Раздел 3. Характеристики сопротивления развитию трещины при циклическом нагружении
Процесс усталостного разрушения включает стадии зарождения и развития усталостной трещины, а также стадию статического разрушения. Это подтверждается видом поверхности усталостного излома. При усталостном разрушении на поверхности излома можно выделить пять зон:
- фокус излома- микроскопическая зона зарождения излома;
- очаг разрушения- макроскопическая зона зарождения излома;
- зона усталостного развития трещины;
- зона ускоренного развития трещины;
- зоны окончательного статического долома.
Длительность развития усталостной трещины составляет 40-60% долговечности до разрушения элемента конструкции. Поэтому особый интерес представляет скорость развития трещины до её достижения критического размера. Данные по скорости роста трещины (СРТУ) получают на образцах типа «пластина с центральной трещиной» (рис. 4.11а).
Рисунок 4.11
В результате испытаний при постоянном значении асимметрии цикла R получают зависимость длины трещины от количества циклов нагружения «a–N» (рис. 4.11б), которая потом перестраивается в зависимость «lg da/dN‑lg K» (рис. 4.11б), где:
da/dN - скорость роста трещины;
K = Kmax‑ Kmin- размах коэффициента интенсивности напряжений в цикле нагружения.
Зависимость «lg da/dN‑lg K» называют кинетической диаграммой разрушения (КДР). Для большинства металлических материалов КДР представляет собой S-образную кривую с тремя характерными участками.
Первый участок охватывает область низких значений K от K≈Кth до K, примерно равной K≈2.5Кth , где Кth- пороговый коэффициент интенсивности напряжений, ниже которого трещина не развивается.
Второй участок, который в первом приближении можно считать прямолинейным в двойных логарифмических координатах, находится в диапазоне K, примерно от K≈2.5Кth до K≈0,5КСу.,где КСу - критическое значение условного коэффициента интенсивности напряжений при плоско-напряженном состоянии.
Третий участок (предразрушения) находится в диапазоне примерно от K≈0.5КСу до K≈КСу.
Для описания КДР применяют аппроксимирующие зависимости. Наиболее часто используются зависимости «Пэриса-Уолкера», «Формана» и «Коллиприста»:
-
Пэрис-Уолкер;
-
Форман;
-
Коллиприст;
где:
ΔКэфф = ΔК/(1–R)р;
Cp, Cf, Ck, np, nf, nk, p – параметры, полученные по экспериментальным данным.
Зависимость Пэриса-Уолкера используется в основном для аппроксимации среднего участка КДР. Зависимость Формана описывает второй и третий участок и является при ее использовании в расчетах наиболее консервативной. Зависимость Коллиприста применяется для описания для описания всей КДР. Она учитывает особенности распространения трещины на всех трех участках.
В качестве расчетных характеристик СРТУ принимаются средние значения скорости роста трещины (средние параметры кинетической диаграммы разрушения КДР) в случае удовлетворения требованиям к объему и представительности экспериментальных данных и не превышения типичного значения рассеяния. Типичным значением среднеквадратичного отклонения логарифмов СРТУ является lg(da/dN) =0,1. Оно определяется на среднем (Пэрисовском) участке КДР.
Для наиболее применяемых в авиационных конструкциях константы зависимостей «Пэриса-Уолкера», «Формана» и «Коллиприста», аппроксимирующих средние параметры кинетических диаграмм разрушения, металлических конструкционных материалов приведены в таблице 4.3.
В таблице 4.3
величины Cp,
Cf
и Ck
приведены в следующих размерностях
Cp [
],
Cf [
],
Ck
[
].
Таблица 4.3
№ |
|
Материал |
mp |
Cp,
|
mf |
Cf,
|
mk |
Ck,
|
Kcу, кг мм3/2 |
Kth, кг мм3/2 |
lg(da/dN) |
p |
1 |
Алюминиевые сплавы |
Лист Д16чАТ |
2,737 |
1,07 10-8 |
2,497 |
5,67 10-6 |
2,408 |
3,13 10-4 |
264 |
7 |
0,06 |
0,5 |
2 |
Лист 1163АТВ |
2,635 |
8,1 10-9 |
2,435 |
5,46 10-6 |
2,526 |
2,5 10-4 |
370 |
7 |
0,094 |
0,5 |
|
3 |
Лист 1163РДТВ |
2,438 |
1,91 10-8 |
2,248 |
1,38 10-5 |
2,39 |
3,05 10-4 |
406 |
7 |
0,047 |
0,5 |
|
4 |
Лист В95пчТ2 |
2,625 |
1,61 10-8 |
2,427 |
1,11 10-5 |
2,53 |
4,93 10-5 |
379 |
7 |
0,043 |
0,5 |
|
5 |
Лист 1420Т1 |
1,391 |
1,41 10-6 |
1,141 |
7,07 10-4 |
1,2 |
2,49 10-4 |
245 |
7 |
0,165 |
0,5 |
|
6 |
Плита 1163Т |
2,357 |
3,5 10-8 |
2,203 |
3,51 10-5 |
2,536 |
6,56 10-4 |
615 |
7 |
0,153 |
0,5 |
|
7 |
Плита 1163Т7 |
2,792 |
6,22 10-9 |
2,629 |
5,69 10-6 |
2,932 |
6,14 10-4 |
549 |
7 |
0,173 |
0,5 |
|
8 |
Плита В95очТ2 |
2,892 |
4,06 10-9 |
2,734 |
3,89 10-6 |
3,074 |
6,57 10-4 |
580 |
7 |
0,069 |
0,5 |
|
9 |
Плита 1973Т2 |
2,518 |
1,89 10-8 |
2,31 |
1,21 10-5 |
2,37 |
3,36 10-4 |
344 |
7 |
0,039 |
0,5 |
|
10 |
Прес. профиль Д16чТ |
1,681 |
1,07 10-6 |
1,433 |
5,44 10-4 |
1,457 |
5,63 10-4 |
250 |
7 |
0,11 |
0,5 |
|
11 |
Прес. профиль Д16чТПП |
2,229 |
1,04 10-7 |
1,908 |
3,98 10-5 |
1,699 |
2,59 10-4 |
160 |
7 |
0,089 |
0,5 |
|
12 |
Прес. профиль 1163ТПП |
2,399 |
2,53 10-8 |
2,077 |
9,62 10-6 |
1,829 |
1,14 10-4 |
160 |
7 |
0,13 |
0,5 |
|
13 |
Прес. профиль В95очТ2 |
2,986 |
2,33 10-9 |
2,743 |
1,21 10-6 |
2,613 |
1,67 10-4 |
259 |
7 |
0,081 |
0,5 |
|
14 |
Штамповка 1933Т3 |
2,345 |
2,96 10-8 |
2,138 |
1,9 10-5 |
2,211 |
2,71 10-4 |
346 |
7 |
0,229 |
0,5 |
|
15 |
Штамповка АК6Т1 |
2,8 |
9,45 10-9 |
2,534 |
4,4 10-6 |
2,344 |
2,7 10-4 |
220 |
7 |
0,054 |
0,5 |
|
16 |
Титановые сплавы |
Плита ВТ22 |
2,521 |
4,64 10-9 |
2,329 |
3,32 10-6 |
2,462 |
1,01 10-4 |
400 |
7 |
0,036 |
0,5 |
17 |
Штамповка ВТ22 |
2,415 |
9,91 10-9 |
2,223 |
7,09 10-6 |
2,358 |
1,42 10-4 |
400 |
7 |
0,146 |
0,5 |