- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •1.1. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ
- •впрО&%
- •1.3. СХЕМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА НЕРЕГУЛЯРНОГО НАГРУЖЕНИЯ
- •Результаты экспериментов и расчетная оценка долговечности при малоцикловом нерегулярном нагружении
- •Долговечность образцов с отверстием при нерегулярном нагружении
- •5.3.1. Развитие поверхностных трещин в условиях регулярного циклического растяжения
- •Результаты тензометрирования образца А-1-1
- •6.2.1. Приближенный способ построения весовой функции
- •Поправочные коэффициенты для поверхностной трещины
- •Расчетная долговечность на стадии роста усталостной трещины
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •Усталостная прочность металлов и долговечность элементов конструкций при нерегулярном нагружении высокого уровня
В.Р. Кузьмин, В.А. Прохоров, А .З. Борисов
УСТАЛОСТНАЯ
ПРОЧНОСТЬ
МЕТАЛЛОВ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ
КОНСТРУКЦИЙ
ПРИ НЕРЕГУЛЯРНОМ НАГРУЖЕНИИ высокого УРОВНЯ
Ответственный редактор чл-корр. РАН Н.А. Махутов
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.
ISBN 5-217- 02888-2 |
© В. Р. Кузьмин, В. А. Прохоров, А. 3. Борисов, 1998 |
|
© Издательство "Машиностроение", 1998 |
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)
Марка |
|
|
|
|
|
Прочие |
|
|
Си |
Mg |
Мп |
Fe |
Si |
Zn |
|
|
элементы |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Д16 |
3.8 - |
1,2- |
0,3 - |
0,5 |
0,5 |
0,3 |
0,1 Ti |
|
4.9 |
1,8 |
0,9 |
|
|
|
0,1 Ni |
Д19 |
3,8- |
1,7 |
0,5- |
0,5 |
0,5 |
0,1 |
0,002 - |
|
4,3 |
2,3 |
1 |
|
|
|
0,005 Be |
В95 |
1,4- |
1,8 - |
0,2 - |
0,5 |
0,5 |
5 - 7 |
1,4 - 2 Cr |
|
2 |
2,8 |
0,6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Термообработка |
|
||
|
Марка |
|
Тзак> °С |
|
ТсгГС |
|
^ВЫД> Ч |
|
|
|
|
|
|||
Д16 |
|
|
500 |
|
190 |
|
7 |
Д19 |
|
|
5 |
|
130 |
|
20 |
B95 |
|
|
480 |
|
120 |
|
24 |
П р и м е ч а н и е . |
Т3ак, |
- температуры закалки и старе |
|||||
|
|
|
ния; |
|
|
|
|
твыд " продолжительность выдержки.
|
1075 |
|
, , |
|
|
107.5 |
f |
|
|
|
|
т |
V |
|
|||
|
- о - |
|
" ® " а |
4 |
|
|
||
|
4 ^ |
|
|
6 |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
2 |
1 |
5 |
|
|
|
|
ф |
|
|
|
|
|
4 |
- |
|
|
|
|
|
|
|
||
О |
^ |
|
^ |
|
. |
. jit: |
|
|
О |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в о л а , 0 1 0 |
Ф |
|
|
4 |
|
|
|
|
|
4 |
- |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
4 |
0 |
0 |
|
|
|
|
|
4 |
|
v |
ю ------------1"—1 |
|
Ф |
|
h |
|
|
|
Л 4 .4 |
АОЛА |
0 1 0 |
|
4 |
|
/1 У |
' |
4 |
|
ИЮ |
J |
200 |
|
— - |
W |
|
I |
|
ч-4 Ф
flf* IfS
14.
Рис. 1.1. Плоские образцы для исследования закономерностей однородного
и неоднородного деформирования
Для устранения потери устойчивости образцов от сжимаю щих напряжений применяли специальную обойму, не ограничи вающую продольное перемещение образца. Одноосное знакопе ременное нагружение плоских образцов производили на испыта тельных системах МТС и МФЛ, управляемых от ЭВМ ПДП-8/Е и ПДП-11/34 соответственно. Принцип работы системы заклю
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].
АV/ |
----------------- -' VV----------------- |
|
6 |
|
/.T V ft4 5 |
|
м |
|
9 |
|
24 |
----------- г --------------------- |
-г — |
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-