книги из ГПНТБ / Григорьев Ю.П. Строительная механика летательных аппаратов дополнительные главы

Перенапряжение сжатием приведет к появлению остаточных растягивающих напряжений вблизи мест концентрации, которые, складываясь с растягивающими напряжениями от основной нагрузки, приведут к ускоренному разрушению образца.

Повторение растягивающих перегрузок ведет к уменьшению положительного эффекта первой перегрузки по мере увеличения их числа. Это вполне естественно, так как при очень большом количестве повторяющихся перегрузок решающим фактором

являются не повторные нагрузки основного цикла, а повторные нагрузки высокого уровня, соответствующего величине перена­ пряжения. На фиг. 3.8.7 показаны схема А перегрузок, повторяю­ щихся через г циклов основной нагрузки, и кривая А, показыва­ ющая влияние этих перегрузок на увеличение A N долговечности образца. Уменьшение числа 2 циклов основной нагрузки между двумя соседними перегрузками ведет к снижению величины ДN.

Небольшая отрицательная нагрузка перед первым циклом положительной перегрузки (схема Б на фиг. 3.8.7) резко умень­

102

шает положительный эффект растягивающей перегрузки (кривая Б на фиг. 3.8.7). Еще более сильное влияние оказывает сжимаю­ щая нагрузка, следующая сразу за растягивающей перегрузкой. Как видно из кривой В фиг. 3.8.7, она не только аннулирует поло­ жительное действие растягивающей перегрузки, но и приводит к некоторому уменьшению долговечности.

Приведенные экспериментальные результаты доказывают, что в любом случае предварительное статическое нагружение кон­ струкции большими растягивающими напряжениями («обтяжка» конструкции) ведет к увеличению срока службы наиболее напря­ женных деталей.

Для самолетных деталей характерно сочетание повторно ста­ тических нагрузок с небольшими по амплитуде высокочастот­ ными нагрузками, вызываемыми вибрациями конструкции и воз­ действием шумовых (акустических) эффектов. Наложение вибра­ ционных напряжений, составляющих доли процента от макси­ мального напряжения повторно статического цикла, вызывает заметное уменьшение долговечности конструкции. На фиг. 3.8.8

Ф и г. 3.8.8

показано снижение статической выносливости образцов из раз­ личных конструкционных материалов при наложении на повтор­

Для очень малых величин амплитуд высокочастотной нагруз­ ки (а < 10% от о0) падение статической выносливости связано с увеличением а линейной зависимостью. Увеличение а на 1% приводит к уменьшению срока службы образца примерно на 10%. Таким образом, вибрационные наложения, составляющие

103

5»/о от основной нагрузки, снижают срок службы детали вдвоё. При увеличении амплитуды вибрационной нагрузки свыше lOVo от о0 влияние наложения становится настолько значитель­ ным, что в первую очередь приходится учитывать повреждение от

высокочастотной, а не от повторно статической нагрузки. Наложение нагрузки с амплитудой а приводит к увеличению

максимальных напряжений основного цикла: °гаах = °о + а -

Однако это не единственная причина понижения долговечности. По-видимому, отрицательную роль играет также увеличение под­ вода кинетической энергии. Поэтому испытания на совместное действие статической и вибрационной нагрузок не могут быть заменены испытаниями на повторно статические нагрузки с уве­ личенной амплитудой напряжений ашах= ° о + а -

Кривые 1 на фиг. 3.8.9 и 3.8.10 показывают как снижается долговечность при наложении вибраций с амплитудой а и часто­ той 2000 циклов в минуту на повторные нагрузки с максималь-

Ф и г. 3.8.9

ным напряжением а0 и частотой 10 циклов в миниту. Несравнен­ но меньшее влияние оказывает увеличение амплитуды повторного статического цикла нагрузки до значения атзх = о0 -f- а (кривые

2 на фиг. 3.8.9 и 3.8.10).

Внимание к воздействию на конструкцию вибрационных нагрузок высокой частоты и малой амплитуды было привлечено после возникновения в эксплуатации случаев разрушения обшив­ ки фюзеляжа вблизи выхлопного отверстия реактивного двига­ теля. Наблюдалось возникновение усталостных трещин в местах соединения стрингеров с обшивкой после непродолжительной

104

Гл а в а IV

ДЛИТЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

4.1.РОЛЬ ВРЕМЕНИ И ТЕМПЕРАТУРЫ

ВРАЗВИТИИ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ

Вподавляющем большинстве случаев прочностные расчеты не учитывают времени действия нагрузки на деталь, ограничиваясь определением величины безопасной нагрузки, которую деталь может выдерживать практически неограниченное время. В осо­ бенности это характерно для статических расчетов, когда не рас­ сматривается процесс постепенного накопления повреждений внутри металла, а разрушение считается наступающим внезапно (мгновенно) при достижении напряжениями некоторой предель­ ной величины. Даже расчет на действие переменных напряжений по сути дела базируется на представлении о многократно повто­ ряющихся нагрузках статического типа. В результате основную роль в усталостных расчетах играет число циклов нагрузки, а не время работы детали. Определение срока службы детали до раз­

нородном напряженном состоянии, например, при внецентренном

106

дается растрескивание. Очаг разрушения обнаружить очень труд­ но, так как.отсутствуют рубцы, определяющие место начального возникновения трещины. Наличие сильного растрескивания на поверхности говорит о том, что разрушение начинается одновре­ менно или почти одновременно из многих центров. На фиг. 4.1.5 показано разрушение стального турбинного диска в результате длительного действия центробежных сил.

Указанный характер разрушения объясняется межзеренными надрывами, возникающими при скоплении вакансий по границам зерен. Схематически возникновение вакансий и срастание их на границах зерен показано на фиг. 4.1.6,а и б (вакансии изобра­ жены темными точками, атомы металла — светлыми .кружками).

Межзеренный характер разруше­ ния хорошо виден на микрошли­ фах разрушенных образцов. Схе­ ма развития межзеренного раз­ рушения показана на фиг. 4.1.7.

Развитие трещин по границам зерен вызывает относительные смещения зерен и быстрое скач­ кообразное развитие излома, при­ водящее к внезапному разруше­ нию хрупкого типа, несмотря на

то, что ему всегда предшествует большая пластическая деформа­ ция. Нормальные напряжения играют решающую роль в раскры­ тии межзеренных трещин. Поэтому при испытаниях на длитель­ ную прочность более опасными являются типы нагружения, вызывающие большие нормальные и малые касательные напря­ жения (жесткое нагружение: внецентренное растяжение, растя­ жение образцов с острыми надрезами и т. п.). Менее опасно мяг­ кое нагружение, при котором преобладают касательные напря­ жения и нормальные сжимающие напряжения (кручение, сжа­ тие).

4.2. ДЛИТЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Долговечность образца при статическом нагружении сильно уменьшается с увеличением температуры. Для определения дол­ говечности обычно на основании испытаний строится серия кри­ вых длительной статической прочности (фиг. 4.2.1), дающих зави­ симость между величиной растягивающего напряжения о и вре­ менем Т, необходимым для разрушения йри непрерывном дей­ ствии этих напряжений. В полулогарифмических координатах а, lg Т эта зависимость изображается прямой линией для каждой заданной температуры tt (на фиг. 4.2.1 Увеличение температуры сдвигает соответствующую прямую вниз (уменьше­ ние долговечности при том же уровне напряжений).

110

Угол наклона прямых длительной прочности на некоторой стадии испытаний (при достаточно высоких температурах и дли­ тельных выдержках, соответствующих небольшим напряжениям) может увеличиться (пунктирная прямая на фиг. 4.2.1), что свиде­ тельствует об изменении свойств материала под влиянием выбранных условий нагружения.

определения срока нормальной работы детали. Часто лимити­ рующим оказывается не разрушение, а возникновение недопу­ стимо больших остаточных де­

деформация). Если приложенное напряжение превышает предел упругости материала при данной температуре, то начальная деформация состоит из упругой деформации Оа', которая исче­ зает при снятии напряжения, и пластической деформации а'а.

111