книги / Экспериментальные исследования усталостного поведения материалов при многоосных циклических воздействиях

Деформационные модели представлены в работах [12; 50]

ипредставляют собой нелинейную функцию осевой и сдвиговой деформаций, взятых на критической площадке.

Модели, основывающиеся на рассмотрении энергии деформирования материала, представлены в работах [18; 24; 26; 49]. При этом модель Смита – Ватсона – Топпера учитывает только энергию осевого деформирования. Модель Лю, Глинки и Ладоги представляют собой линейную комбинацию нормальных и сдвиговых энергетических параметров.

Применение моделей многоосного усталостного разрушения для оценки долговечности реальных конструкций отражено в работе [69]. Отмечена необходимость проведения оценки по нескольким различным моделям разрушения.

Циклические воздействия довольно часто осложнены асимметрией цикла вследствие статических нагрузок, обусловленных, например, силами тяжести или инерции, а также линейной перегрузкой. Кроме того, статические нагрузки могут возникать по различным осям, в результате чего могут наблюдаться, например, циклические нагрузки изгиба с постоянным кручением и др.

Вопросами влияния асимметрии цикла нагружения на усталостное поведение различных материалов занимались Гербер

[17], Гудман [19], Морроу [35], Смит [48], Одинг [85], Биргер [68]

имногие другие [31; 32; 36; 37; 55]. Результаты экспериментальных исследований, как правило, отражаются на диаграмме Хейга (амплитуда напряжения – среднее напряжение в цикле при фиксированном уровне долговечности), при этом предлагаются различные зависимости для их описания. На основе анализа представленных работ можно сделать вывод, что увеличение значения среднего напряжения приводит к снижению усталостной выносливости. Данный эффект достаточно сильно проявляется для хрупких материалов (таких, как чугун) как при растяжении, так и при кручении [55]. Однако для пластичных материалов (таких, как стали и алюминиевые сплавы) данный эффект слабее выражен при кручении в сравнении с растяжением [36]. Так, некото-

11

рыми авторами [9; 10; 46] предлагается не учитывать изменения среднего напряжения при кручении до тех пор, пока максимальные значения касательных напряжений не превысят предел текучести. При этом предел усталости при симметричном цикле обычно составляет 2/3 от предела текучести при кручении [56], поэтому в литературе встречается относительно небольшое количество экспериментальных исследований при уровне максимальных напряжений ниже предела текучести. Отметим также, что при циклических нагрузках в области сжатия наблюдается рост усталостной выносливости, более значительный для хрупких материалов, чем для пластичных [37; 46].

Схожее поведение демонстрируют материалы при действии постоянных статических составляющих в условиях непропорциональных многоосных воздействий (например, переменный изгиб с постоянным кручением и т.д.) [9; 10; 22; 34; 38; 46]. Следует отметить, что в литературе встречается существенно меньше исследований о влиянии постоянных статических составляющих на усталостное поведение материалов при многоосных нагружениях, чем при одноосных, отсутствует комплексный подход.

Кроме этого, в работах в основном уделяется внимание пределу выносливости при более 106 циклов, т.е. рассматриваются такие нагрузки, при которых материал (условно) может выдержать неограниченное количество циклов такого воздействия. Однако при проектировании конструкций с установленным (ограниченным) сроком службы с целью экономии ресурсов важно определять не только предел выносливости, но и получать кривые усталости при различных уровнях статических составляющих.

Помимо постоянных статических составляющих при непропорциональных многоосных нагрузках, на усталостную долговечность также могут оказывать влияние такие факторы, как изменение соотношения амплитуд напряжений [27; 57; 67], фазового угла между режимами воздействия [27; 57; 59; 67], соотношения частот нагружения [40; 47], сложные несинусоидаль-

ные формы циклов [1; 2; 28; 43; 60].

12

Реальные конструкции имеют сложную геометрию и, следовательно, обладают концентраторами напряжений, которые могут влиять на сопротивление усталости. В этом случае, даже если нагрузка является одноосной, напряженно-деформированное состояние вблизи концентратора напряжений является сложным.

1.2. Испытательное оборудование для проведения циклических испытаний при сложном напряженном состоянии

Целью проведения усталостных испытаний является определение основных характеристик сопротивления усталости конструкционных материалов. Существует множество методов определения усталостной долговечности, которые проводятся по различным схемам нагружения и при различных температурах.

В России порядок проведения усталостных испытаний металлов и сплавов регламентируется стандартом ГОСТ 25.502-79 «Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость» [73]. Данный стандарт объединяет в себе испытания металлических материалов при циклическом нагружении в областях многоцикловой и малоцикловой усталости. Основными зарубежными стандартами в области проведения усталостных испытаний металлических материалов при одноосном и двухосном нагружении является ASTM E 606-21 «Practice for strain-controlled fatigue test» [8], E466-21 «Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials» [7] и E2207-15 «Standard Practice for Strain-Controlled Axial-Torsional Fatigue Testing with Thin-Walled Tubular Specimens» (2021) [6].

Современные испытательные системы, высокоточные измерительные средства контроля напряжений и деформаций, современные программные обеспечения позволяют получать информацию об усталостных свойствах различных конструкционных материалов в условиях реализации сложных режимов термомеханических воздействий [73; 82].

13

Использование современного испытательного оборудования позволяет получ ать дополнительную информацию об испытаниях, а именно:

непрерывну ю регистрацию в процессе нагружения диаграмм статического и циклического упругопластического деформирования;

количество циклов нагружения в реальном времени;

сохранение пиков и трендов цикла, что упрощает дальней шую обработку д анных.

Экспериментальные исследования конструкционных мате-

риалов в условиях малоцикловой и многоцикловой усталости при одн осном растяжении – сжатии, результаты котор ых представлен ы в настоящей работе, проводились на сервогидравлической исп ытательной системе Instron 8801 (рис. 1.1). Данная система предназначена для статических испытаний на растяжение, сжатие и изгиб, а также позволяет проводить циклические испытания с различной формой волны и частотой до 20 Гц пр и комнатных и повышенных температурах до 1000 °С.

Рис. 1.1. Фотография сервогидравлической испытательной системы Instron 8801

14

В состав испытательной системы входит двухколонная высокопрецизионная рама со встроенными гидравлическими подъёмниками верхней траверсы, захваты для удержания образцов, контролер Fast Track 8800 и датчик нагрузки Dynacell. Управление циклическими испытаниями осуществляется с использованием программного обеспечения Console и WaveMatrix. Испытательная машина управляется при помощи контроллера Fast Track 8800, предназначенного для сбора и обработки экспериментальных данных испытаний. Контроллер имеет автоматическую электронную систему защиты образца и оператора, возможность управления формой волны циклического нагружения, обеспечивает калибровку датчиков и контроль параметров испытания.

Передача усилия на образец передается при помощи захватов. Для минимизации изгибных деформаций необходимо обеспечивать соосность нагружающей цепи [5], включающей образец, захваты, тяги, датчик нагрузки и прочие возможные вспомогательные элементы. Соосность в нагружающей цепи обеспечивается с помощью юстировочного устройства Alignmen Cell, представленного на рис. 1.2, и программного обеспечения AlignPRO, показанного на рис. 1.3. Устройство Alignmen Cell обладает 8 тензодатчиками, расположенными по два с разных сторон, что

15

ний на сервогидравлических машинах подвижные элементы системы испытывают ускорение, из-за чего в дополнение к силе, прикладываемой к образцу, датчик нагрузки также регистрирует силу, возникшую при движении захватов и установленных приспособлений.

а

Рис. 1.3. Программное обеспечение AlignPRO: основное рабочее окно программы (а), сдвиговые (синяя линия) и угловые (красная линия) отклонения в оси нагружения при несоосности (б), минимальные значения отклонений после устранения несоосности (в)

16

усталость. Во время испытаний осевые перемещения регистрировались динамическим датчиком Instron 2620-603, приведенным на рис. 1.6. Используемый датчик имеет базу измерения 10,0 мм, диапазон измерений ± 1 мм, или ± 10 % , линейность до ± 0,15 % от полн ой измерительн ой шкалы.

Рис. 1.6. Динамический экстензометр Instron 2620-603 для испытаний в условиях одноосного циклического деформиров ания

гладкие сплошные цилиндрические образцы с диаметром рабочей части 4–7 мм. Для получения характеристик при статическом нагружении рекомендуется также применять сплош ные цилиндри ческие образцы. Концевые части образцов должны обеспечивать точность осевой центровки образца в захватах машины и мог т быть выполнены в виде резьбовых головок.

Проведение двухосных усталостных испытани й регламентиру ется стандартом ГОСТ 25.502-79 «Методы механических исп ытаний металлов. Методы испытаний на усталость» [60], а также зарубежным стандартом в области проведения двух-

настоящей работе реализованы на универсальной двухосевой сер-

18

вогидравлической испытательной системе Instron 8850 (рис. 1.7, а), предназначенной дл я испытания на р астяжение – сжатие с частотой до 20 Гц, макси мальной осевой нагрузкой 100 кН и кручение с максимальным крутящим моментом 1000 Н∙м.

Для испытаний на многоцикловую усталость при двухосном нагружении использовалась двухосевая электродинамическая система Instron E10000 (рис. 1.7, б), предназначенная для про ведения циклических испытаний с частотой до 100 Гц и максимальной нагрузкой 10 кН при растяжении – сжати и и с частотой до 10 Гц и макси мальным момен том 100 Н∙м пр и кручении.

Рис. 1.7. Фотографии универсальных д вухосевых экспериментальных установок: а – сервогидравлическая исп ытательная система Instron 8850; б – электродинамическая испытательная система Instron E10000

Управление испытательными машинами осуществляется при помощи контроллера, содержащего платы управления для осей, модули регистрации и модули обработки данных для каж-

19

дого датчика испытательной системы. Во время испытаний осевое усилие и крутящ ий момент позволяют отслежив ать датчики сил ы и момента, расположенные в н ижней части силовой рамы. Максимальная осев ая нагрузка датчика составляет 160 кН, максимальный крутящий момент – 1000 Н∙м.

Для регистрации осевых и сдвиговых де формаций в исп ытаниях на двухосную усталость использовался двухосевой экстензометр Epsilon 3550-010М, п редставленный на рис. 1.8. Двухосевые экстензометры позволя ют проводить циклические исп ытания с контр олем деформационных параметров цикла и реализовать различные траектории жесткого нагружения при про порциональном и непропорциональном изменении осевых и сдви говых деформаций. Измерительная база эксте нзометра составляет 10 мм с полным диапазоном ± 5,0 мм для осевого перемещения и ± 3° для угла сдвига. Их уникальная конструкция нап ямую измеряет угол поверхностной деформаци и сдвига, что позволяет работать с образцами широкого диапазона диаметров без изменения калибровки.

Рис. 1.8. Фотография экстензометра Epsilon 3550-010М, установленного на рабочей части образца

20