	3,05
кированный			2	20,1	13,2	головка	3,05
(Al-Cu)			2	20,1	9,9	То же	3,05
24S-T пла­			2	20,1	26,7	»	6,35
			2	20,1	20,1	»	6,35
кированный			2	20,1	20,1		3,05
(Al-Zn-Mg)			2	20,1	13,2	»	3,05
			2	20,1	9,9	»	3,05
			2	20,1	26,7	»	6,35
24S-T пла­	17S-T	Гладкий	2	20,1	20,1	»	6,35
			—	—	—	—	—
кированный		лист*		—
(Al-Cu)		Внахлест­	1		12,7	Утоплен­	3,2
		ку**				ная
		То же	2	12,7	12,7	То же	3,2
		»	3	12,7	12,7	»	3,2
		Внахлестку	1		12,7	»	3,2

с прокладкой длиной 76,2 мм, толщиной 7,25 мм

штифтовых соединений листов из алюминиевого сплава

.Предел усталости при осевом нагружении по полному сечению в кГ/мм*

§ 1

м

			U						я
я И			*	г					я
					10*	10»	10е	10»	я
S Л	f S		П	°					я
				Я					о
	о	я	с*,ч						н
а *									и
	Н	ч	t>	к					к

соединения

115 26

115 — 26,8 8,324,8,32

11.754,6,28

115

26,8

8,95±8,95

160	0,79	28.3
160	0,79	33,9
160	0,79	31.4
160	3.0	25.0
160	3 0	32.4
160	0,79	26.4
160	0,79	39,8
160	0,79	40.7
160	3.0	23.8
160	3.0	31.0	31,44,13,5
		47.5
115	1,02	18,25	9,5±4,71
115	1,02	32,6	18,84:8,63
115	1,02	35,3	20,4±8,63
115	1,02	17,55

4.254,4,25 2,67±2,67 — [495]

8,654,3,14

3,2±3,2 7,86 ± 2,83

4,71±4,71 2,364,2,36 1,88±1,88 8,654,3,14

7,554:5,81	7 ,55±2,36	7,554,1.57	[496]
6,94,6,75	6,94,2,98	6,9±2,04
6,94,4,08	6,124,3,3	6,124-2,2
	6,94,1,57	6.94.0. 94
6,13±3,93	6,134,1,57	6,13±0,94
7,554: 3,77	7,55±1,73	7,554,1,26
6,94±4,56	6,94,2,36	6,944,1,89
6,134-5.66	6,134,2,67	6,13±1,89
6,94-3,14	6,94,1,41	6.94.0. 94
6,134,2,89	6,13±1,41	6,134,0,94
28,2 ± 12,55	17,3±7,85	15,74,6.75
6,75±2,82	3,614,1,25	2,984; 1,25	[497]
9,744,4,23	5,35±2,35
11,454,4,87	6,64:2,82
Ю ,8±4,71	7,394,3,14	5,964-2,52

Материал

заклепок	Вид
или	соединений
болтов

		Характеристика соедине
Число рядов заклепок или болтов	Расстояние между ряда­ ми в мм	Шаг закле­ пок или бол­ тов в мм	Тип заклепки или болта	Диаметр в мм

24S-T пла­	Односрезный	2		12,7	Утоплен­	3,2
кированный	стык	2	—	12,7	ная	3,2
(Al-Zn-Mg)	Двухсрезный				То же
	стык
	Многократ­
	ная дуговая
	сварка
					Болтовые
24S-T пла­	Сталь Внахлестку	1	—	1	—	9,5
кированный		2	38,1	Только	—	9,5
(Al-Cu)		1	—	один	—	9,5
		2	38,1	В ряд		9,5
		3	38,1		—	9,5
		2	38,1	38,1	—	9,5
		3	38,1	38,1		9,5
					Штифтовые
DTD 610В	Двухсрезное		Накладка
плакирован­	стыковое		длиной
ный (Al-Cu);	соединение		56 мм
естественное	со штифтами
старение	Штифтовое		Перекры­
75S-T пла­
кированный	соединение		тие в мм:
(Al-Zn-Mg)	внахлестку		12.7
			30,5

49.7

12,95

20.8

36,3

12,43

20,8

фБез соединения.

**Типы соединения, испытанные Расселом и др., показаны на рис. 128.

ния
Ширина листа в мм	Толщина листа в мм
115	1,02
115	1,02
115	1,02

§ i		Предел усталости при осевом нагружении по полному
			сечению в кГ/мм2
С	д
N U
2	5
*	S	10*	10»	10»	10»
и	к
0 . 4
®о
t>	С
18,7			1 0 , 3 5 ± 4 , 4	7 , 8 5 ± 3 , 4 5	6 , 7 5 ± 2 , 8 2 [497]
27,5			1 3 , 0 ± 5 ,6 5	9 , 4 2 ± 4 , 0 8
36,1		2 5 ,0 ± 11,0	2 0 , 4 ± 8 , 8	1 4 , 9 ± 6 ,4 3	1 4 ,1 ± 6 , 12

соединения
38,1	2,59	24,7		5,97±3,47	2,98±1,72	[498]
38,1	2,59	34,8	5,97±3,62	7,37±4,4	3,77±2,2
38,1	9,5			31,4 ± 1,89	1 ,8 9 ± 1 ,1
38,1	9,5		8,92±4,71	5,93±2,36	2,524:1,41
38,1	9,5		11,0±6,6	5,19±2,98	2,83±1,73
115	9,5		8,5±5,03	4,56±2,67	2,83±1,73
115	9,5		10,85±6,45	5 ,2 ± 3 ,14	3,46±2,04
соединения
115	10	33,8		6,6±6,6	4,71±4,71	[495]
				11,63 ± 6,28	Ю,0±4,71
				16,8±6,28	Н ,4±3,93
25,4	2,05	15,7	0 - -11	0—5,5	0—3,3	0--2,52
25,4	2,05	34,6		0—7,07	0—4,72	0--3,46
25,4	2,05	48,0	0 - -17,9	0—9,42	0—5,97	0 - -4,25
25,4	1,27	21,2	0 - -8,32	0—5,81	0—3,93	0 - -3,14
25,4	1,27	29,1	0 - -10,85	0—7,07	0—5,03	0 - -4,25
25,4	1,27	53,5	0 - -18,85	0—11,13	0—7,23	0 - -5,35
25,4	0,837	33,8	0 - -11,6	0—8,16	0—5,35	0 - -3,78
25,4	0,837	40,8	0 - -13,96	0—8,95	0—5,82	0 - -3,93

изготовления заклепочных отверстий также мало влияет на сопротивление усталости. Результаты их испытаний в зависимо­ сти от среднего напряжения цикла показали хорошее соответст­ вие зависимости Гудмана. Результаты испытаний клепаных сое­ динений из алюминиевых сплавов приведены в табл. 60 [673]. Пределы усталости рассчитаны по полному сечению листа или пластины, так что можно сделать непосредственное сравнение

	У					ж
			У т			ж
	•)		» )			о
Рис. 128. Типы заклепочных соединений, испытанные				Расселом и др.
[497]:
а —однорядное внахлестку; б — двухрядное			внахлестку;	в —	трехрядное
внахлестку; г — штифтовое внахлестку;	д	— односрезное в		стык;	е	— двух-
срезное	в	стык.

несущей способности заклепочных соединений с различным ша­ гом или заклепочных, сварных или штифтовых соединений. Дета­ ли соединений включены в таблицы, что позволяет ограниченные пределы усталости рассчитать по сечению нетто.

Для алюминиевых сплавов влияние среднего напряжения цик­ ла на предел усталости заклепочных соединений определялось в пределах относительно узкого диапазона. Результаты, получен­ ные Килсей и Спунер [495] (табл. 62), соответствуют приблизи­ тельно зависимости Гудмана, но результаты, полученные Рассел­ лом и др., показали небольшое понижение размаха предела уста­ лости при пульсирующей нагрузке с повышением среднего напряжения цикла. Их результаты показаны на рис. 129. Они ил­ люстрируют низкое сопротивление усталости заклепочных соеди­ нений по сравнению с гладкими образцами.

Влиянию конструктивных факторов на сопротивление устало­ сти заклепочных соединений листов из алюминиевого сплава уделялось значительное внимание. Метод клепки имеет некото­ рое влияние, и Гровер, Гордон и Джексон [135] установили, что на понижение предела усталости наибольшее влияние оказывает

244

пробивание отверстий, затем прокалывание отверстий, сверление отверстий, обработка отверстий под утопленную головку. Они также утверждают, что соединения на заклепках с круглыми головками лучше по сравнению с соединениями на заклепках с плоскими головками, но Гартман [500] не нашел разницы при больших долговечностях. Сопротивление усталости возрастает с уменьшением шага заклепок. Гартман и Классен [496] рекомен­ довали выбирать отношение шага к диаметру заклепки около 3,

Рис. 129. Диаграмма R — M для гладких и клепаных листов из алюминиевого сплава [497].

Все испытания проводились на листах толщиной			1 мм. Гладкие образцы имели шири­
ну 25 мм;	напряжения определялись	по брутто	сечению: /	— 75S-T, гладкий	лист;
2 — 24S-T,	гладкий лист; 3 — 24S-T,	клепаное	соединение;	4 — 75S-T, клепаное	сое­

динение

но оптимальное отношение, по-видимому, экспериментально не

определялось.	возрастает	с увеличе­
Сопротивление усталости также
нием числа рядов заклепок и с	увеличением	расстояния
между рядами [501].

Соединения внахлестку улучшаются усилением, но пока оста­ ются хуже стыковых, соединений. Из табл. 62 видно, что штифто­ вые соединения могут иметь лучшее сопротивление усталости, чем заклепочные.

Болтовые соединения

Во многих отношениях усталостные свойства болтовых соеди­ нений подобны свойствам заклепочных соединений и на сопро­ тивление усталости влияют одни и те же факторы. Это иллюст­ рируется некоторыми результатами, включенными в табл. 61 и 62. Однако при плотно посаженных болтах значительная часть

245

Рис. 130. Болтовые соединения из алюминиевого сплава [504].

Диаметр болтов 12,7 мм

Т а б л и ц а 61

Сопротивление усталости болтового соединения из алюминиевого сплава 75S-T6 [504] (см. рис. 130)

		Долговечность
Соединение		при 7257	+	при 7257±
		±2419,82	кГ	±4844,18 кГ
Односрезное	(рис. 130, а)	42 000		_
Двухсрезное	(рис. 130, б)	3 427 000		—
Простой скос (рис. 130, в)		210 800		55 000
Двойной скос (рис. 130, г)		>26 000 000		>418 000

нагрузки может передаваться трением между пластинами и, та­ ким образом, возможно достичь более высокого сопротивления усталости, чем в заклепочных соединениях. Например, Мане и др. проводили испытания подобных образцов клепаных и болто­ вых соединений из стали с высокой прочностью на растяжение и показали, что предел усталости болтовых соединений, надлежа­ щим образом собранных, приблизительно на 25% больше, чем заклепочных соединений (см. табл. 61). При более тонких сече­ ниях эта разница значительно больше выражена; например, Фи­ шер и Винкворт [502] достигли четырехкратного увеличения пре­

дела усталости на лис­
тах из	алюминиевого
сплава		толщиной
1,62 мм при плотной по­
садке болтов. Преиму­
щества, которые			полу­
чаются	при	использо­
вании натяга,		отмечен­
ные в связи с проуши­
нами,	в равной		мере
относятся к		болтовым
соединениям.			целого
Результаты
ряда усталостных испы­				Рис. 131. Выносливость стыковых соединений из
таний соединений само­				алюминиевого сплава при пульсирующем рас­
летного	крыла		были	тяжении [503]:
рассмотрены		Хейвудом		1 — верхняя граница данных; 2 — средние аначе-
[503],	они	включали		ния (по Хейвуду [503]); 3 — нижняя граница

штампованные катаные или кованые детали из алюминиевого сплава. Было показано, что

на размах предела усталости при .пульсирующем нагружении ма­ ло влияет среднее напряжение цикла, статическая прочность при растяжении или состав сплава, хотя алюминиево-медные сплавы несколько лучше, чем алюминиево-цинково-магниевые. Конст­ рукция соединения существенно влияет на сопротивление уста­ лости.

Подобное заключение было сделано Гартманом и др. [504] по результатам испытаний значительного числа самолетных конст­ рукций (табл. 61, рис. 130).

Хейвуд отметил, что даже для лучших соединений предел усталости составляет только около одной четвертой предела уста­ лости полированных образцов и, следовательно, можно достичь дальнейшего повышения предела усталости при сочетании плот­ ного соединения с очень близким расположением болтов. Резуль­ таты его анализа показаны на рис. 131.

Кривая 2 является осредняющей все результаты. Хейвуд уста­ новил следующую зависимость среднего значения полуразмаха

247

(амплитуды) ограниченного предела усталости а (в фунтах на квадратный дюйм) от долговечности N :

Уравнение применимо для значений а ниже 7 кГ/мм2. Кри­ вая 1 представляет верхний предел усталостной характеристики, когда особое внимание было уделено конструкции и изготовле­ нию, а кривая 3 приближается к нижнему пределу усталостной характеристики, когда при проектировании не обращалось вни­ мания на усталость.

Сопротивление усталости конструкции самолетных соедине­ ний разбиралось Стифенсоном {506] и Спаулдингом [507].

Сварные соединения

Имеется ряд факторов, которые могут влиять на понижение сопротивления усталости сварного соединения. Наиболее важным является наличие концентрации напряжения при геометрических нарушениях очертаний поверхности соединения, но, кроме того, металл шва является литым или частично деформированным и может быть менее 'прочным, чем основной металл, особенно, если он содержит внутренние дефекты. На материал, примыкающий к шву, может вредно влиять процесс сварки и, кроме того, в нем могут возникать остаточные растягивающие напряжения.

Статическая прочность шва часто равна прочности основного металла, потому что усиление (валик) шва увеличивает сечение. С другой стороны, предел усталости не может возрастать с уве­ личением сечения сварного шва, потому что разрушение тогда происходит по переходу между соединением и основным метал­ лом в результате концентрации напряжения в этой зоне. Макси­ мальное сопротивление усталости достигается при понижении де­ фектности соединения.

Сопротивление усталости сварных соединений равно и может быть значительно выше сопротивления клепаных конструкций при условии, что они надлежащим образом сконструированы. Если конструкция плохо спроектирована, то могут возникать дефекты в сварных швах, уменьшающие пределы усталости [508, 509].

Большая жесткость сварных соединений уменьшает демпфи­ рование и это может привести к разрушениям от вибраций. Не­ прерывность сварного соединения является еще одним недостат­ ком. Если усталостная трещина образовалась, она вероятно, рас­ пространяется в сварном соединении быстрее, чем трещина в клепаном. Однако есть данные о том, что усталостные трещи­ ны в сварных конструкциях распространяются достаточно мед­ ленно, так что обнаружение и исправление усталостного повреж­ дения можно предпринять в процессе эксплуатации [510]. По

248

усталости сварных соединений имеется обширная литература [508—513].

Стыковая сварка. Некоторые типичные значения предела усталости с поперечными швами встык приводятся в табл. 64. Предел усталости стыкового соединения без дефектов из мягкой конструкционной стали составляет около двух третей предела усталости целой пластины, но при обработке шва заподлицо с пластиной можно получить предел усталости, равный пределу усталости черной (необработанной) пластины [521].

Вообще, на сопротивление ус­

?бо

талости

мало

влияет

процесс

iL

1-------- 1-------- 1--------

сварки,

одинаковые

результаты

1

'

/

мм7

Р а зр у ш е н и е

были получены при дуговой и га­

99

/

/

зовой сварке, хотя при контактной

92

/

/

сварке достигается более высокий

9 -«

—

/

------У

/

предел усталости для мягкой ста­

35

—

f

* /

ли [512] и для

легированных ста­

/

/

лей [509].

Предел усталости в

28

i

> •

•

у

' ' / *

к ■

• —

Л

большей мере зависит

от формы

21

/

/

• V

соединения и от качества

сварки.

/

/■

/ 2

Ньюман и Гарней

[514]

отме­

19

_

■

• /

г т

тили влияние формы

шва

(рис.

>

/

132). Значения предела усталости

190

160

соответствуют базе 2* 106

циклов

П О

пульсирующего растяжения и бы­

Рис.

132. Влияние формы шва уси­

ли получены при сварке встык на

ления

(0 — угол усиления)

на пре­

всю толщину

плиты

из

мягкой

дел

усталости

поперечных

стыко­

стали без значительных

внутрен­

вых

швов

[514]:

1 — обработанная

гладкая плита; 2 —

них дефектов.

Значение

-предела

черный лист

усталости

составляло

18 кГ/мм2

для формы, показанной на рис. 133, а, и 10 кГ/мм2— для формы, показанной на рис. 133, б. Последнее значение соответствует ниж­ нему значению предела усталости для бездефектной сварки.

Допустимые пульсирующие напряжения для стыковых свар­ ных швов мягкой стали приведены в B.S153 (1958) [522].

Влияние внутренних дефектов сварных соединений из мягкой стали рассмотрено в работе [523]. Выяснено, что средняя степень пористости, шлаковые включения или непровары не понижают предела усталости мягкой стали в такой степени, как поверхност­ ные дефекты. Существенное понижение предела усталости может быть результатом непровара или возникновения трещин в свар­ ном металле или в нагреваемой зоне. Ньюман [584] провел се­ рии усталостных испытаний ряда стыковых швов трубы диамет­ ром 14 мм, в которых преднамеренно были сделаны определен­ ные дефекты. Ограниченный предел усталости гладких труб (при 2- 106 циклов) составлял от ±11,8 до ±17,5 кГ/мм2, а пре­ дел усталости сварки без дефектов и усиления был ±4,7 и

24