Successfully reported this slideshow.
Your SlideShare is downloading. ×

Staticheskaja vinoslivost elementov aviacionnih konstrukcij.pdf

Ad
Ad
Ad
Ad
Ad
Ad
Ad
Ad
Ad
Ad
Ad
Н. И. МАРИН
СТАТИЧЕСКАЯ
ВЫНОСЛИВОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ
АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
И З Д А Т Е Л Ь С Т В О
« М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И...
УДК 629.7.023:539.4.431
В книге на базе общепринятых представлений о реальных сплавах как
телах кристаллического строения ...
ПРЕДИСЛОВИЕ
Статической выносливостью конструкций называется их
прочность при многократно повторяющихся статических нагруз...
Advertisement
Advertisement
Advertisement
Advertisement
Advertisement
Advertisement
Advertisement
Advertisement
Advertisement
Advertisement
Upcoming SlideShare
Text of lections
Text of lections
Loading in …3
×

Check these out next

1 of 164 Ad

More Related Content

Similar to Staticheskaja vinoslivost elementov aviacionnih konstrukcij.pdf (20)

More from TahirSadikovi (20)

Advertisement

Recently uploaded (20)

Staticheskaja vinoslivost elementov aviacionnih konstrukcij.pdf

  1. 1. Н. И. МАРИН СТАТИЧЕСКАЯ ВЫНОСЛИВОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ И З Д А Т Е Л Ь С Т В О « М А Ш И Н О С Т Р О Е Н И Е » М о с к в а 1968
  2. 2. УДК 629.7.023:539.4.431 В книге на базе общепринятых представлений о реальных сплавах как телах кристаллического строения схематически описаны процессы деформи­ рования, происходящие в макро- и мнкрообъемах, при однократных и мно­ гократных нагрузках. Дано описание машинного и приборного оборудования для проведения испытаний образцов и элементов конструкции на статическую выносли­ вость. Приведены методические рекомендации по подготовке к испытаниям машин, приборов и образцов. Описания разнообразных испытаний на повторные нагрузки, прово­ димых для изучения закономерностей, связывающих условия испытания с результатами, сопровождаются экспериментальными данными, анализ которых дает основание для суждения об изучаемой закономерности. Сложность закономерностей влияния конструктивно-технологических параметров на статическую выносливость конструкций вызвала необходи­ мость введения специальной главы книги. Нс менее сложные закономер­ ности при многоступенчатых программах нагружения, когда от ступени к ступени меняется не только величина напряжения, но и знак, описаны на ряде примеров различных порядков чередования нагрузок. Описан ряд случаев разрушения от повторных статических нагрузок различных по назначению конструкций. Эти разрушения подтверждают основную мысль книги — статическая выносливость является важной проч­ ностной проблемой для многих конструкций, в которых возникают много­ кратно повторяемые статические нагрузки. Методические рекомендации по проблеме статической выносливости элементов конструкций могут быть полезными в работах заводских, учеб­ ных и исследовательских лабораторий. Экспериментальные данные, приведенные в книге, могут быть использо­ ваны во втузах при изучении курсов прочности конструкций. Иллюстр. 162, табл. 25, библ. 27 назв. Рецензент канд. техн. наук Г. Д. Грингауз 3-18-6 28-БЗ-33-68
  3. 3. ПРЕДИСЛОВИЕ Статической выносливостью конструкций называется их прочность при многократно повторяющихся статических нагруз­ ках. Эти нагрузки по величине и направлению известны конст­ руктору еще в процессе проектирования и являются совершенно безопасными для конструкции, пока они повторяются небольшое число раз. При многократном же повторении (тысячи и десятки тысяч раз) эти нагрузки при некоторых условиях могут разру­ шить конструкцию, хотя по величине они значительно меньше тех, которые являются разрушающими при однократном их при­ ложении. По плавности и малой скорости изменения (частота в пределах 60 циклов в минуту) эти нагрузки можно считать ста­ тическими. Разрушение конструкций от их действия имеет ти­ пично усталостный характер с разделением поверхности разру­ шения на две зоны: зону постепенно нараставшей усталостной трещины со следами хрупкого разрушения и зону со следами пластических деформаций, образовавшихся главным образом за время последнего цикла нагрузки. Статический характер дей­ ствия нагрузок и усталостный характер разрушения конструк­ ций являются основными признаками, выражающими содержа­ ние термина «статическая выносливость конструкции». Этот вид прочности отличается как от статической прочности при однократной нагрузке, так и от динамической выносливости при вибрационной нагрузке. Основным признаком статической выносливости является низкая частота повторения нагрузки, влияние которой на количественную характеристику выносливо­ сти рассматривается в настоящей книге. При написании книги автор стремился обратить внимание инженеров-машиностроителей разных специальностей на необ­ ходимость учета влияния многократной повторяемости медленно меняющихся эксплуатационных нагрузок на прочность детали работающей машины. Кроме того, автор имел целью предостеречь экспериментато- ров-прочнистов от некоторых ошибок при проведении прочност­ ных испытаний, особенно на выносливость. Многолетней прак­ тикой ведения экспериментальных работ накоплено много при­ меров неудачных экспериментов в результате неправильной ме­ 3
  4. 4. тодики решения поставленных задач и еще больше в результате неправильной техники ведения эксперимента. В соответствии с изложенным в книге приводятся законо­ мерности, связывающие основные параметры, определяющие характер, величину нагрузки и режим нагружения с результата­ ми эксперимента. Приводятся некоторые положения и данные методического характера, а также рекомендации по технике подготовки и ведения эксперимента в заводских, учебных и ис­ следовательских лабораториях. Схематические описания процессов и явлений, происходящих в элементах конструкций при действии повторных нагрузок, а также экспериментальные данные исследовательских работ, приведенные в книге, не определяют исчерпывающим образом современного состояния всей проблемы прочности при повтор­ ных статических нагрузках. Они позволяют установить лишь некоторые закономерности, которые могут быть полезны при раз­ работке многих вопросов, входящих в общую проблему стати­ ческой выносливости конструкций. В основу книги положена работа автора «Прочность авиаци­ онных конструкций при повторных статических нагрузках», кото­ рая была удостоена премии 1-й степени и золотой медали имени Н. Е. Жуковского. Описанные в настоящей книге экспериментальные работы проведены при участии Б. Ф. Богданова, Г. В. Великановой, Е. А. Гавриловой, Ю. Н. Гореловой, А. В. Горюнова, А. 3. Во­ робьева, М. В. Колганова, Д. Я. Кулешова, П. И. Михайлова, А. В. Светаковой, М. В. Серова, Е. Н. Сохнышевой, 3. Н. Яков­ левой и др., которым автор приносит глубокую благодарность. Автор выражает также благодарность А. И. Пожалостину и С. П. Стрелкову за советы по ряду вопросов, затронутых в книге. Результаты описанных в книге экспериментальных работ ко­ личественно выражены в единицах системы МКГСС.
  5. 5. ВВЕДЕНИЕ Развитие в СССР научно-исследовательских работ по уста­ лости конструкций в машиностроении вообще и в частности в самолетостроении стало возможным после создания широкой сети соответствующих лабораторий, оборудованных современ­ ными испытательными машинами и новейшей аппаратурой. Круг советских исследователей в области усталости материа­ лов и конструкций представлен многими именами, как, напри­ мер, Н. Н. Давиденков, С. В. Серенсен, И. А. Одинг, Н. П. Ща­ пов, Г. В. Ужик, И. В. Кудрявцев, Я. Б. Фридман, С. И. Ратнер, В. С. Иванова и многие другие. Все разнообразие типов, моделей и марок машин, которое выпускает современная машиностроительная промышленность для самых различных целей, объединяется по одному призна­ ку — каждая машина в условиях эксплуатации за срок службы много раз повторяет определенный цикл работ. При этом в де­ талях всякой работающей машины возникают многократно по­ вторяющиеся нагрузки, величина и направление которых извест­ ны. Напряженность, вызываемая этими нагрузками, зависит от запасов прочности, принятых при проектировании машины. Ве­ личина же запаса прочности выбирается в зависимости от назна­ чения машины и условий ее эксплуатации. В особых условиях по запасу прочности оказываются маши­ ны, в которых требование минимального веса конструкции вы­ нуждает принимать минимальные запасы прочности. В таком положении находятся все виды транспортных машин: автомоби­ ли, речныё и морские суда, самоходные механизмы, транспорт­ но-грузоподъемные механизмы. В особенно трудном положении оказываются летательные аппараты, в частности самолеты, в ко­ торых весовая характеристика конструкции является решающей. Прочностные требования, предъявлявшиеся к самолетам пе­ ред второй мировой войной, сводились к получению удовлетво­ рительных результатов при двух видах испытаний: при статиче­ ском испытании на разрушение однократной нагрузкой и при вибрационных испытаниях на выносливость в местах возникно­ вения при эксплуатации вибрационных режимов нагружения. Самолет, выдержавший o6ia эти испытания, признавался доста­ точно прочным и в условиях эксплуатации. 5
  6. 6. Широкое применение самолетов в боевых операциях во вто­ рой мировой войне показало ошибочность этого заключения. Во многих участвовавших в этой войне странах стали появ­ ляться, а в дальнейшем и учащаться случаи разрушения само­ летов в воздухе при отсутствии нарушений разрешенных усло­ вий эксплуатации. После длительных исследований» и наблюде­ ний было установлено, что причиной разрушения самолетов в воздухе была многократная повторяемость тех эксплуатацион­ ных нагрузок, возникновение которых было заранее известно и которые были безопасны для самолета при однократном или небольшом числе их приложений. При многократном же повто­ рении, которое являлось следствием возросшей во время войны интенсивности использования самолетов, возникала низкочастот­ ная усталость конструкции. Она и оказывалась непосредствен­ ной причиной разрушения самолетов. Так возникла проблема прочности авиационных конструкций при повторных статических нагрузках. Причиной того, что эта проблема впервые возникла в авиационных конструкциях, яв­ ляются низкие запасы прочности в этих конструкциях. Однако стремление к снижению запасов прочности наблюдается не толь­ ко в авиационной, но и в других областях машиностроения, как направление прогрессивное, ведущее к облегчению конструкций и экономии конструкционных материалов. Это направление об­ условило необходимость изучать условия, обеспечивающие экс­ плуатационную прочность этих конструкций, чтобы избежать повторения затруднений, возникших в самолетостроении. Работа конструкций в условиях эксплуатации часто оказы­ вается сложнее, чем при простом повторении эксплуатационных нагрузок, так как на повторные статические нагрузки часто на­ кладываются нагрузки вибрационные, да и сами статические на­ грузки возникают в различных комбинациях по величине и на­ правлению. Получается весьма сложный спектр нагрузок, кото­ рые взаимодействуют между собой, ослабляя действие одних и усиливая действие других. Взаимодействия в этих сложных схемах нагружения так разнообразны и зависят от такого коли­ чества факторов, что изучение их представляет большие труд­ ности. Эти трудности усугубляются еще и тем, что возможности использования теоретических методов решения возникающих вопросов с привлечением математического аппарата весьма ограничены по самой физико-механической схеме развития про­ цессов, происходящих в конструкции при повторных нагрузках. Такие процессы в основе своей определяются местными (ло­ кальными) пластическими деформациями, происходящими в микроскопических объемах. Поэтому исходная позиция механи­ ки деформируемого твердого тела, основанная на представлении сплавов как однородной среды, равномерно и непрерывно за­ полняющей весь объем конструкции и не меняющей своих прочностных свойств при любом уменьшении деформируемого
  7. 7. объема, не может быть использована в полной мере при рас­ смотрении проблемы выносливости. Если исходить из представ­ лений континуума, то не удается объяснить те явления, в том числе и явление разрушения, которые происходят при много­ кратном приложении нагрузки. Объяснения этих явлений и процессов основываются на пред­ ставлениях о реальном сплаве как теле кристаллического строе­ ния, состоящем из множества кристаллов, связанных в одно це­ лое через межкристаллитную прослойку. Такое отвечающее дей­ ствительности представление о реальном сплаве чрезвычайно за­ трудняет применение расчетно-аналитических методов для изу­ чения закономерностей, которым подчиняются явления и про­ цессы при повторных нагрузках. Выявление этих закономерностей в натурных конструкциях осложняется еще и тем, что любой конструктивный элемент имеет какой-нибудь концентратор напряжений (отверстие, свар­ ной шов, резкий переход в размерах и форме, винтовую нарезку п т. д.), который усложняет картину распределения напряжений в расчетном сечении. Поэтому широко поставленный и система­ тически ведущийся эксперимент является основным методом изу­ чения проблемы прочности при повторных нагрузках. А это на­ кладывает большую ответственность на экспериментатора, от которого зависят как степень достоверности результатов экспе­ римента и всех последующих выводов из них, так и надеж­ ность полученных закономерностей. Основными причинами появления ошибок и искажений ре­ зультатов эксперимента являются, с одной стороны, отсутствие подробного руководства по технике проведения эксперимента по прочности, с другой, — передача эксперимента (техники экс­ перимента) младшему техническому персоналу без соответст­ вующего руководства и контроля. Результаты проведенного та­ ким образом эксперимента могут содержать ошибки и искаже­ ния, обнаружение которых в большинстве случаев окажется невозможным. Исследования выносливости в машиностроении на базе экс­ периментальных данных могут вестись в двух основных направ­ лениях: по пределу выносливости и по ограниченному сроку службы конструкции. Поиск решения на базе предела выносли­ вости применяется в том случае, когда рассчитываемая деталь машины должна работать неограниченно долго. В этом случае напряжение в расчетном сечении детали допускается ниже пре­ дела выносливости. В конструкциях с ограниченным сроком службы, в частно­ сти авиационных, в расчетном сечении допускается напряжение, значительно превышающее предел выносливости. Оно выбирает­ ся таким образом, чтобы соответствующее ему разрушающее число циклов нагрузки согласовалось с предполагаемым ограни­ ченным сроком службы конструкции. 7
  8. 8. Для выражения ограниченного срока службы испытываемого на выносливость образца часто пользуются термином «долго­ вечность», который, строго говоря, является только временной характеристикой. Для характеристики ограниченной выносливости конструк­ ции вместо термина «долговечность» правильнее применять тер­ мин «срок службы», который, выражает длительность работы конструкции, а не календарный срок ее существования. При этом предполагается, что конструкция хранится в неработающем состоянии, без ущерба для ее прочности. Если же это условие не обеспечивается, то должна быть соответствующая поправка на срок службы. Явления и процессы, происходящие в расчетных сечениях конструктивных элементов при многократно повторяющихся на­ грузках, описываются в предлагаемой книге в. механическом аспекте, как схема, построенная на базе элементарных представ­ лений о зарождении и развитии пластической деформации без расшифровки физической сущности полос сдвига, образующихся при этой деформации. Приводимые в книге экспериментальные данные представля­ ют их средние значения, полученные из непосредственного экс­ перимента после их элементарной обработки по суммированию и вычислению средних величин. Ниже приведена применяемая в книге терминология, в кото­ рой каждый термин сопровождается его определением. Для нагрузок, имеющих различные направления, применяет­ ся общепринятая условность: растягивающие нагрузки считают­ ся положительными (+ ), сжимающие — отрицательными (—). № по пор. Термин Определение 1 Выносливость (материала или конструкции) Способность сопротивляться разру­ шению при действии многократно повторяющейся нагрузки 2 Утомляемость Свойство накапливать поврежде­ ния, вызываемые многократно по­ вторяющимися нагрузками 3 Усталость Некоторая степень утомления от действия многократно повторяющих­ ся нагрузок 4 Статическая выносливость Выносливость под действием плав­ но и медленно изменяющихся и мно­ гократно повторяющихся нагрузок, которые могут считаться статиче­ скими 5 Выносливость (динамиче­ ская) Выносливость под действием бы­ стро меняющихся (вибрационных)- нагрузок
  9. 9. Продолжение № по пор. Термин Определение 6 Концентрация напряжений Явление резкого изменения величи­ ны напряжений, возникающее в ме­ стах резких изменений формы и раз­ меров тела 7 Чувствительность к концен­ трации напряжении (при по­ вторных нагрузках) Степень изменения выносливости материала при наличии концентрато­ ра напряжений по сравнению с вы­ носливостью образца без концентра­ тора напряжений 8 Период цикла нагружений Продолжительность полной одно­ кратной смены последовательных значений переменной нагрузки 9 Цикл нагружения Полная смена последовательности значений нагрузки за один период 10 Частота повторения нагруз­ ки Число непрерывно повторяющихся циклов нагрузки в единицу времени 11 Повторяемость нагрузки Число повторений циклов нагрузки за рассматриваемый промежуток вре­ мени 12 Чувствительность к частоте повторения нагрузки Степень изменения выносливости материала или конструкции с изме­ нением частоты повторения нагрузки 13 Пластическая деформация Деформация без образования мак- ротрещнн, остающаяся после прекра­ щения вызывающих ее воздействий 14 Наклеп Изменение свойств и состояния ма­ териала, вызванное пластической де­ формацией 15 Номинальное напряжение Напряжение, вычисленное без учета концентрации напряжений по началь­ ным (до приложения нагрузки) раз­ мерам сечения 16 Временное сопротивление ма­ териала при растяжении Номинальное напряжение, вычис­ ленное по наибольшей нагрузке перед разрушением образца без концентра­ тора напряжений 17 Разрушающее напряжение при растяжении Номинальное напряжение, вычис­ ленное по наибольшей нагрузке перед разрушением образца с концентра­ тором напряжений 18 Коэффициент напряженности Отношение номинального повто­ ряющегося напряжения (нагрузки) к разрушающему напряжению (на­ грузке) или к временному сопротив­ лению материала 19 Относительная выносливость Выносливость при данном коэффи­ циенте напряженности 9
  10. 10. Продолжение № но пор. Термин Определение 20 Наибольшая (максимальная) Наибольшее по алгебраической ве­ нагрузка цикла личине значение нагрузки цикла 21 Наименьшая (минимальная) Наименьшее по алгебраической ве­ нагрузка цикла личине значение нагрузки цикла П р им еч а ни е. Определения терминов 22—26 относятся к формам циклов, близким к синусоидальным. 22 Средняя нагрузка цикла Алгебраическая полусумма наи­ большей и наименьшей нагрузок цикла 23 Амплитуда цикла Алгебраическая полуразность наи­ большей и наименьшей нагрузок цикла 24 Размах цикла Удвоенное значение амплитуды цикла 25 Показатель асимметрии цик- Отношение средней нагрузки цикла ла с ее знаком к наибольшему по абсо­ лютной величине значению нагрузки 26 цикла Симметричный цикл Цикл нагружения, в котором наи­ большая и наименьшая нагрузки рав­ ны по величине и противоположны 27 по знаку Асимметричный цикл Цикл с неодинаковыми по абсолют­ ной величине наибольшей и наимень­ 28 шей нагрузками Пульсирующий цикл Цикл, у которого наибольшая или 29 наименьшая нагрузка равна нулю Предел выносливости при Наибольшая амплитуда напряже­ симметричном цикле ния цикла, при которой разрушение еще не происходит при достижении заданного значительного числа цик­ 30 лов нагрузки Предел выносливости при Наибольшее по абсолютной вели­ пульсирующем цикле чине напряжение цикла, при котором разрушение еще не происходит при достижении заданного значительного 31 числа циклов нагрузки Коэффициент концентрации Отношение наибольшего напряже­ напряжений ния, вычисленного с учетом концен­ трации (в предположении полной упругости), к номинальному напря­ 32 жению в том же сечении Эффективный коэффициент Отношение предела выносливости концентрации напряжений гладкого образца к пределу вынос­ ливости образца с концентратором напряжений, вычисленному по помп- иальным напряжениям 10
  11. 11. Продолжение № по пор. Термин Определение 33 Одноступенчатая повторная нагрузка Нагрузка с постоянной амплитудой 34 Многоступенчатая повторная нагрузка Нагрузка с амплитудой, изменяю­ щейся в определенной последователь­ ности 33 Программа нагружения Полное число всех циклов нагруз­ ки за все время испытания 36 Ступень программы нагру­ жения Часть программы нагружения, со­ ставленная непрерывным повторени­ ем одного и того же цикла с постоян­ ной амплитудой до определенного числа циклов 37 Спектр нагрузок Все эксплуатационные нагрузки на конструкцию, различающиеся по ве­ личине, направлению и частоте с уче­ том температуры • 38 Усталостное повреждение Уменьшение выносливости материа­ ла или конструкции от действия по­ вторных нагрузок постоянной ампли­ туды 39 Усталостный срок службы конструкции Срок службы, определяемый толь­ ко выносливостью конструкции 40 1 Эксплуатационный срок службы Срок службы, определяемый при всей совокупности условий эксплуа­ тации Замечания по терминологии 1. Выносливость конструкций может быть количественно вы­ ражена величиной напряжения (нагрузки) при заданном разру­ шающем числе циклов нагружения или разрушающим числом циклов при заданном напряжении. В литературе по вопросам выносливости число циклов, при котором образец разрушается, часто называется долговечностью или усталостной долговечностью образца. Но при испытании конструкции, особенно в условиях, близ­ ких к эксплуатационным, когда наблюдаются длительные пере­ рывы в работе конструкции, переменные по интенсивности нагре­ вы, коррозионные процессы и т. п., вместо термина «долговеч­ ность конструкции» правильнее применять термин «срок служ­ бы конструкции» и выражать результат испытания на вынос­ ливость числом циклов нагружения при разрушении. По сущест­ ву срок службы конструкции, выраженный разрушающим чис­ лом циклов, характеризует выносливость ее при принятой про­ грамме нагружения, учитывающей основной спектр нагрузок при эксплуатации. 11
  12. 12. 2. Под термином «усталость» материала или конструкции следует понимать такое состояние без разрушения, до которо­ го доводится образец или конструкция многократным повторе­ нием нагрузки. Усталость как состояние конструкции выражает некоторую степень ее «утомления», пределом которой является разрушение [5], [6], [7], [8]. 3. Кроме обычного приема графического изображения ре­ зультатов испытания на выносливость в виде кривой выносливо­ сти, построенной в осях а—N (напряжение — число циклов), можно построить кривую выносливости в осях К—N (/<= =ОповтАгразр— коэффициент напряженности, выражающий от­ носительную напряженность образца в безразмерных единицах, N — разрушающее число циклов). При этом кривые всех сплавов будут выходить из одной точ­ ки на оси ординат, соответствующей значению /С= 1. Эта точка соответствует статической прочности образца, т. е. моменту до­ стижения максимальной нагрузки перед разрушением образца при однократном нагружении, когда нагрузка постепенно нара­ стает от нуля до максимального значения. Этот момент при рас­ тяжении наступает при (JB=Pm&JPo, если образец не имеет концентратора напряжений, и при аРаэр=Лпах/[£о]петто, если об­ разец имеет его (отверстие, надрез, сварной шов и т. п.). Расположение кривых в виде пучка, выходящего из общей точки, дает возможность наглядно сравнивать конструкционные сплавы между собой по их относительной выносливости, при данной относительной напряженности (при данном К). Количе­ ственная оценка выносливости сплава при данной относительной напряженности может быть выражена, как обычно, разрушаю­ щим числом циклов N. Сравнительная характеристика сплавов по графику, постро­ енному в осях /С—N, позволяет металловеду следить за относи­ тельным изменением выносливости сплава при изменении его состава и установить влияние ряда технологических параметров, определяющих его структурное, напряженное и деформирован­ ное состояние. Конструктору же этот график вместе с обычным графиком, построенным в осях а—N, помогает полнее учесть прочностные свойства сплава при выборе его для конкретной конструкции в соответствии с условиями эксплуатации.. Сущест­ венную помощь конструктору он может оказать в том случае, когда прочностные свойства сплава могут изменяться в зависи­ мости от условий и срока эксплуатации конструкции (перемен­ ная температура, коррозионные процессы и т. п.). Чем меньше относительная выносливость сплава, тем осторожнее следует его применять, проверяя, является ли разрушающее число цик­ лов нагружения достаточным для ожидаемого срока службы конструкции. Для конструкций, в которых весовая характеристи­ ка играет существенную, а иногда и решающую роль, как на­ пример, для транспортных машин (летательные аппараты, авто­ 12
  13. 13. мобили, речные и морские суда и т. п.), следует учитывать также и удельный вес сплава. 4. Для выражения степени асимметрии цикла нагружения часто применяется так называемый «коэффициент асимметрии» г= . являющийся отношением минимальной нагрузки цик­ ла к максимальной с их знаками. При этом симметричный цикл (т. е. цикл с нулевой асимметрией) количественно характери­ зуется величиной г ——1, пульсирующее растяжение г = О , пульсирующее сжатие г = —со . Таким образом, количественное значение коэффициента г нисколько не помогает выяснению вида рассматриваемого цикла. in ill I I - 5 w cl <-0,5 ol=-0,S -0,5< cl<0 cl<0 I|1 111 511 ft s § +0,5>ct>o ol=+01 5 a.>+0,5 ol>0 -{PC?>0 Рис. 1. Схема разновидностей циклов при разных значениях показателя их асимметрии а Для выражения степени асимметрии цикла нагружения мож­ но принять такой «показатель асимметрии» (именно показатель, а не коэффициент), который действительно показывал бы по величине и знаку степень и направление асимметрии. За такой показатель можно принять отношение средней нагрузки цикла с ее знаком к наибольшей по абсолютной величине (независимо от р ее знака) нагрузке цикла а= —р —. Этот показатель при сим- I ^liriax метричном цикле в соответствии с самим названием цикла при- нимает нулевое значение (отсутствие асимметрии); при преоб­ ладании растяжения, в том числе и при пульсирующем растяже­ нии, он положителен, при преобладании сжатия — отрицателен. Все разнообразие значений показателя асимметрии а представ­ 13
  14. 14. лено на рис. 1. Ввиду большего удобства этого показателя по сравнению с коэффициентом г он и принят в дальнейшем для выражения асимметрии цикла нагружения. 5. Определением термина «усталостное повреждение» имеет­ ся в виду исключить смешение этого понятия с понятием о влия­ нии одной ступени программы на выносливость образца при последующих ступенях. Это влияние может быть и упрочняю­ щим, в зависимости от величины и знака нагрузки и вида циклов сопоставляемых ступеней программы нагружения.
  15. 15. ЭФФЕКТ ДЕЙСТВИЯ ПОВТОРНЫХ НАГРУЖЕНИЙ 1. ОСНОВНЫЕ ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ Одной из основных характеристик механических свойств кон­ струкционных сплавов является предел упругости (ау) сплава, представляющий то наименьшее напряжение, при котором в ис­ пытываемом образце начинают появляться остаточные (пласти­ ческие) макродеформации. Количественное выражение этой ха­ рактеристики, вообще говоря, зависит от точности измеритель­ ной аппаратуры, при помощи которой измеряются деформации образца при нагрузках и разгрузках. Чем точнее измерительная аппаратура, тем раньше обнаруживается пластическая дефор­ мация и тем ниже количественное выражение предела упруго­ сти. В большинстве случаев для определения предела упругости употребляется измерительная аппаратура, позволяющая надеж­ но определить в ходе испытания (на растяжение) то напряже­ ние, при котором остаточная деформация образца при разгрузке достигает 0,001% измеряемой длины образца (базы измерения). Иногда принимаются и другие значения остаточной деформации, которые обязательно должны указываться одновременно с дан­ ными по величинам предела упругости. Так, например, введен­ ный с 1 января 1962 г. ГОСТ 1497—61 так определяет предел упругости: «предел упругости (условный) (Т о ,os кГ/мм2— напря­ жение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05% от длины участка образца, равного базе тензометра». Введение в само определение предела упругости конкретной величины допуска на остаточное удлинение (0,05%), которая во много раз больше того, что может быть надежно измерено современными тензометрами, вносит дополнительные затрудне­ ния и путаницу и в без того запутанную терминологию по меха­ ническим свойствам материалов. Таким образом, характеристика сплава, на которой основывается объяснение явления устало­ сти — предел упругости, — является величиной, до известной степени условной. Следует отметить, что эта характеристика не­ редко смешивается с другой характеристикой — пределом теку­ чести. Под таким наименованием несколько десятилетий назад Глава I 15
  16. 16. подразумевалась точка на диаграмме растяжения железоугле­ родистого сплава (рис. 2), в которой направление касательной к кривой, построенной в осях «напряжение — удлинение», резко изменялось (точка ат), и в дальнейшем течение кривой продол­ жалось на некотором участке практически параллельно оси абс­ цисс, т. е. деформирование сплава продолжалось без существен­ ного изменения нагрузки. Происходило «течение» сплава, что и было выражено термином «предел текучести». Точнее было бы назвать эту точку началом, а не пределом текучести. Но термин Рис. 2. Схема диаграммы растяжения Рис. 3. Схема диаграммы растя- сплава, имеющего физический предел жения сплава, не имеющего фнзн- текучести < гт и зону текучести ческого предела текучести этот вошел во всеобщее употребление и держался несколько десятилетий. По мере появления новых сплавов, не имевших явно выра­ женного предела текучести (рис. 3), возникло затруднение при сравнении этих сплавов по способности к образованию значи­ тельных пластических' деформаций. Железоуглеродистые спла­ вы можно было сравнивать по пределу текучести. Поэтому была введена новая характеристика сплавов для определения их спо­ собности к образованию значительных пластических деформа­ ций. За такую характеристику было принято напряжение (при испытании на растяжение), при котором пластическая дефор­ мация достигает 0,2% измеряемой длины образца. Первона­ чальное название этой характеристики было «предел ноль два» в отличие от действительного предела текучести. В последующем эту характеристику стали называть «услов­ ный предел текучести»j а с течением времени слово «условный» во многих работах стали опускать. Получился опять предел те­ кучести, но уже с другим содержанием. Прежний, так сказать, «настоящий» предел текучести сплава стали называть «физиче­ ским пределом текучести». Кроме того, в некоторых технических 16
  17. 17. условиях на приемку сплавов в качестве допуска на пластиче­ скую деформацию стали назначать не 0,2%, а иные величины, продолжая характеристику называть тем же термином «предел текучести». Так создалась путаница вокруг этого термина. Но какая бы величина допуска на пластическую деформацию ни была принята (за нормальный допуск следует принимать 0,2% измеряемой длины), «условный предел текучести» представляет действительно совершенно условную характеристику, нужную и удобную для сравнения сплавов между собой, но не являющую­ ся показателем какого-нибудь предельного физического состоя­ ния сплава. Эта условная характеристика, как отмечалось выше, нередко ошибочно употребляется в разных формулировках вместо пре­ дела упругости в отечественных работах и особенно в пере­ водных. Обе указанные характеристики — предел упругости и услов­ ный предел текучести — при растяжении количественно выра­ жаются как частное от деления соответствующей нагрузки на площадь начального сечения образца, что равносильно предпо­ ложению о равномерном распределении напряжений растяжения по площади поперечного сечения образца. На самом деле напря­ жения в сечении образца распределяются неравномерно вслед­ ствие дискретности строения сплава, состоящего из множества кристаллов. Указанная величина напряжения принимается как средняя статистическая из всех действительных значений напря­ жений от минимального до максимального для всего сечения. Дискретность строения сплава объясняется спецификой процес­ са образования твердого сплава из жидкого состояния. На рис. 4 приведена известная схема кристаллизации сплава из расплава (т. е. из жидкого состояния) при его остывании [9]. На рис. 4, а показаны семь очагов кристаллизации, соответст­ вующих разным стадиям формирования кристаллов:— от пер­ воначальной (показана в середине условно одиночным квадра­ тиком) и до более сложной (девять квадратиков). На рис. 4, б и в показаны дальнейшие стадии роста кристал­ лов. На рис. 4, г намечаются контуры будущих кристаллов, ко­ торые на рис. 4, д уже почти оформились — остается еще в жид­ ком состоянии только небольшая межкристаллитная прослойка. На рис. 4, е показан разрез уже окончательно затвердевшего сплава с полностью оформленными кристаллами. В сплаве их принято называть зернами или кристаллитами в отличие от кри­ сталлов, закончивших процесс кристаллизации свободно, без стеснения их окружающими кристаллами. Черными жирными линиями показана межкристаллитная прослойка, отделяющая кристаллы друг от друга и имеющая иной состав и иные свой­ ства, чем сами кристаллы. Каждый кристалл развивается до известной степени незави­ симо от остальных кристаллов, но в зависимости от совокупно­ 17
  18. 18. сти случайных внешних условий остывания расплавленного объ­ ема в данной его точке. Вследствие этого кристаллографические оси каждого кристалла, т. е. оси, по которым ориентирован кри­ сталл в процессе его роста, оказываются расположенными в пространстве случайным образом. Между тем механические Рис. 4. Схема постепенного нарастания кристаллизации спла­ ва при остывании свойства кристалла зависят от того, в каком направлении отно­ сительно этих осей они определяются. Чтобы дать некоторое представление об этой зависимости, в табл. 1 приведены значения отношений наибольшей величины модулей упругости Е и G к наименьшей для некоторых чистых металлов [10]. Испытания проводились на образцах, вырезанных из монокристаллов (выращенных специальными приемами) в разных направлениях относительно кристаллографических осей. 18
  19. 19. Таблица 1 Металл (монокристалл) ^ шах ^mln Стах Ощ1п Металл (монокристалл) ^тах Gmax ^min Вольфрам 1,0 1,0 Серебро 2.7 2,3 Алюминий 1,2 1,2 Золото 2,7 2,3 Магний 1,2 1,1 Медь 2,9 2,5 Железо 2,2 1,9 Цинк 3,6 1,8 В табл. 2 приведены значения временного сопротивления разрыву а„ и удлинения после разрыва 6 тоже в зависимости от направления растяжения по отношению к кристаллографи­ ческим осям [10]. Как видно из табл. 1 и 2, изменения основ­ ных механических характери­ стик по различным направле­ ниям кристаллов оказывают­ ся количественно весьма зна­ чительными. Количественное определение изменений указан­ ных характеристик в микро­ объемах. конструкционных сплавов, а не монокристаллов, еще больше осложняется наличием межкристаллитной прослойки, которая обладает иными свойствами, чем сами кристаллы. Из приведенных примеров анизотропии кристаллов следует, что в каждом кристалле есть направление, в котором он оказы­ вает наименьшее сопротивление пластическому деформирова­ нию по схеме сдвига.внутри зерна. Поэтому из группы различно ориентированных кристаллов при заданном направлении дей­ ствия нагрузки первыми начнут пластически деформироваться те кристаллы, которые ориентированы наименее благоприятно по отношению к направлению действия нагрузки. Если после этого нагрузка будет возрастать, то за ними начнут деформироваться кристаллы, расположенные несколько благоприятнее по отно­ шению к направлению действующей нагрузки. Наличие в спла­ ве межкристаллитной прослойки, отделяющей зерна сплава друг от друга, вносит большие осложнения в схему их деформирова­ ния, особенно при значительной напряженности, когда и сама прослойка получает остаточные деформации. Приведенная на рис. 4, е схема строения относится к лито­ му сплаву, т. е. остывшему из жидкого состояния и не подвергав­ шемуся после этого никакой технологической обработке, связан­ ной с нагревом или пластической деформацией. Таблица 2 Металл (°в)шах 8тах (монокристалл) (°n)mln 8т1п Алюминий 1,95 3,6 Медь 2,7 5,5 19
  20. 20. Все полуфабрикаты из деформируемых сплавов (листы, прут­ ки, профили, трубы, поковки, штамповки и т. д.), из которых и изготовляются конструкции при обработке их из слитков, под­ вергаются различным технологическим операциям, связанным с нагреванием и пластической деформацией. При этих операциях в начальном строении сплавов происходят существенные изме­ нения вследствие как ориентированных пластических деформа­ ций в значительных объемах, так и физико-химических превра­ щений в структуре сплавов. Форма, размеры и строение зерен и межзеренных прослоек при этом существенно изменяются по сравнению с первоначаль­ ными и представляют картину еще более сложную, чем на рис. 4, е. В работе [11] для железа армко установлено, что при напря­ жениях, превышающих предел текучести, более слабыми при повторных нагрузках оказываются межзеренная прослойка, а при напряжениях ниже предела текучести — тело самого зерна. Наиболее распространенной схемой пластического деформи­ рования зерен машиностроительных сплавов является сдвиго­ вая деформация, при которой одна часть зерна сдвигается по отношению к другой по некоторой плоскости, являющейся сла­ бейшим направлением при данном расположении рассматривае­ мого зерна по отношению к направлению нагрузки. Другие схе­ мы пластического деформирования, например схема двойникова- ния, встречаются значительно реже и тоже сопровождаются сдвигом, но по более сложной схеме. Мы ограничимся рассмот­ рением только первой схемы — чисто сдвиговой деформации. На рис. 5, а показан разрез двух зерен сплава на поверхно­ сти образца. Для каждого зерна штриховкой условно показаны его слабейшие в смысле сдвига направления. Эти же два зерна схематически показаны на рис. 5, б после приложения внешней нагрузки, вызвавшей пластическую деформацию. Каждое зерно претерпело сдвиговую деформацию, не разрушив еще межзерен- ную прослойку по ряду параллельных плоскостей, общая на­ правленность которых совпадает с направлением наименьшего сопротивления зерна на сдвиг. Приведенные примеры анизотропии кристаллов ряда метал­ лов и общая схема зарождения и развития пластической дефор­ мации в них указывают на то, что для объяснения и изучения локальных явлений и процессов, происходящих при деформиро­ вании реальных сплавов, нельзя исходить из гипотезы о равно­ мерном непрерывном заполнении всего объема конструктивного элемента материалом (средой), из которого он изготовлен. Необ­ ходимо учитывать кристаллическое (дискретное) строение ис­ ходного конструкционного материала. Исходя из этих представ­ лений, можно полнее представить себе и схему механизма де­ формирования сплава. Определение поля напряжений в объемах, соизмеримых с 20
  21. 21. размерами образца или конструктивного элемента (напряжения первого рода), производится по обычным формулам теории упру, гости и сопротивления материалов. Этим определяется общая картина напряженного состояния, на фоне которого протекают те локальные явления и процессы, которые и ответственны за нарушение прочности сначала в микрообъемах, а затем в макро­ объемах, что приводит к полному разру­ шению детали. Представление о преде­ ле упругости сплава, имеющего кристал­ лическую структуру, как о начале по­ явления пластических деформаций в деформируемом микрообъеме должно соответствовать представлению о нерав­ номерности распределения этих деформа­ ций во всем рассматриваемом объеме. Поэтому отклонение от совершенной упругости с повышением нагрузки долж­ но нарастать постепенно, по мере вовле­ чения в пластическую деформацию все новых зерен, а также и по мере увеличе­ ния деформации в уже деформированных зернах. Таким образом, получение пла­ стической деформации в деформируемом микрообъеме еще не означает возникно­ вения ее во всех точках этого объема: одни части объема могут оказаться в зо­ не пластической деформации, а другие еще в зоне упругих деформаций. Для анализа явлений, происходящих в деформируемом объеме при многократ­ ных повторениях деформирования, большой интерес представ­ ляют те закономерности, которые для однократного деформиро­ вания принимаются как достаточно достоверные. К таким зако­ номерностям относится прежде всего достоверность существова­ ния зоны полной упругости сплава. Обычная методика экспери­ ментального определения предела упругости по принятому до­ пуску (например, 0,001.%) оставляет нерешенным вопрос о том, где же действительно начинают появляться пластические де­ формации, которые нарастают постепенно. Другими словами, если исходить из величины предела упругости, определяемого экспериментально по обычной методике, то рассматриваемое явление, может быть, следует считать происходящим еще в зоне полной упругости. А на самом деле из-за приближенности ее определения явление окажется уже за пределами совершенной упругости из-за локальных пластических деформаций, что при многократности повторения нагружения приведет уже к значи­ тельным накоплениям этих пластических деформаций и к необ­ ратимости всего процесса деформирования. 6) Рнс. 5. Схема двух зерен сплава, выходя­ щих на поверхность образца: а— до деформации; б— после пластическое де­ формации 21
  22. 22. Другая закономерность, принимаемая в теории упругости и пластичности в упрощенном виде, описывает процесс разгрузки и повторной нагрузки и говорит о полной упругости этих про­ цессов. На самом деле в натурных конструкциях, особенно авиа­ ционных, запасы прочности таковы, что в зонах концентрации напряжений даже и при нормальных эксплуатационных усло­ виях часто возникают локальные пластические деформации. Эти деформации при разгрузке переходят в локальные деформа­ ции обратного знака, что при наличии эффекта Баушиигера (понижение предела упругости сплава после предварительного нагружения выше предела упругости нагрузкой противополож­ ного знака) проявляется еще сильнее. 2. МАКРОЭФФЕКТ ДЕЙСТВИЯ ПОВТОРНЫХ НАГРУЗОК Для выяснения схемы действия повторной нагрузки в рас­ четном сечении детали рассмотрим деталь простейшей формы с концентрацией напряжений— полосу прямоугольного попереч­ ного сечения с круглым цен­ тральным отверстием, растяги­ ваемую центрально приложен­ ной нагрузкой (рис. 6). Такая форма образца выбрана пото­ му, что, с одной стороны, она хорошо изучена в отношении распределения- напряжений в зоне их концентрации, а с дру­ гой,— эта форма имеет кон­ центратор напряжений в виде отверстия, часто встречающе­ гося в натурных конструкциях. Концентратор в образце необ­ ходим для того, чтобы приня­ тую форму рассматривать как модель натурного конструктив­ ного элемента, который всегда содержит какой-нибудь кон­ центратор напряжений (от­ верстие, сварной шов, нарезку, резкий переход в размерах и т. п.). Если нагрузка Р, растягивающая полосу, так мала, что вы­ зываемые ею действительные деформации вполне упруги даже в местах наибольшей концентрации напряжений (напряжения первого рода по полусечению полосы изображаются при этом кривой АВВА{), то после разгрузки полосы до нагрузки Р =О все деформации исчезают, и полоса приходит в первоначальное состояние. Многократное повторение таких нагрузок и разгрузок не может разрушить полосу. При дальнейшем возрастании t i t " » ! Рис. 6. Схема распределения напря­ жений в расчетном сечении полосы с отверстием, растянутой ниже и вы­ ше предела упругости сплава 22
  23. 23. внешней нагрузки напряжения вблизи отверстия могут пре­ взойти предел упругости сплава на некотором участке сечения AD, и график напряжений представится линией ACDB2A U кото­ рая на отрезке CDXбудет соответствовать зоне AD сечения, в которой появились пластические деформации. После разгрузки полосы до Р= 0 полоса уже не сможет вер­ нуться к начальному состоянию, так как в зоне AD сечения де­ формация является упруго-пластической. Но в зоне DAXвообра­ жаемые волокна полосы растянуты упруго и стре­ мятся прийти к начальной длине, сжимая зону AD. Устанавливается равновес­ ное состояние: зона A X D ока­ зывается несколько растяну­ той, а зона DA — сжатой. Схема распределения этих разнозначных напря­ жений приведена на рис. 7. При достаточно резкой кон­ центрации напряжений зона AD будет очень небольшой, и напряжение сжатия в точ­ ке А может оказаться очень значительным, превышающим предел упругости сплава на сжа­ тие. Это тем более вероятно, что предварительное нагружение этой зоны на растяжение выше предела упругости сплава при наличии эффекта Баушиигера снижает предел упругости на сжатие. При повторении растяжения полосы до прежней на­ грузки вблизи края отверстия опять возникает напряжение .рас­ тяжения выше предела упругости, который будет снижен пред­ варительным сжатием этой зоны при разгрузке. Таким образом, при повторных нагрузках и разгрузках поло­ сы работа сплава у отверстия сводится к чередованию растя­ жения и сжатия, каждый раз сопровождаемому пластической деформацией, хотя внешняя нагрузка не меняет знака и меня­ ется только по величине от нуля до РЛПри действии разнознач­ ной нагрузки работа сплава у отверстия сопровождается увели­ чением размаха напряжений. Если возникшая пластическая деформация продолжает увеличиваться при увеличении числа циклов, то после исчерпания всей способности сплава пластиче­ ски деформироваться при дальнейшей попытке его деформиро­ вать должно начаться его разрушение в виде образования тре­ щин (одной или нескольких). По мере увеличения числа циклов нагрузки трещина, внося с собой новую концентрацию напряжений, будет увеличиваться до тех пор, пока оставшейся части сечения уже не хватит для пе­ редачи нагрузки. Так может быть представлена в первом при- Р=0 Рис. 7. Схема распределения остаточных напряжений в расчетном сечении полосы с отверстием, разгруженной после рас­ тяжения выше предела упругости 23
  24. 24. ближении макросхема действия повторных нагрузок в зоне кон­ центрации напряжений. Если внешнего концентратора на испы­ тываемом элементе нет (та же полоса, но без отверстия), то рас­ пределение напряжений первого рода по поперечному сечению полосы будет равномерным одноосным, но принципиальная схе­ ма действия повторных нагрузок останется прежней. Концентра­ ция напряжений в этом случае создается только вследствие кристаллической структуры и металлургическими, а иногда и Рис. 8. Схема полосы с отвер- Рис. 9 Схема полосы без отвер­ стием, разрушенной многократ- стня, разрушенной многократным ным растяжением растяжением технологическими дефектами (инородные включения, газовые пузыри, волосовины, мелкие трещины и т. п.), полностью освобо­ диться от которых в промышленных сплавах невозможно. В этом случае и концентрация напряжений и пластически деформируе­ мый объем меньше, чем в полосе с отверстием. Вследствие этого при той же номинальной напряженности число циклов нагрузки до разрушения сильно возрастает, но принципиальная схема действия повторных нагрузок остается прежней — в слабейшей точке одного из поперечных сечений происходит процесс чере­ дования упруго-пластических микродеформаций различных знаков. Основным отличием усталостного разрушения от разрушения при однократной нагрузке по внешнему виду самой поверхности разрушения является наличие двух различных зон. На рис. 8 и 9 представлены схемы разрушения повторными нагрузками полосы с отверстием и гладкой полосы без отвер­ стия. Зоны DC на рис. 8 для полусечения АС и на рис. 9 для всего сечения АВ являются поверхностью постепенно нарастаю­ щей усталостной трещины, которая имеет вид гладкой, притер­ той поверхности. Остальная часть поверхности разрушения обыч­ 24
  25. 25. но имеет кристаллическое строение. Внешние края зоны DC на рис. 8 носят явно хрупкий характер без признаков вытяжки от растяжения или изгиба. Внешние края сечения АВ в большинст­ ве случаев носят явные следы пластической деформации (вы­ тяжка, сужение сечения, изгиб, скручивание и т. п.). Подробный анализ поверхности усталостных разрушений проводится в рабо­ тах [12], [13]. Необычный случай вида поверхности усталостного разрушения при испытании цинковых сплавов описан в рабо­ те [14]. 3. МИКРОЭФФЕКТ ДЕЙСТВИЯ ПОВТОРНЫХ НАГРУЗОК В зоне наибольшей концентрации напряжений образца или конструктивного элемента представим себе зерно (кристаллит) сплава, ориентированное наиболее неблагоприятно относитель­ но направления силового потока в смысле сопротивления дефор­ мации сдвига. Вырежем мысленно из этого зерна прямоуголь­ ный параллелепипед с основанием, параллельным плоскости наименьшего сопротивления сдвигу зерна (рис. 10,а), и просле­ дим за состоянием его в разные моменты нагружения. При по­ степенном нарастании внешней нагрузки наступит момент, когда в рассматриваемом зерне возникнет начальная пластическая де­ формация в виде сдвига одной его части по другой. Этот сдвиг в объеме рассматриваемого элемента изображен на рис. 10, б. Когда сдвиг по первой плоскости закончится и дальше будет происходить процесс упрочнения зерна (повышение сопротив­ ления сдвигу вследствие блокирования уже происшедшего сдви­ га), то для дальнейшего пластического деформирования необ­ ходимо внешнюю нагрузку несколько увеличить, чтобы вызвать сдвиг по следующей плоскости (рис. 10, в) и т. д. Продолжая увеличивать нагрузку, мы будем вызывать все новые сдвиги, ориентированные в одном направлении, пока не будет использована вся способность зерна к сдвиговой дефор­ мации. В таком предельном состоянии рассматриваемый элемент показан на рис. 10, д. Если внешняя нагрузка будет еще возра­ стать, то элемент начнет разрушаться — образуется трещина по одной из плоскостей сдвига. Так можно себе представить схему пластического деформирования зерна сплава при однократном статическом нагружении. Другая картина будет при деформировании зерна при по­ вторных нагрузках. На рис. 11 показан такой же параллелепи­ пед, как и на рис. 10, в состоянии первого сдвига, образовавше­ гося после первого нагружения. После первой разгрузки в соответствии с описанным выше процессом деформирования зерна произойдет сдвиг по новой плоскости в обратном направлении (рис. 11,6) ввиду того, что в зоне, пластически растянутой при нагрузке, возникает сжатие при разгрузке. При высокой напряженности конструкций и при 25
  26. 26. наличии эффекта Баушингера сжатие после разгрузки тоже вы­ ходит за предел упругости, чем и объясняется сдвиг в обратном направлении. При втором нагружении произойдет новый сдвиг вправо, а после второй разгрузки — влево. Так будут чередоваться по направлению все новые сдвиги, пока не будет исчерпана вся способность зерна к пластической деформации. В таком предельном состоянии перед началом раз­ рушения рассматриваемый параллелепипед изображен на рис. 11, е. При сравнении его с рис. 10, д можно заметить суще­ ственное различие между ними. ч а) 6) 6) Рис. 10. Схема постепенного нараста­ ния сдвиговой деформации элемен­ тарного параллелепипеда при возра­ стании однократной нагрузки Рис. 11. Схема постепенного нараста­ ния разнозначной сдвиговой дефор­ мации элементарного параллелепипе­ да при повторных нагрузках На рис. 10, д параллелепипед изображен со значительным искажением его первоначальной формы сдвигами, ориентиро­ ванными в одном направлении. На рис. 11, в подобный же параллелепипед очень мало отли­ чается по форме и размерам от первоначального его вида (см. рис. 10,а). Если представить себе достаточно большой деформи­ рованный объем сплава, в котором располагается множество зе­ рен, то деформирование его при однократном нагружении (по рис. 10, д) должно дать и существенную общую деформацию, которую легко измерить и выразить числом. Деформирование того же объема повторными нагрузками (по рис. 11,е) почти не вносит изменений в форму зерна, а следовательно, не дает существенной и общей деформации, и разрушение в этом случае должно носить макрохрупкий характер. По-видимому, этими со­ ображениями объясняется тот факт, что при усталостных разру­ шениях начало разрушения, в большинстве случаев легко опре­ деляемое визуально по виду излома, носит хрупкий характер даже и при пластичных сплавах. Для подтверждения приведенных соображений были прове­ дены специальные испытания на разрушение образцов в виде полос с отверстиями при однократных и повторных статических 26
  27. 27. нагрузках с замером местных остаточных деформаций по рас­ четному сечению. Для измерения местных деформаций был ис­ пользован метод накатанных сеток, разработанный Я. Б. Фрид­ маном и Т. К. Зиловой [15]. На рис. 12 изображен плоский образец из сплава Д16-Т. Сетка с квадратной ячейкой размером 1X1 мм нанесена на его поверхности типографской краской. Перед испытанием размеры ячеек сетки в расчетном сечении образца были измерены при помощи большого инструментального микроскопа БМИ с ценой Рис. 12. Полоса с отверстием с нанесенной сеткой для измерения локальных пластических деформаций деления шкалы 0,005 мм. Такие же измерения были проведены и после разрушения образцов, что давало возможность опреде­ лить местные пластические деформации с погрешностью, не пре­ вышающей 2%. На рис. 13 приведены результаты измерений местных пла­ стических деформаций для двух случаев испытаний. От горизон­ тали, проведенной через центр отверстия в образце, вверх отло­ жены величины местных пластических деформаций, полученных после разрыва от действия однократной статической нагрузки. От той же горизонтали вниз отложены местные пластические деформации, полученные после разрыва такого же образца от действия многократно повторяющейся статической нагрузки, равной половине разрушающей однократной нагрузки. Образец разрушился после 17 690 повторений нагрузки. Из сопоставле­ ния этих графиков (рис. 13) видно, что в первом случае вели­ чины местных пластических деформаций колеблются около не­ которой средней величины по всему поперечному сечению, в то время как во втором случае у края отверстия никакой пласти­ 27
  28. 28. ческой деформации не отмечается в пределах точности измере­ ния. По мере удаления от края отверстия пластическая дефор­ мация растет и в районе внешней кромки образца достигает примерно той же величины, что и средняя в первом случае. Аналогичные испытания, проведенные с различными сплава­ ми дают такую же картину: в зоне наибольшей концен­ трации напряжений, откуда и начинается фактическое разрушение, пластической деформации не наблюдается Несколько позже прове­ дения описанных испытаний была опубликована работа [16], в которой описываются рентгенографические и ме­ таллографические исследо­ вания структуры металла, подвергнутого повторным и однократным нагружениям. В этой работе, между про­ чим, приводятся схемы де­ формирования зерен сплава, аналогичные описанным выше. Приведенные выше соображения и экспериментальные дан­ ные дают общее представление о механической схеме действия повторных нагрузок как схеме первого приближения. Эта схема, не претендуя на исчерпывающее объяснение всех усталостных процессов, позволяет более обоснованно разрабатывать методи­ ку экспериментальных исследований по выносливости и анали­ зировать результаты этих исследований. Рис. 13. Результаты испытаний полосы с отверстием для определения закона распределения остаточного удлинения при разрушении однократной и повтор­ ными нагрузками

×