книги / Экспериментальные исследования усталостного поведения материалов при многоосных циклических воздействиях

В результате был получен синхронизированный набор данных со всех средств контроля. Использование акустико-эмис- сионной системы позволит более детально рассматривать процессы развития дефектов в процессе усталостного нагружения.

По данным регистрации сигналов акустической эмиссии построены диаграммы зависимости относительного количества сигналов акустической эмиссии АЭ (число зарегистрированных сигналов акустической эмиссии за 500 циклов нагружения) от общего числа циклов для каждого типа испытаний (рис. 2.7–2.9). Активность сигналов, регистрируемых системой, связана с протеканием процессов накопления повреждений в материале в процессе механических испытаний. Отмечается немонотонность регистрируемых сигналов в процессе циклического нагружения и стадийность накопления повреждений.

Рис. 2.7. Диаграмма зависимости относительного количества сигналов акустической эмиссии АЭ от числа циклов в процессе циклических испытаний при растяжении – сжатии

Рис. 2.8. Диаграмма зависимости относительного количества сигналов акустической эмиссии АЭ от числа циклов в процессе циклических испытаний при кручении

41

Рис. 2.9. Диаграмма зависимости относительного количества сигналов

акустической эмиссии		АЭ	от числа циклов			в процессе циклических
испытаний
	при совместном растяжении с кручением
	(σ	123 МПа, τ		123 МПа)

Результаты обработки данных, полученных из испытания на двухосное циклическое нагружение с использованием тепловизионной системы, представлены на рис. 2.10 в виде диаграммы изменения максимального и среднего значений температуры образца. Значение ∆ 0 соответствовало комнатной температуре (23 °С). Благодаря нанесению черной матовой краски на поверхность образца разница между максимальным и средним значениями температуры на начальной стадии деформирования при равномерном разогреве не превышала 1 °С. Пики на кривой значений температур возникли при зарождении усталостной трещины и формировании условий макроразрушения.

Проведено исследование влияния вида напряженно-де- формированного состояния на усталостную чувствительность сплава Д16Т при совместном растяжении – сжатии и кручении. Методика включала в себя определение предельного числа циклов до полного усталостного разрушения при различных видах НДС (растяжение – сжатие, кручение, совместное растяжение – сжатие с кручением). Соотношение между нормальными и касательными напряжениями определялось с помощью угла α (см. рис. 2.2) при одинаковой амплитуде интенсивности напряжений.

42

Рис. 2.10. Изменение температуры от времени на поверхности корсетного образца, максимальное значение (сплошная линия), среднее значение по образцу (штриховая линия) при двухосном циклическом

нагружении (σ 123 МПа, τ 123 МПа)
При совместном растяжении – сжатии и кручении углы
составляли 0,					предварительному
		и		. Образцы подвергались		α

циклическому воздействию с различной относительной степенью циклирования от предельного числа циклов до разрушения

	0,7..0,9	. Влияние вида НДС предварительного цикличе-

ского воздействия на остаточную прочность материала оценивалось при последующих квазистатических испытаниях на растяжение.

В результате испытаний были получены данные, отражающие зависимость остаточных прочностных характеристик алюминиевого сплава Д16Т от вида НДС предварительного циклического воздействия. На рис. 2.11 представлена диаграмма зависимости остаточного предела прочности при уровне пред-

варительного циклирования		.
Отмечено, что изменение	продолжительности предвари-
	0,8

тельного циклического воздействия в рассмотренном диапазоне не сказывается существенно на величине остаточного предела прочности. Снижение остаточного предела прочности при предварительном циклическом растяжении – сжатии составляло 5 %, при кручении и совместном растяжении – сжатии и кручении –

43

менее 5 %. На рис. 2.12 приведены фотографии картин изломов образцов при различных видах НДС предварительного воздействия. Поверхности усталостных изломов позволяют сделать вывод о том, что характер разрушения имел схожий вид. У всех образцов наблюдалась большая доля зоны усталостного излома.

Рис. 2.11. Значения остаточного предела прочности алюминиевого сплава Д16Т от вида напряженно-деформированного состояния предварительного циклического воздействия

а

б

в

Рис. 2.12. Фотографии типовых статических изломов образцов после предварительного циклического воздействия различного вида НДС: а – растяжение – сжатие; б – кручение; в – совместное растяжение – сжатие и кручение

44

2.2. Закономерности усталостного поведения материалов при непропорциональном растяжении – сжатии с кручением

Проведено исследование влияния постоянной касательной составляющей напряжений и постоянной осевой составляющей на усталостную долговечность при осевом и сдвиговом циклическом нагружении соответственно. Результаты исследования представлены в виде диаграмм зависимости долговечности материала от величин действующих постоянных касательных и нормальных напряжений. Отмечается снижение долговечности материала при увеличении постоянных касательных и нормальных напряжений. С увеличением амплитуды циклической нагрузки влияние постоянной составляющей нагрузки снижается, однако характер снижения для каждого случая циклического нагружения разный.

Для случая циклического растяжения – сжатия зависимости долговечности от действующих постоянных касательных напряжений представлены на рис. 2.13. На графиках также приведена аппроксимация экспериментальных данных по экспоненциальному закону. При меньшей амплитуде циклического нагружения снижение долговечности при увеличении постоянных касательных напряжений происходит более выраженно. Так, при дополнительном действии постоянных касательных

напряжений величиной				, количество циклов до раз-
рушения при амплитудеτ	нагружения						снижается на
	0,8τ		,
52,8 % по сравнению со случаем		только циклического нагруже-
					σ	0,5σ ,	σ	0,61σ ,
снижение происходит на 19,1 % (кривая 2).
ния данной амплитуды (кривая 1). При амплитуде

Аналогичные данные получены для случая постоянной дополнительной составляющей нормальных напряжений при циклическом кручении (рис. 2.14). Интересно, что при меньшей амплитуде циклического кручения отмечается существенное

45

снижение долговечности материала на начальном участке диаграммы при малом увеличении постоянной составляющей нормальных напряжений.

Рис. 2.13. Диаграмма зависимости долговечности от действующих постоянных касательных напряжений на двух уровнях амплитуды переменных нормальных напряжений: 1 – σ 0,5σ , ; 2 – σ 0,61σ ,

Рис. 2.14. Диаграмма зависимости долговечности от действующих постоянных нормальных напряжений на двух уровнях амплитуды переменных касательных напряжений: 1 – τ 0,7τ , ; 2 – τ 0,75τ ,

46

В рамках работы была проведена серия экспериментов на универсальной электродинамической испытательной системе Instron Electropuls E10000 по выявлению влияния изменения угла сдвига фаз между модами нагружения β на долговечность алюминиевого сплава Д16Т. Во всех испытаниях поддержива-

лись одинаковые	значения		касательных (τ		= 116,2 МПа)
и нормальных (σ		= 180	МПа) напряжений. Коэффициент
асимметрии составлял				для растяжения – сжатия и для
крученияо. Прио этомо		эксперименте варьировались значения
		в	1		что при увеличе-
угла β: 0 , 45 , 90	(рис. 2.15). Отмечается,

нии угла β до 45о наблюдается рост числа циклов до разрушения в среднем на 42 %, при увеличении угла β до 90о – снижение на 16 % по сравнению с количеством циклов до разрушения при β 0.

Рис. 2.15. Диаграмма зависимости долговечности от угла сдвига фаз между модами нагружения

По ходу выполнения проекта были проведены экспериментальные исследования на системе Instron Electropuls E10000 по выявлению влияния изменения отношения частот мод нагружения. Во всех испытаниях поддерживались одинаковые значения

47

касательных (				= 116,2 МПа) и нормальных (			= 180 МПа) на-
пряжений. Коэффициентτ					асимметрии	.	σПри этом в экспе-
рименте варьировались значения отношения						частот мод нагруже-
						1
ния (	ν	1	и	ν	3
					), а размах интенсивности напряжений
был одинаковымν				ν(рис. 2.16). Наблюдается снижение долговечно-

сти вдвое.

Рис. 2.16. Диаграмма зависимости числа циклов, отсчитанных по касательным напряжениям, от отношения частот мод нагружения

48

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ДВУХОСНОМ ЦИКЛИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ

ВУСЛОВИЯХ МАЛОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ

Вреальных условиях эксплуатация элементов конструкций

вкомбинации нагрузок приводит к реализации сложного напряженного состояния. При этом долговечность конструкции сильно зависит от типа напряженно-деформированного состояния, реализуемого в объеме материала. В данной главе представлены экспериментальные данные, полученные при двухосном малоцикловом нагружении в условиях простого или сложно деформирования при нормальной или повышенной температурах. Получены оценки, иллюстрирующие влияние форм цикла, различных траекторий нагружения и повышенной температуры на усталостную долговечность стали ЭП517Ш. Проведено экспериментальное исследование влияния постоянной составляющей кручения и постоянной составляющей растяжения на усталостную долговечность алюминиевого сплава Д16Т при двухосной малоцикловой усталости. Отмечено значительное влияние постоянных составляющих по одной из мод на циклическую долговечность алюминиевого сплава. Представлены фотографии усталостных изломов трубчатых образцов при кручении с разными по величине амплитудами касательных напряжений и дополнительно действующими нормальными напряжениями постоянной величины.

3.1.Изучение механического поведения конструкционных сталей в условиях двухосной усталости при пропорциональном нагружении

Экспериментальные исследования малоцикловой усталости в условиях сложного напряженного состояния при пропор-

49

циональном нагружении проводились на трубчатых образцах из жаропрочной легированной стали ЭП517Ш в состоянии постав-

ки. Химический состав ЭП517Ш: C – 0,13 %; Cr – 12,5 %; Si – 0,05 %; Ni – 2,05 %; Mo – 1,50 %, W – 0,70 %; Nb – 0,20 %; V – 0,20 %. Данная сталь применяется для изготовления высоконагруженных деталей, валов турбин низкого и среднего давления газотурбинных двигателей, работающих при температурах 300–450 ºС. Использовались тонкостенные трубчатые образцы, обеспечивающие близкое к однородному плоское напряженное состояние по толщине кольцевого сечения, эскиз и внешний вид которых приведены на рис. 3.1.

а

б

Рис. 3.1. Эскиз (а) и внешний вид (б) образца для проведения испытаний на малоцикловую усталость в условиях двухосного нагружения

50