книги / Многоцикловая усталость при переменных амплитудах нагружения

В монографии даны характеристики переменных нагрузок, усталос­ ти и методов ее изучения. Рассмотрены вопросы описания, обработки и моделирования эксплуатационных режимов нагружепия, а также спо­ собы воспроизведения нерегулярных нагрузок в лабораторных услови­ ях. Изложена методика испытании на усталость ири блочном и случай­ ном нагружении. Описана система задания и автоматического поддер­ жания параметров нерегулярных нагрузок на установках резопансного типа. Проанализированы гипотезы суммирования повреждении, даны рекомендации по прогнозированию долговечности и расчету коэффи­ циентов запаса с учетом рассеяния характеристик сопротивления уста­ лости. С помощью статистического моделирования исследованы различ­ ные способы учета в расчетах долговечности шнрокополосностп на­ грузки .

Для научных и инженерно-технических работников, занимающихся вопросами циклической прочности элементов конструкций и методами испытаинй на усталость.

Ил. 86. Табл. 17. Библиогр.: с. 249—262 (276 назв.).

Ответственный редактор М. Э. Гарф

Рецензенты В. Т. Трощенко, Э. Я. Филатов

Редакция технический литературы

2105000000-093 381-80 © Издательство «Паукова думка», 1986

М221(04)-80

Технический прогресс в машиностроении в значительной мере связан с совершенствованием расчетов на прочность, позволяющих рациональ­ но конструировать надежные и безопасные машины. Поскольку боль­ шая часть разрушении в эксплуатации связана с зарождением и разви­ тием усталостных трещин, то очевидным является важное прикладное значение методов оценки характеристик сопротивления усталости при реальных условиях эксплуатации. Физические процессы, обусловлива­ ющие развитие усталостного повреждения, весьма сложны; способы их описания недостаточны и нецелесообразны для использования в про­ чностных расчетах. Поэтому основной путь разработки методов расчета на прочность при переменных напряжениях в машиностроении — приме­ нение различных феноменологических зависимостей, получаемых с ис­ пользованием большого объема экспериментальных данных. Основные недостатки такого подхода связаны с трудоемкостью усталостных испы­ таний, особенно когда речь идет о многоцикловой усталости, соответ­ ствующей наработке в сотни тысяч и миллионов циклов нагрузки, а также с многообразием факторов, существенно влияющих на процесс усталости (параметры окружающей среды, материал детали и способ ее обработки, режим нагружения и др.).

Накопление усталостных повреждений происходит при переменных напряжениях, поэтому определяющим является закон изменения напряжений во времени. Эксплуатационные режимы нагружения ха­ рактеризуются нерегулярностью амплитуд действующих нагрузок, причем последовательность приложения нагрузок ноент ярко выражен­ ный случайный характер. Когда речь идет об усталости прп случайном нагружении, в основном возникают следующие вопросы: определение минимального числа параметров, способных описать случайную нагрувку, и оценка влияния этих параметров на долговечность; установление наиболее существенных параметров, подлежащих воспроизведению при лабораторных испытаниях.

Методам определения усталостной долговечности и расчетам на прочность при нерегулярных режимах нагружения посвящено большое

долговечности, методы ее экспериментальной оцспкв и обработки соот­ ветствующих результатов эксперимента. В данной монографии авторы уделили основное внимание методам описания п моделирования слу­ чайных нагрузок, методикам определения усталостной долговечности экспериментальными и расчетными способами, оценке влияния парамет­ ров случайного нагружения на повреждающее действие переменной на­ грузки. Кроме того, даны общая характеристика методов изучения ус­ талости и ее описание, достаточно подробное для понимания рассмат­ риваемых проблем. Материал книги основан на обобщении известных литературных данных, а также на оригинальных исследованиях авто­ ров. Если данная книга будет содействовать популяризации методов расчета на прочность при переменных нагрузках и процессу стандар­ тизации этих методов, то авторы сочтут свою задачу выполненной.

Авторы выражают глубокую благодарность ответственному редак­ тору М. Э. Гарфу, рецензентам В. Т. Трощенко в Э, Я , Филатову за ценные советы по улучшению содержания книги,

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ХАРАКТЕРИСТИКИ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ. СПОСОБЫ ЕЕ ОПИСАНИЯ И ИЗУЧЕНИЯ

Для рассматриваемой области науки и техники очень важна стандартизация терминологии, определений, обозна­ чений, способов ведения эксперимента и обработки его ре­ зультатов, а также способов использования этих резуль­ татов в расчетных методиках. Эти задачи постепенно реша­ ются путем создания специальных стандартов, методических указаний, рекомендаций.

Упорядочению терминологии и определений по уста­ лости способствуют, в частности, ГОСТ 23207—78 [156] и ГОСТ 25.502—79 1110]. Согласно этим стандартам уста­ лость — это процесс постепенного накопления поврежде­ ний материала под действием переменных напряжений и деформаций, приводящих к изменению свойств, образова­ нию трещин, их развитию и разрушению. Для характерис­ тики этого сложного процесса, а также вызывающих его переменных напряжений и деформаций вводится ряд тер­ минов, определений, обозначений. Прежде всего остановим­ ся на характеристиках переменных напряжений (дефор­ маций), изменяющихся циклически.

1. ПЕРЕМЕННЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

Переход от переменных нагрузок, действующих на элемент конструкции, к соответствующим им переменным напряже­ ниям и деформациям осуществляется известными из меха­ ники деформируемых твердых тел методами, которые здесь не рассматриваются. Считается, что переменные напряже­ ния о и деформации е определены. Ниже речь будет идти

о характеристиках переменных напряжений; характеристи­ ки деформаций определяются аналогично. Рассматривается простейший вид нагружения — периодический.

Нагружение, характеризующееся периодическим законом изменения нагрузок с одним максимумом и с одним мини­ мумом в течение одного периода при постоянстве параметров цикла напряжений в течение всего времени испытаний или

Рис. 2. Примеры асимметричных циклов напряжений.

Значение коэффициента асимметрии цикла может из­ меняться в очень широких пределах (на рис. 2 указаны воз­ можные значения R). Для симметричного цикла R = —1.

Циклы, у которых коэффициенты асимметрии одинаковы, называют подобными. Для подобных циклов отношения ми­ нимальных и максимальных значений равны отношениям соответствующих средних и амплитудных значений; напри­ мер,

Удобным показателем асимметрии цикла при изучении процессов усталости (для которых переменная составляю­

и ее уровень по отношению к амплитуде выражаются весь­ ма просто [190]. Однако так уж сложилось, что степень асимметрии цикла выражается величиной R.

Рассмотренные характеристики циклов напряжений и деформаций широко используются как в расчетах на проч­ ность при переменных нагрузках, так и в практике экспе­ риментального определения закономерностей процесса ус­ талости.

2. КРИВАЯ УСТАЛОСТИ И ПРЕДЕЛЬНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ КАК ХАРАКТЕРИСТИКИ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ

Кривая усталости —это классическая характеристика резуль­ татов экспериментального определения сопротивления уста­ лости, т. е. способности материала или детали противостоять усталостному разрушению. Представляется кривая уста­ лости в виде графика, характеризующего зависимость между максимальными (по аосолютному значению) или амплитуд­ ными значениями напряжений или деформаций цикла и циклической долговечностью одинаковых образцов мате­ риала или детали, построенного по параметру среднего на­ пряжения (средней деформации) цикла или коэффициента асимметрии цикла. При этом циклической долговечностью называется число циклов напряжений или деформаций, выдержанных нагруженным объектом до образования уста­ лостной трещины определенной протяженности или до ус­ талостного разрушения. В дальнейшем под термином «об­ разец» будем подразумевать испытываемый объект: обра­ зец материала или изделия (детали, узла и др.).

Кривая усталости строится по результатам испытания на усталость партии одинаковых образцов, проведенного на специальной усталостной машине (установке) таким обра­ зом, что от начала испытания до разрушения образца (или до прекращения испытаний этого образца) характеристики цикла напряжений или деформаций поддерживаются не­ изменными. Критерием разрушения образца является пол­ ное его разрушение (разделение на части) или появление макротрещины заданного размера. Каждый образец или каждая группа образцов из указанпой партии одинаковых образцов испытывается при разных, вполне определенных постоянных уровнях напряжений или деформаций.

Начинают испытания обычно с относительно больших уровней циклических напряжений или деформаций, при ко­ торых разрушение образца происходит за небольшое число циклов. Затем снижают уровень напряженности на неко­ торую величину и образец разрушается уже после большего числа циклов нагрузки. В зависимости от конкретных ус­ ловий эксперимента ступенчатое снижение нагрузки может проводиться несколько раз и в результате может быть до­ стигнуто положение, когда образец не разрушается после определенного числа циклов, т. е. числа циклов, соответ­ ствующего условиям эксперимента. Предварительно задавае­ мая наибольшая продолжительность испытаний на уста­ лость называется базой испытаний,

Результаты описываемого эксперимента представляются на графике, по оси ординат которого откладывается значе­ ние напряжений (или деформаций), при котором велось ис­ пытание, а по оси абсцисс — число циклов, при котором раз­ рушился образец. Следовательно, на таком графике каж­ дому испытывавшемуся образцу (разрушившемуся или выдержавшему базу испытаний) будет соответствовать опре­ деленная точка. По таким точкам, очевидно, может быть проведена спадающая кривая. Это и будет кривая усталости.

Возможны варианты построения кривой усталости, сле­ дующие из ее определения. Можно строить кривую уста­ лости, откладывая по оси ординат максимальное значение напряжений (деформаций), по оси абсцисс — число циклов, при условии, что экспериментальные точки получены при одном и том же среднем значении цикла; это значит, что в испытаниях от образца к образцу (или от группы к группе) изменялась только амплитуда цикла. Эти же эксперимен­ тальные точки и проведенную по ним кривую усталости можно представить на графике, где по оси ординат отклады­ ваются амплитудные значения. Обе разновидности этих кривых усталости считаются построенными по параметру среднего напряжения (или средней деформации) цикла.

Усталостные испытания можно вести так, что неизмен­ ным для всех образцов будет не среднее значение цикла, а коэффициент асимметрии цикла R. В зависимости от типа

испытательной установки это достигается одновременным ступенчатым изменением или экстремальных значений цик­ ла, или среднего значения и амплитуды цикла, поскольку должно быть R = const, т. е. для цикла напряжений

По результатам этих испытаний кривая усталости может быть построена также двояким образом, т. е. по оси орди­ нат могут откладываться или максимальные, или ампли­ тудные значения. Такие варианты построения кривых ус­ талости предусмотрены упоминавшимися выше стандартами. Имеется, однако, еще вариант построения, не предусмотрен­ ный стандартом. Усталостные испытания можно проводить при неизменном амплитудном значении цикла и варьируе­ мом среднем значении. График кривой усталости при этом строят в координатах максимальное значение цикла amax или d?max — ЧИСЛО ЦИКЛОВ N.

Числом циклов N выражается продолжительность испы­

таний, т. е. продолжительность нахождения нагруженного образца в режиме усталостных испытаний. Продолжитель-