книги / Усталость металлов

Для рельсов с просверленными отверстиями под болты диамет­ ром 46 мм предел усталости ори повторном изгибе, измеренный по напряжениям на краю отверстия, составлял 26,7 кГ/мм2, но это значение могло быть увеличено на 50% при предварительном сверлении отверстий с последующей прошивкой их закаленным инструментом до нужного диаметра.

Сопротивление усталости конструкций

Испытания целых конструкций очень дороги и поэтому они проводятся в основном в самолетостроении, где необходимо ис­ ключить возможность опасных усталостных разрушений в усло­ виях службы. В других типах конструкции, где последствия уста­ лости являются менее серьезными, данные о сопротивлении уста­ лости часто оценивают по опыту эксплуатации в рабочих усло­ виях.

Разрушение от усталости достаточно распространено в инже­ нерных сооружениях, хотя переменные нагрузки встречаются от­ носительно редко и составляют небольшую часть от величины статических нагрузок. Большинство таких разрушений происхо­ дит в клепаных или сварных соединениях и часто их можно от­ нести за счет плохой конструкции деталей и действия коррозии. Такие повреждения не приводят обычно к полному разрушению конструкции и разрушенные детали ремонтируют или заменяют и, если необходимо, изменяют их конструкцию.

В судах усталость, видимо, не встречается в основных -несу­ щих конструкциях, не предполагают, что усталостные трещины могут распространяться от мест концентрации, если не предпри­ нимались соответствующие меры предосторожности, и могут при­ водить к хрупкому разрушению корпуса.

В некоторых случаях воспроизведение при испытаниях рабо­ чих условий используется для обнаружения слабых мест кон­ струкции. Примером этого является испытательный трек для ус­ коренного испытания автомобилей. Было установлено, что пове­ дение автомобилей на этом треке может характеризовать пове­ дение в рабочих условиях, и удовлетворительные результаты в процессе таких испытаний при пробеге 1850—3700 км со скоро­ стью 46—55 км/ч признаются достаточным критерием надеж­ ности.

Усталостные испытания самолетных конструкций применяют­ ся для двух целей: во-первых, чтобы получить общие сведения по поведению конструкции при разнообразных условиях нагруже­ ния и, во-вторых, чтобы определить чувствительность новой кон­ струкции к усталости.

Целью последнего испытания является в первую очередь об­ наружение слабых мест, не выявленных предварительно в от­ дельных частях конструкции при их испытаниях, и выяснение процесса распространения трещины, для того чтобы избежать

280

катастрофического разрушения в рабочих условиях. Для полу­ чения сведений общего характера по усталости использовались устаревшие конструкции -и проводились испытания, достаточные для некоторых выводов. Например, на рис. 143 показана кривая о — N, составленная Авиационным обществом по результатам усталостных испытаний натурных крыльев и стабилизаторов раз­ личных английских и американских транспортных, боевых и тре­ нировочных самолетов, сконструированных из средне- и высоко-

fir

По оси ординат отложена амплитуда асимметричного цикла. вычисленная по площади нетто.

Кривые 1, 2, 3 соответствуют кривым усталости стыковых соединений на рис. 131

прочных алюминиевых сплавов. Эти испытания проводились со средним напряжением 5— 13 кГ/мм2, соответствующим ускоре­ нию g при летной перегрузке, или для боевых и тренировочных самолетов — 25% предельной статической нагрузки; как среднее, так и переменное напряжения рассчитывались по площади нетто в месте разрушения. Наблюдается неизбежный разброс резуль­ татов; поскольку особенности деталей 'конструкций имеют -преи­ мущественное влияние на долговечность, постольку соответст­ вующие данные считаются пригодными только для данной конструкции и ее сопротивления усталости. Штриховые кривые /, 2 и «3, представляющие результаты испытаний соединений из алюминиевого сплава и взятые из рис. 131, показывают, что наб­ людается хорошее соответствие между пределами усталости от­ дельных соединений и всей конструкции.

Обзор, включающий некоторые из вышеприведенных данных, а также другие английские, американские и австралийские ре­ зультаты испытаний крыльев, стабилизаторов и профилей, был сделан Пейне и др. [572] для алюминиевого сплава 24S-T и из 230

281

результатов, соответствующих восемнадцати различным типам разрушений из восьми различных источников; он получил диаг­ рамму оа — от , показанную на рис. 144. Анализ разброса ре­ зультатов показал, что при предположении нормального логариф­ мического распределения стандартное отклонение s от средней долговечности составило 0,32. Это соответствует 1 % вероятности

Те же авторы показали полезное влияние предварительной ста­ тической нагрузки на долговечность крыльев самолета «Mus­ tang». Было установлено, что оптимальная предварительная нагрузка составляет около 90% предельной разрушающей на­ грузки и это дает увеличение долговечности при низких размахах нагрузки больше чем в 4 раза; подобные же результаты были получены при испытаниях стабилизаторов самолета «Мете­ ор» [573].

Повышение долговечности связано с влиянием местного пере­ распределения напряжения и наклепа материала в зонах концен­ трации напряжения, а также с улучшением распределения на­ грузки между элементами конструкции; предполагается что по­ добный полезный эффект получается в конструкции самолета в течение службы от случайного возникновения высоких нагру­ зок, это подтверждается результатами испытаний с переменной амплитудой крыльев самолета С-46, проведенных Вейлей [57]. Шесть крыльев нагружались спектром нагрузок, полученных на основе статистики нагрузок в неспокойном воздухе, и их средняя долговечность была в 4,8 раза больше, чем долговечность, опре­ деленная по линейному закону суммирования повреждения. Были опубликованы два отчета конференции по усталости авиацион­ ных конструкций [684, 688].

282

Г л а в а X

КОНСТРУИРОВАНИЕ, ПОВЫШАЮЩЕЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ

Конструирование деталей машин, имеющее целью

устранить усталостное разрушение, является более сложным, чем конструирование на основе представления о статической прочно­ сти, так как оно требует учета концентрации напряжений и мно­ гих других факторов, влияющих на сопротивление усталости, та­ ких, как нагружение с нестационарной амплитудой и сочетание статических и динамических нагрузок. Решение этого вопроса удобно проводить в такой последовательности:

1)выбор материала;

2)проектирование деталей;

3)оценка сопротивления усталости;

4)оценка долговечности.

Эти вопросы будут рассматриваться сжато в связи с тем, что основные данные по усталости рассматривались в предыдущих девяти главах.

Выбор материала

Для деталей, которые в рабочих условиях подвергаются пере­ менным нагрузкам, выбор материала должен основываться на характеристиках усталости, но на практике чаще делается по ха­ рактеристике статической прочности, а именно по пределу теку­ чести либо по пределу прочности на растяжение.

В определенных пределах выбор на основе прочности при ста­ тическом растяжении является удовлетворительным критерием вследствие достаточно устойчивой зависимости между статиче­ ской прочностью и пределом усталости, но в некоторых случаях это может стать ненадежным, например, при малых долговечно­

и в 'Пределах этого диапазона предел прочности на растяжение обеспечивает достаточно надежный путь для оценки влияния на предел усталости легирующих добавок, термической обработки

283

или холодной обработки. При дальнейшем увеличении прочности на растяжение наблюдается ограничение дальнейшего увеличе­ ния предела усталости. Таким образом, для деталей, прочность которых определяется сопротивлением усталости, менее целесо­ образным является использование сталей со статической проч­ ностью выше 126 кГ/мм2. Действительно, применение материала более высокой прочности связано с увеличением разброса, чувст­ вительности к надрезам и склонности к усталостным трещинам. Поведение алюминиевых сплавов до некоторой степени подобно стали, причем при прочности на растяжение выше 39,0—47 кГ/мм2 наблюдается лишь небольшое увеличение предела усталости.

Наличие выраженного предела усталости является желатель­ ным свойством и оно встречается у низко- и среднепрочных ста­ лей, чугуна, алюминиево-магниевых сплавов и некоторых тита­ новых сплавов.

Результаты испытаний небольших надрезанных образцов по­ казали, что увеличение предела усталости при надрезах, получен­ ное при увеличении предела прочности на растяжение, является небольшим (см., например, рис. 77), но выбор не может основы­ ваться только на таких результатах, потому что чувствительность к надрезам нельзя рассматривать отдельно от эффекта абсолют­ ных размеров. Для деталей больших размеров следует предпо­ лагать, что при действии переменных напряжений все материалы полностью чувствительны к концентрации и что предел усталости при надрезах будет равняться пределу усталости гладкого образ­ ца, деленного на а. В этих случаях предел усталости гладкого образца является более подходящей характеристикой, по кото­ рой выбирается материал. Это следует помнить, когда сравнива­ ются литые и кованые материалы. Предел усталости гладких образцов выше для кованого материала, чем для литого, но ли­ тые материалы менее чувствительны к надрезам, так что срав­ нение результатов испытаний небольших образцов с надрезом ча­ сто показывает небольшую разницу пределов усталости этих ма­ териалов.

Предположение о том, что детали больших размеров полно­ стью чувствительны к концентрации, не учитывает полезное влияние пластической деформации, хотя это влияние может быть важным при асимметричных циклах напряжений. Преимущест­ во относительно низкого предела текучести в этих условиях хорошо иллюстрируется результатами, полученными для алю­ миниевых сплавов. Сравнение рис. 87 и 88, например, показыва­ ет, что предел усталости надрезанных образцов из алюминиево­ медного сплава 24 S-T3 при действии пульсирующих растягиваю­ щих напряжений выше, чем у алюминиево-цинко-магниевого сплава 75 S-T6, несмотря на его более низкую прочность при рас­

тяжении, и это подтверждается усталостными испытаниями де­ талей самолетов (см. рис. 129).

284

возникает в основном за счет пластической деформации и непосредственно связано с площадью петли гистерезиса на диаграм­ ме напряжение-деформация и является мерой способности мате­ риала сопротивляться повторной пластической деформации без разрушения. Демпфирование можно определить путем измерений в процессе усталостных испытаний как напряжения, так и дефор­ мации или энергии рассеивания. Не наблюдается простых зави­ симостей демпфирующей способности от уровня напряжения или от механических свойств. Демпфирование заметно зависит от размаха напряжения и, кроме того, меняется со временем, что затрудняет использование критерия демпфирования при проек­ тировании. Этот вопрос рассматривался более детально Лазаном; он измерял демпфирующую способность различных мате­ риалов в процессе испытаний на усталость [576]. Высокой демп­ фирующей способностью обладают мягкая сталь и чугун, а осо­ бенно нержавеющие стали, в то время как высокопрочные стали и алюминиевые сплавы показали низкие значения этих характе­ ристик.

Хотя повышение прочности на разрыв материала в общем улучшает сопротивление усталости, но в рабочих условиях пре­ дел усталости детали повышается не всегда. Более «пластичный металл может быть лучше, например, для соединений, где соче­ тается концентрация напряжения и коррозия, или для деталей, на которые действуют вибрации, или работающих в коррозион­ ных условиях. Следует всегда помнить, что только небольшую часть усталостных разрушений в рабочих условиях можно отне­ сти за счет дефектности материала. -Поэтому следует обращать внимание, во-первых, на недостатки конструкции агрегата или на неправильную эксплуатацию, а потом уже рассматривать вопрос о роли материала.

Проектирование деталей

Из большинства факторов, влияющих на сопротивление уста­ лости, которые должны учитываться при проектировании узлов и конструкций, форма является наиболее важным. Значительное большинство усталостных разрушений в рабочих условиях мож­ но предотвратить улучшением конструкций, и это дает большие возможности для повышения сопротивления усталости, чем лю­ бые другие пути, хотя обеспечить такое конструирование на практике достаточно трудно [81]. Наиболее важной задачей является максимальное снижение концентрации напряжений, хо­ тя следует также обращать внимание на обработку поверхностей и методы изготовления. Таким образом, изучение распределения напряжения является существенной частью проектирования де­ талей повышенного сопротивления усталости. Для деталей сложных форм трудно получить теоретические решения, а экспе­ риментальный анализ часто утомителен и дорог. В этих случаях

286

являться результатом вибрации системы от выхлопа двигателей

[660].

Необработанные поверхности имеют низкое сопротивление усталости из-за концентрации напряжений, вызываемой дефек­ тами, и вредных остаточных напряжений, а для сталей — и по­ верхностного обезуглероживания. Обработка поверхности ослаб­ ляет эти влияния, поэтому обдувка дробью, поверхностная обкат­ ка или цементация должны назначаться при проектировании де-

Рис. 145. Конструкция термообработанной стальной шпильки (деталь 4):

а — быстроразъемное соединение; б — первоначальная кон­ струкция и в, г, д, е — последующие модификации дета­ ли 4 [577]

талей, склонных к усталостному разрушению (см. гл. VI). Сле­ дует избегать высокоскоростных и грубых шлифовальных процес­ сов, потому что они могут вызывать остаточные растягивающие

напряжения в поверхностном слое, уменьшающие сопротивление усталости.

При проектировании деталей часто возможна переоценка со­ противления усталости, поэтому полезно проводить испытания ответственных деталей конструкции на усталость. Если при этом окажется, что деталь не имеет требуемого предела усталости, то следует изменить проект и снова провести испытания; этот про­ цесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто необхо­ димое сопротивление усталости. Этот метод применительно к кон­ струкции быстроразъемного соединения {рис. 145) был описан

288

Шлейхером [577]. Детали 1 и 5 (рис. 145, а) — стальные фитинги, присоединенные к конструкции из алюминиевого сплава. Детали 2 и 4 — шпильки из легированной стали (SAE4340) и термообра­ ботаны до ОвР = 141 -г- 157 кГ/мм2, а соединительная муфта 3 была изготовлена из легированной стали (SAE4140) и термооб­ работана до овр = 126 -f- 141 кГ/мм2. Для детали 4 вычисленное напряжение по дну сечения резьбы составляло 111,5 кГ/мм2; это соответствовало статическому запасу 38%, и статическое испы­ тание шпилек дает запас 40%. Однако усталостные испытания

Рис. 146. Модификации детали усталостной машины, повышающие сопротивление усталости

на пульсаторе при размахе напряжения 74,6 кГ/мм2 (вычислено по сечению по дну резьбы) дали в результате разрушение при 1400 циклах в первой нитке резьбы (рис. 145, б). В первоначаль­ ном проекте шпилька доходила до дна конусообразного отвер­ стия и резьба не имела предварительного натяжения. Первая модификация, состоящая из укороченной шпильки, допускает предварительное натяжение и оно составляло 83 кГ/мм2. Это не дало увеличения долговечности, но разрушение переместилось на головку, как показано на рис. 145, в. Для уменьшения концентра­ ции напряжения в головке был сделан промежуточный выступ (рис. 145, г), что повысило долговечность, но только до 1800 цик­ лов. Недостаточность повышения была отнесена за счет наличия двух близко расположенных буртов, после этого диаметр бурта был увеличен на 3,1 мм (рис. 145, б) и долговечность увеличилась до 9800 циклов. Наконец, бурт под головкой был обкатан после термической обработки. Это повысило долговечность до 20 900 циклов (рис. 145, а), и деталь работала удовлетворительно.

19 Заказ 893