книги / Развитие усталостных трещин в материалах и конструкциях

В настоящее время много внимания уделяется вопросам обеспече­ ния безопасности эксплуатации и прогнозирования остающегося ресурса ответст­ венных динамически нагруженных конструкций, ослабленных трещиной усталос­ ти, т. е. работающих в условиях начавшегося усталостного разрушения. В ряде случаев критерии линейной и нелинейной механики разрушения дают возмож­ ность с некоторой степенью точности определить скорость развития возникшей трещины, оценить способность материала сопротивляться дальнейшему ее разви­ тию и прогнозировать долговечность поврежденной конструкции.

Вместе с тем следует иметь в виду, что результаты аналитических подходов- к изучению кинетики роста трещин усталости пока не могут дать исчерпывающих ответов на многие важные для практики вопросы, так как эти подходы всегда базируются на тех или иных модельных представлениях, схематизирующих и упрощающих описание весьма сложного процесса усталостного разрушения кон­ струкционных материалов. В связи с этим большое значение приобретают экспе­ риментальные методы соответствующих исследований, которым доступно накопле­ ние опытных данных, позволяющих при описании закономерностей развитияусталостного разрушения охарактеризовать влияние многочисленных эксплуата­ ционных, технологических и конструкционных факторов, не улавливаемое ана­ литическими методами расчета.

В предлагаемой монографии систематизированы полученные в Институте ме­ ханики АН УССР результаты методических разработок и экспериментальных исследований кинетики роста усталостных трещин и накопления повреждений- в некоторых металлических и композиционных материалах и в натурных конст­ рукциях. В связи с существенным различием в характере разрушения металлов и< композитов, а также в подходах к изучению кинетики их разрушения эксперимен­ тальные данные, относящиеся к этим двум группам конструкционных материалов, рассматриваются в монографии раздельно.

Г л а в а 1

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ р а з в и т и я УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН

§ 1. МАШИНЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ КИНЕТИКИ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ И ДЕТАЛЕЙ

Требования, предъявляемые к научному оборудованию при изучении кинетики усталостного разрушения материалов и конструкций, не могут быть общими для всех случаев и должны определяться конкретными задачами, которые ставятся перед каж­ дым планируемым исследованием. Актуальность экспериментального изучения закономерностей развития уже возникших трещин уста­ лости в металлах и полимерах обусловлена тем, что основными для большинства конструкций являются динамические нестационарные нагрузки, в связи с чем у наиболее напряженных деталей всегда существует вероятность возникновения трещин усталости, кото­ рые, развиваясь с той или иной скоростью в условиях продолжаю­ щейся эксплуатации, могут еще до исчерпания расчетного ресурса достичь критических размеров, т. е. начала стадии спонтанного распространения, и вызвать хрупкое разрушение.

Данные многочисленных наблюдений за техническим состоянием ответственных деталей машин в пределах запланированных сроков службы свидетельствуют, что примером конструкций, вероятность длительной эксплуатации которых с развивающимися усталостными трещинами достаточно велика, могут служить такие сложные дета­ ли, как коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания, транс­ миссионные валы и поворотные кулаки автомобилей, элементы обшивки самолетов, сварные соединения несущих систем самоход­ ных машин, оси железнодорожного подвижного состава и многие другие. Поэтому нами использованы результаты исследования уста­ лостного разрушения материалов и натурных деталей машин массового производства автотракторной, транспортной, сельскохо­ зяйственной, авиационной, энергетической и других ведущих от­ раслей промышленности. Таким образом, в данном случае требова­ ния к испытательному оборудованию, к его динамическим и метро­ логическим свойствам определялись вполне конкретной областью экспериментальных исследований, ограниченной изучением законо­ мерностей развития усталостных трещин в материалах и деталях

широкого класса машин в связи с их конструкцией, технологией изготовления и условиями эксплуатации.

Следует иметь в виду, что закономерности развития трещин ус­ талости в лабораторных образцах и натурных деталях могут быть существенно различными в связи с влиянием многочисленных факто­ ров, например абсолютных размеров деталей, остаточных напряже­ ний в них, специфики геометрии, состояния поверхностных слоев и т. д. Воспроизведение всех свойств деталей в образцах или даже в моделях не может быть достаточно точным, поэтому в накоплении наиболее, достоверной и полной информации о живучести готовой конструкции и особенностях развития в ней усталостных трещин на­ турные испытания самой конструкции приобретают самостоятельное значение.

Наряду с изучением исходных закономерностей развития трещин усталости возможна также постановка сравнительных испытаний на­ турных деталей на стадии их проектирования с целью эксперимен­ тального обоснования оптимальных вариантов, обеспечивающих наи­ большую живучесть. В этом случае планируются испытания не­ скольких серий деталей, одинаковых по назначению, но разных по конструкции или технологии изготовления. В качестве критерия оп­ тимальности принимаются такие характеристики, как продолжитель­

при испытании данные, характеризующие сопротивляемость дета­ лей начавшемуся разрушению. Результаты таких испытаний ис­ пользуются для оптимизации конструкций, поэтому исследуемые варианты различаются только исполнением, а условия нагружения

?для всех вариантов остаются одинаковыми. Вместе с тем часто возни­ кает необходимость в сравнительных испытаниях, цель которых — изучение процесса усталостного разрушения в связи с влиянием эксплуатационных факторов, относящихся не к конструкции или ее изготовлению, а к условиям ее работы. Такими факторами могут быть, например, форма спектра эксплуатационных напряжений, высокочастотные составляющие основного процесса циклического нагружения, кратковременные перегрузки и т. д. В сравнительных испытаниях такого типа объекты исследования остаются одинаковы­ ми, а сами исследования различаются только условиями нагруже­ ния. В качестве базы сравнения могут быть использованы те же экспе­ риментальные данные, что и при сравнительных испытаниях кон­ структивных вариантов.

Сравнительные испытания натурных деталей предъявляют к ис­ пытательному оборудованию ряд дополнительных требований, обусловленных разнообразием конструкций этих деталей и диапа­

зоном их деформационных характеристик, исключающих полную унификацию динамометрических узлов, зажимных устройств и при­ способлений для наблюдения за ростом трещин.

Экспериментальные исследования, а также анализ напряжен­ ности исследуемых конструкций в условиях их эксплуатации поз­ воляют считать, что испытательное оборудование для изучения кинетики усталостного разрушения в указанном выше аспекте должно обеспечивать возможность доводить до окончательного разру­ шения разнообразные в конструктивном отношении объекты испы­ таний (включая натурные детали), моделировать наиболее типич­ ные режимы эксплуатационного нагружения и регистрировать процесс развития трещин усталости с возможно большей точностью.

В настоящее время наша промышленность не выпускает испы­ тательные машины, которые наилучшим образом удовлетворяли бы всем перечисленным требованиям, поэтому ниже рассмотрен во­ прос о перспективности применения для исследования развития трещин усталости программных машин испытательного комплекса, конструкция и общая композиция которого достаточно подробно описаны в работах [21, 61]. В данной работе обращается внимание только на те его свойства, которые дают представление о его возможностях применительно к изучению кинетики усталостного разрушения. Очевидно, основным таким свойством является уни­ версальность машин комплекса, позволяющая воспроизводить все виды нагрузок (изгиб, кручение, растяжение — сжатие) и с доста­ точной точностью моделировать эксплуатационные режимы меха­ нической напряженности при испытании на усталость как лабо­ раторных образцов, так и натурных деталей различных размеров..

Универсальность комплекса в значительной степени обеспе­ чивается его общей структурой, предусматривающей компоновку испытательных машин различного назначения из отдельных, взаи­ мозаменяемых узлов, а также разработанными средствами силовозбуждения и моделирования режима испытаний.

Анализ существующих способов силовозбуждения показывает, что при достигнутом в настоящее время уровне развития средств автоматизации процессов управления каждый из них может быть использован для моделирования режима испытаний в определенном диапазоне усилий и частот. В машинах испытательного комплекса применено кинематическое силовозбуждение при помощи шатуннокривошипного механизма, которое по основным своим характеристи­ кам и возможностям является вполне приемлемым и для планируемых исследований кинетики усталостного разрушения, так как большин­ ство конструкций указанных выше отраслей машиностроения работает с частотой не более 100 Гц, а усилия, достаточные для их раз­ рушения при растяжении — сжатии, обычно не превышают 20 000 кг

Следует, однако, отметить, что, по сравнению с другими способа­ ми, кинематическое силовозбуждение имеет ряд существенных недо­ статков, обычно затрудняющих его применение в испытательных ма­ шинах вообще и в машинах для изучения процессов усталостного разрушения в частности. Одним из таких недостатков является не­ постоянство амплитуды задаваемой нагрузки, которая в период развития трещины усталости или при испытании полимеров может существенно изменяться в соответствии с изменением жесткости объекта исследований и влиять на скорость развития усталостного разрушения. В конструктивном отношении кривошипные возбуди­ тели характеризуются громоздкостью механизма регулирования воз­ мущающих динамических перемещений и значительной нагруженностыо основных деталей в связи с неизбежным участием подшипни­ кового узла в передаче усилия на образец. Эти особенности кине­ матического силовозбуждения затрудняют варьирование режима испытаний в соответствии со спектрами эксплуатационных нагрузок и создание надежно работающих систем управления.

Успешное использование машин с кривошипным приводом для программных испытаний на усталость оказалось возможным благодаря теоретической проработке некоторых вопросов его динамики с уче­ том требований моделирования эксплуатационных режимов нагру­ жения. В результате этой проработки были получены аналитические зависимости, позволяющие выбирать параметры динамических схем испытательных машин с учетом жесткости образца и обеспечивать оптимальный режим испытаний по основным показателям, т. е. по величине развиваемой нагрузки, по чувствительности ее амплитуды к изменению жесткости образца в период его постепенного разруше­ ния и по частоте возбуждения. Подшипниковый узел и детали воз­ будителя колебаний при этом практически полностью освобождаются от воздействия реактивных усилий со стороны деформируемой систе­ мы, что позволяет реализовать важные для изучения процесса уста­ лостного разрушения преимущества кинематического привода, например, такие, как возможность варьирования асимметрии цикла нагружения, проведения испытаний в широком диапазоне частот и возбуждения значительных динамических перемещений, свобод­ ных от частотной зависимости.

Освобождение возбудителя от действия реактивных усилий об­ легчило аппаратурное управление его исполнительными механиз­ мами при помощи команд, поступающих по каналам обратной связи от нагружаемой системы, и обеспечило возможность моделирования эксплуатационных режимов нагружения путем автоматического варьирования величины нагрузки и времени ее действия. Програм­ ма варьирования представляется в виде ступенчатых блоков в ко­ ординатах напряжение — число циклов, которые формируются

в соответствии со спектрами эксплуатационных нагрузок: Математи­ ческая запись программ, реализуемых машинами испытательного комплекса, может быть представлена в общем виде:

Электронное программирующее устройство испытательного комп­ лекса обеспечивает любую последовательность чередования уровней

ского распределения эксплуатационных нагрузок и для более точного их моделирования может достигать двенадцати. Емкость блоков, выраженная в числе циклов, варьируется в широких пределах и ус­ танавливается с таким расчетом, чтобы достигалось необходимое осреднение влияния выбранной последовательности чередования уровней напряжений.

В машинах комплекса предусмотрена дублированная система силоизмерения — оптическая и электрическая. Электрические си­ лоизмерительные устройства (датчики) и нагружающие устройства посредством электронной аппаратуры объединены в замкнутую систему регулирования. Разработанные средства амплитудной ста­ билизации заданного режима нагружения позволяют проводить на машинах испытательного комплекса исследования закономер­ ностей развития трещин усталости при программировании как нагруженности образца (мягкое нагружение), так и его деформаций (жесткое нагружение). В первом случае электрические сигналы, управляющие работой возбудителя, инициируются датчиком дина­ мометра, во втором случае — датчиком активного захвата. Оба эти случая являются предельными случаями, которым соответству­ ет наибольшая и наименьшая скорости развития усталостных трещин. Вместе с тем в практике достаточно часто встречаются промежуточ­ ные случаи, когда в процессе развития повреждения конструкции (например, в статически неопределимых системах) происходит пере­ распределение и нагрузок и деформаций, в связи с чем условия роста усталостных трещин не соответствуют указанным выше предельным случаям.

Чтобы оценить возможность использования машин испытатель­ ного комплекса для исследования роли промежуточных режимов нагружения в развитии усталостного разрушения, следует учесть, что в унифицированную динамическую схему каждой такой машины

входят последовательно соединенные образец и сменный динамометр. Если их жесткости обозначить соответственно через сг и с2, то общая

жесткость нагружаемой системы будет с = С\-е с2.

Очевидно, увеличивая или уменьшая жесткость динамометра с2при заданной амплитуде возмущающих колебаний (или при задан­

в относительных координатах, где через /0 и s0 обозначены амплитуды соответственно возмущающих колебаний и колебаний массы т при ча> то реализуемом в испытательных машинах соотношении жесткостей с2/сг = 10. Амплитуды возмущающих колебаний I вычислялись при соблюдении постоянства напряжений в образце для всех исследован­ ных значений жесткости динамометра. Сопоставление кривых сви­ детельствует о том, что существует обширная область значений с21съ в пределах которой уменьшение жесткости динамометра не вы­ зывает существенного увеличения амплитуды возмущающих коле­ баний. Значительно быстрее возрастает амплитуда колебаний массы т. Эта масса сосредоточена между образцом и динамометром, поэто­ му влияние ее сил инерции на точность силоизмерения должно исклю­ чаться динамической тарировкой машины или вычислением соот­ ветствующей динамической поправки [107].

Таким образом, следует считать, что машины испытательного комплекса могут быть использованы для исследования усталостного разрушения, развивающегося не только в условиях предельных, но и промежуточных режимов нагружения.

В практике достаточно часто встречаются случаи, когда моделью эксплуатационной нестационарной нагруженности конструкций может служить бигармонический колебательный процесс (например, в элементах корпусов кораблей). Для исследования закономерностей развития трещин усталости в этих случаях также могут использо­ ваться машины испытательного комплекса, структура которых допускает одновременно нагружение объекта испытаний от двух унифицированных возбудителей — низкой и высокой частот. Для независимой регулировки в широких пределах и фиксации за­ данного соотношения всех параметров каждой гармонической со­ ставляющей (фазы, амплитуды и частоты) служит редуктор, соеди­ няющий кинематические цепи обоих возбудителей. Реализуемая

шин испытательного комплекса применительно к задачам моделиро­ вания механической напряженности конструкций при изучении зако­ номерностей развития трещин усталости. Однако значительный научный и инженерный интерес представляют аналогичные исследова­ ния при наложении влияния и других, обычно сопутствующих меха­ нической напряженности, эксплуатационных факторов, например температур, вакуума, агрессивных сред и т. д. Если изучению влия­ ния этих факторов на сопротивление усталости уделяется сравни­ тельно много внимания, о чем свидетельствуют многочисленные публикации, то их влияние на скорость развития усталостных тре­ щин и на характер протекания процесса разрушения изучено меньше.

Оценивая возможности машин испытательного комплекса при воспроизведении сопутствующих эксплуатационных факторов, сле­ дует иметь в виду, что для проведения таких исследований необхо­ димы специальные устройства в виде печей для нагревания образ­ цов или натурных деталей, камер для формирования и дозирования рабочих сред, приборов криогенной техники и т. д. Такими уст­ ройствами испытательные машины в обычном исполнении не оснаща­ ются, однако место для их установки общей композицией преду­ сматривается. Некоторый опыт таких исследований на машинах комплекса, уже накоплен, например при высокотемпературных