книги / Экспериментальные исследования усталостного поведения материалов при многоосных циклических воздействиях

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Монография посвящена экспериментальному изучению закономерностей усталостного поведения материалов при многоосных циклических воздействиях в условиях мало- и многоцикловой усталости при пропорциональном и непропорциональном растяжении – сжатии и кручении. Рассмотрены методические вопросы проведения циклических испытаний в условиях сложного напряженного состояния при нормальных и повышенных температурах. Проведен анализ возможностей использования современных двухосевых испытательных машин для реализации сложных режимов внешних воздействий с переменными параметрами, приближенных к условиям эксплуатации элементов конструкций. Приведены результаты циклических испытаний с использованием дополнительных диагностических систем, иллюстрирующие эволюцию полей температуры на поверхности образцов и сигналов акустической эмиссии от числа циклов. Представлены результаты испытаний конструкционных сталей при двухосной малоцикловой усталости, показывающие влияние переменных параметров цикла, вида блочного нагружения, непропорционального циклического деформирования, температуры и наложенных статических нагрузок постоянной величины на циклическую долговечность рассматриваемых материалов. Рассматриваются вопросы классификации режимов циклического нагружения и использования критериев и моделей многоосной усталости для анализа циклического ресурса конструкционных материалов. Предложены модификации известных моделей многоосной усталости, учитывающие угол сдвига фаз при растяжении – сжатии и кручении и наличие дополнительных статических нагрузок одной из мод (растяжение – сжатие или кручение) при циклировании по другой моде.

5

Актуальность исследований связана с необходимостью экспериментального выявления комплекса факторов, значительно влияющих на разрушение вследствие усталости, и прогнозирования циклического ресурса ответственных элементов конструкций с использованием моделей многоосной усталости, параметры которых определяются на основе простых установочных экспериментов. Целью работы является развитие новых моделей прогнозирования циклической долговечности при сложном напряженном состоянии и проведение комплексных экспериментальных исследований циклического разрушения конструкционных сталей и сплавов при сложных параметрах нагружения, которые приближены к реальным условиям эксплуатации ответственных элементов конструкций.

Монография содержит результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в рамках Государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (№ FSNM-2020-0027) и по проектам Российского фонда фундаментальных исследований «Усталостное поведение конструкционных сплавов в условиях одноосных и двухосных циклических воздействий с постоянными статическими составляющими нагружения» (грант № 19-01-00555 А), «Малоцикловая термомеханическая усталость конструкционных сплавов при сложных формах циклов и двухосном нагружении» (грант № 19-38-90270), «Механическое поведение материалов при циклических воздействиях в условиях сложного напряженного состояния» (грант № 16-01-00239 А) и «Закономерности и модели накопления повреждений в условиях малоцикловой усталости при сложном напряжённом состоянии и переменных параметрах циклов нагружения» (грант № 16-41-590392 р_а). Реализация проектов осуществлялась на базе Центра экспериментальной механики (ЦЭМ) Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), оснащенного в том числе современными двухосевыми испытательными системами и двухосевыми датчиками деформаций,

6

позволяющими проводить статические и циклические испытания при растяжении – сжатии и кручении. При выполнении проектов были получены новые экспериментальные данные и результаты теоретических исследований о закономерностях механического поведения конструкционных сталей и сплавов в условиях двухосной мало- и многоцикловой усталости.

Авторы монографии выражают огромную признательность сотрудникам Центра экспериментальной механики ПНИПУ за помощь при проведении экспериментальных исследований и подготовке монографии.

7

1. ВОПРОСЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

Рассмотрены методологические вопросы экспериментального исследования мало- и многоцикловой усталости при двухосном нагружении и прогнозирования циклической долговечности с использованием моделей многоосного усталостного разрушения. Проведен анализ основных факторов, оказывающих значительное влияние на циклический ресурс конструкционных сталей и сплавов. Приведены методические особенности осуществления циклических испытаний для определения характеристик сопротивления конструкционных материалов усталости в условиях одноосного и двухосного нагружения при нормальной и повышенной температурах. Отражены основные закономерности малоциклового деформирования, имеющие определенные особенности по сравнению с многоцикловым нагружением.

Приведены основные характеристики испытательных систем, средств контроля нагрузок и перемещений, прикладного программного обеспечения, систем сбора и обработки данных, используемых для проведения экспериментальных исследований. Рассмотрены методические вопросы, связанные с реализацией сложных форм циклов при малоцикловом деформировании, реализацией сложного напряженно-деформированного состояния. Уделено внимание соосности нагружающей цепи, выбору геометрии образцов, выбору частоты нагружения, контролю температуры на поверхности образца, повышению точности исполнения задаваемого сигнала.

8

1.1.Усталостная долговечность металлов и сплавов при многоосных циклических воздействиях

Металлы и сплавы являются одними из главных материалов для изготовления изделий железнодорожного, автомобильного транспорта, аэрокосмической техники и других отраслей. Необходимость исследований в области усталости материалов обусловлена разрушением элементов конструкций, длительно функционирующих при нестационарных, как правило, циклических режимах нагружения. К фундаментальным работам в данном направлении относятся [52; 75; 78; 80; 81; 87–90].

Ответственные элементы конструкций (коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания, крыло самолета, бурильная колонна, диски газотурбинных двигателей и т.д.) при эксплуатации часто испытывают сложные многоосные циклические и вибрационные воздействия [70; 72]. Известно, что такие нагрузки могут оказывать существенное влияние на долговечность конструкции, в отдельных случаях существенно снижая срок службы элементов [46]. Подходы к экспериментальному изучению, а также закономерности деформирования некоторых классов материалов в условиях сложного напряженного состояния изложены в справочнике [83].

Необходимость изучения процессов усталости в условиях сложного напряженного состояния послужила причиной появления экспериментальных работ в данной области с использованием специализированных, довольно сложных технических устройств для многоосного нагружения. Среди наиболее крупных научных центров, занимающихся вопросами исследования проблем многоосной усталости, можно выделить университет ENSAM

вБордо, Франция (T. Palin-Luc, N. Saintier, F. Morel) [20; 42], уни-

верситет Ополе, Польша (T. Lagoda) [23], университет Шеффилда, Великобритания (L. Sumsel) [53], университет Лиссабона,

Португалия (V. Anes, L. Reis, M. de Freitas) [4; 41]. Исследования

вданной области также отражены в работах [11; 25; 51; 54].

9

Основными схемами нагружения являются двухосное растяжение крестообразных образцов, растяжение с кручением, изгиб с кручением цилиндрических образцов и растяжение трубчатых образцов под действием внутреннего давления. Помимо испытаний сплошных, корсетных и трубчатых образцов проводятся испытания образцов сварных соединений [51; 54], образцов с проточками [25] и иными концентраторами [15].

Макро- и микроструктурный анализ изломов испытанных образцов помогает сделать вывод о преобладающих механизмах разрушения материалов, а также областях зарождения и развития дефектов [3; 21]. При этом отмечается существенное влияние структурных параметров на долговечность материалов.

Для прогнозирования разрушения элементов конструкций используются модели усталостного разрушения, обобщенные на случай многоосного циклического нагружения. К числу наиболее известных можно отнести модели Сайнса, Кроссланда, Брауна – Миллера, Смита – Ватсона – Топпера и другие. Параметры моделей чаще всего определяются из одноосных усталостных испытаний с различными коэффициентами асимметрии цикла [69] либо при различных модах нагружения.

Рядом авторов при записи моделей вводится понятие критической площадки, связанной, как правило, с максимальным значением величины, оказывающей, по мнению авторов, наибольшее влияние на долговечность. Модели, в которых используются компоненты тензора напряжений, отмечены в работах [13; 14; 30; 33; 46]. Функции эквивалентных напряжений, используемые в моделях, могут зависеть как от инвариантов (модели Сайнса, Кроссланда), так и компонент тензора напряжений, взятых на критических площадках (модели Финдли, Макдермида). В настоящее время предложены модели с использованием скалярного параметра поврежденности, накапливаемой при многоосном циклическом нагружении, например, модель Лемэтра – Шабоша [29].

10