РЕЦЕНЗЕНТ д-р техн. наук В. П . Ларионов

Кузьмин В. Р., Прохоров В. А., Борисов А. 3. Усталостная прочность К48 металлов и долговечность элементов конструкций при нерегулярном

на1ружении высокого уровня. - М: Машиностроение, 1998. - 256 с.: илл.

ISBN 5-217- 02888-2

В монографии изложены закономерности деформирования и разруше­ ния образцов при нерегулярном малоцикловом нагружении. Сформулирова­ ны деформационные критерии оценки долговечности элементов конструкций по критерию образования усталостной трещины применительно к изученным условиям нагружения. Приведены результаты исследования развития поверх­ ностных трещин при регулярном нагружении и при перегрузках. Даны ин­ женерные методы расчета коэффициента интенсивности напряжений для трещины в неоднородных полях напряжений. Рассмотрены примеры исполь­ зования полученных результатов при решении практических задач.

Для специалистов научно-исследовательских, конструкторских и экс­ плуатационных организаций, занимающихся вопросами прочности материа­ лов и конструкций.

Государственный комитет Республики Саха (Якутия)

по высшей школе, науке и технической политике.

Якутский государственный университет им. М.К. Аммосова

ПРЕДИСЛОВИЕ

Качество, надежность и долговечность создаваемых конст­ рукций машин, аппаратов и сооружений невозможно обеспечить без использования в процессе проектирования методов расчета, в которых наиболее полно отражены действительные условия работы силовых элементов под воздействием сложных спектров эксплуатационной нагруженности. Высокие нагрузки, нестацио­ нарный и нерегулярный характеры их приложения вызывают в зонах концентрации напряжений переменные поля упругопла­ стических деформаций и обуславливают возникновение в этих зонах усталостных трещин.

Анализ сопротивления материалов деформированию при ма­ лоцикловом стационарном мягком и жестком нагружениях по­ зволил описать закономерности изменения диаграммы цикличе­ ского деформирования металлов по числу полуциклов нагруже­ ния. Вопрос о сопротивлении деформированию при нерегуляр­ ном нагружении изучен недостаточно. Предложенные зависимо­ сти, описывающие закономерности деформирования материалов,

иподходы к оценке долговечности элементов конструкций не учитывают особенности накопления повреждений в металлах при перегрузках, чередовании приложения нагрузок различного уровня и асимметрии цикла.

Наиболее часто инициаторами усталостной трещины явля­ ются поверхностные дефекты. Закономерности развития не­ сквозных трещин наименее полно изучены вследствие трудно­ стей, связанных как с экспериментальными исследованиями, так

итеоретическим анализом напряженно-деформированного со­ стояния тел с пространственными трещинами. Вместе с тем ис­ следование кинетики усталостного разрушения на стадии разви­ тия поверхностной трещины представляет большой практиче­ ский интерес.

В монографии представлены результаты исследования зако­ номерностей деформирования и разрушения образцов при не­ регулярном малоцикловом нагружении, дано обоснование ис­ пользования обобщенной диаграммы циклического деформиро­ вания в рассматриваемых условиях нагружения и установлены основные параметры и характеристики материала, определяю­ щие кинетику циклического деформирования. Полученные ре­ зультаты использованы при разработке расчетной методики оп­ ределения долговечности элементов конструкций.

Представлены результаты исследования закономерностей развития поверхностных усталостных трещин в пластинах при регулярном и нерегулярном (однократные перегрузки) нагруже­ ниях, особенности их кинетики в зонах влияния конструктивных концентраторов напряжений. Рассмотрены приближенные мето­ ды расчета коэффициентов интенсивности напряжений для тре­ щин нормального отрыва в неоднородных полях напряжений и способы оценки живучести элементов конструкций с поверхно­ стными трещинами.

Монография основана на результатах исследований, прове­ денных авторами в Институте машиноведения РАН и в Якут­ ском государственном университете. Литература но рассматри­ ваемым вопросам столь обширная, что оказалось невозможным уделить достаточное внимание многим интересным работам-

Авторы выражают благодарность ответственному редактору члену-корреспонденту РАН, профессору Н. А. Махутову И по­ свящают монографию светлой памяти выдающегося ученого, профессора Владимира Петровича Когаева.

1. МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ ОБРАЗЦОВ НА

МАЛОЦИКЛОВУЮ УСТАЛОСТЬ ПРИ

НЕРЕГУЛЯРНОМ НАГРУЖЕНИИ

1.1. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ

Необходимая информация для оценки долговечности эле­ ментов конструкций с концентраторами напряжений в условиях нерегулярного упругопластического деформирования повторно­ переменными нагрузками высокого уровня может быть получена в процессе испытаний гладких образцов при мягком и жестком режимах нагружения [10, 12, 45, 48]. При этом предполагается постановка экспериментального исследования с записью диа­ граммы однократного и циклического деформирования и по­ строений кривых малоциклового разрушения [45].

Закономерности деформирования при нерегулярном мало­ цикловом нагружении алюминиевых сплавов Д16, Д19 и В95 ис­ следованы на образцах, вырезанных в направлении проката из плакированного листа толщиной 2 мм. Химический состав, ре­ жимы закалки и искусственного старения сплавов приведены в табл. 1.1 [68]. Образцы для исследования закономерностей одно­ родного и неоднородного деформирования показаны на рис. 1.1. Двусторонние надрезы и отверстия на образцах выполнены та­ ким образом, чтобы теоретический коэффициент концентрации аа был равен соответственно 2,5 и 3,5 [65].

Таблица 1.1

Химический состав и режимы термообработки

алюминиевых сплавов

Химический состав, % (А1 - основа)

твыд " продолжительность выдержки.

чается в сравнении задаваемых и действующих значений силы, деформации и перемещений в процессе нагружения. Погреш­ ность отработки экстремальных значений 0,5 -ь 3 % от контроли­ руемой величины при частотах нагружения до 10 Гц. Для изме­ рения деформаций применяли деформометр с базой 10,5 мм. Та­ рировку деформометра производили с помощью калибратора, микрометрическая головка которого и индикатор часового типа с ценой деления 10 мм обеспечивали точное измерение расстояния между ножами деформометра. Тарировочный график деформо­ метра при контактной температуре прямолинейный (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Тарировочный график деформометра (база 10,5 мм)

Для измерения местных циклических деформаций применя­ ли методы малобазной тензометрии и муаровых полос. Регистра­ цию деформаций тензорезисторами и обработку полученных данных производили по методике, описанной в работе [23]. Из­ мерение сопротивления тензорезисторов регистрировали прибо­ ром АИД-2. Схема наклейки тензорезисторов с базой 0,5 мм на образцах с отверстием показана на рис. 1.3. Датчик под номером 1 размещали на внутренней поверхности отверстия образца. Из­ мерение полей неоднородных деформаций методом муара осу­ ществлялось по методике, изложенной в работе [98].

Рис. 1.3. Схема наклейки тензорезисторов

Для проверки равномерности распределения деформаций по ширине образца в пределах рабочей зоны деформометра с по­ мощью тензорезисторов были проведены измерения продольных и поперечных деформаций

Как показали экспериментальные данные (рис. 1.4), распре­ деление продольных и поперечных деформаций в этой зоне при статическом растяжении близко к линейному. С повышением уровня нагружения наблюдаются небольшие отклонения от ли­ нейного распределения деформаций. На основе полученных экс­ периментальных дацных принято, что на базе измерений (базе деформометра) деформации во всем диапазоне нагружения рас­ пределены линейно.

Для построения кривой усталости проводили испытания с управлением по деформациям. Число циклов до образования трещины определяли по падению величины нагрузки и визуаль­ но. Так как при мягком малоцикловом нагружении числа циклов’ до образования трещины Npo и до полного разрушения Npn

практически совпадали, то за разрушающее число циклов Np

принимали величину Npn. Управление малоцикловыми испыта-