ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАЛОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ ПРИ ЛИНЕЙНОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

В настоящее время закономерности малоциклового разрушения материалов при линейном напряженном состоянии достаточно хорошо изучены, особенно для жесткого режима нагружения. На основании большого объема экспериментальных данных для жесткого режима малоциклового нагружения установлено уравнение Коффина-Мэнеона. При мягком режиме нагружения стабильных и разупрочняющихся материалов этого уравнения, как правило, недостаточно, так как в процессе деформирования происходит одностороннее накопление пластических деформаций, особенно при асимметричном нагружении. Кроме того, для разупрочняющихся материалов петля пластического гистерезиса часто не обладает стабильностью. В зависимости от режима нагружения и типа материала разрушение может быть: усталостным, квазистатическим или промежуточным. Усталостное разрушение происходит вследствие образования и развития усталостной трещины и имеет место в случае жесткого режима нагружения всех трех типов материалов или мягкого нагружения разупрочняющихся материалов. Квазистатическое разрушение, точнее потеря несущей способности, происходит вследствие локализации пластических деформаций в виде шейки с последующим дорывом. Промежуточное разрушение предполагает одновременную локализацию пластических деформаций и возникновение усталостной трещины.

Экспериментальные исследования проводились на серийной испытательной машине УМЭ-10, позволяющей испытывать образцы в условиях линейного напряженного состояния как при постоянной нагрузке, так и в условиях малоциклового нагружения (растяжение-сжатие) с любым коэффициентом асимметрии цикла с частотой от 0,01 до 12 циклов в минуту, кроме того, данная установка позволяет проводить испытания при мягком и жестком режимах нагружения, при этом уровень нагрузки или деформации поддерживается автоматически. Для измерения продольных деформаций при линейном напряженном состоянии использовался тензометр, входящий в комплект испытательной машины. В процессе испытаний проводилась непрерывная запись диаграмм деформирования (петель пластического гистерезиса) на двухкоординатном самописце ЛКД-004. В качестве материала для исследований принята широко применяемая в промышленности сталь 45. Размеры рабочей части образца назначались исходя из требований обеспечения плоского однородного напряженного состояния в стенке образца. Допуск на разностенность по длине и диаметру рабочей части образца составлял 0,02 мм. Образцы изготавливались из круглых прутков одной плавки. Перед чистовой механической обработкой заготовки подвергались нормализации (нагрев до 850°С, выдержка 1,5 часа и охлаждение  на воздухе), обеспечивающей стабильность структуры в процессе испытаний. Измерение наружного диаметра образцов производилась микрометром в четырех сечениях по длине рабочей части и в двух перпендикулярных направлениях в каждом сечении. Измерение толщины стенки производилось в четырех сечениях по длине рабочей части и в четырех взаимно перпендикулярных направлениях в каждом сечении. При постановке образца на испытательную машину каждый образец центрировался  в захватах установки с помощью тензометров Гугенбергера в четырех перпендикулярных направлениях серединного сечения рабочей части образца. При этом добивались такого положения образца в захватах машины, при котором погрешность распределения нагрузки по рабочей части не превышало 0,5%. При линейном напряженном состоянии большинство образцов разрушалось в пределах рабочей части, однако были и такие образцы, разрушение которых происходило в зоне перехода от рабочей части к головкам . Подобные образцы были исключены из дальнейшего рассмотрения. Для построения кривой усталости были проведены эксперименты на малоцикловую усталость при жестком режиме нагружения, с коэффициентом асимметрии по деформациям равным - 1,1. На рис. 1 показаны экспериментальные точки, по которым построена с помощью стандартной программы статистической обработки экспериментальных данных соответствующая кривая в координатах

Причем долговечности N определялись в момент падения нагрузки на 50%. Эксперименты, проведенные на этом же материале при мягком режиме нагружения и симметричном цикле (𝑅𝜎= −1.0) изменения нагрузки показали, что данная сталь 45 является циклически разупрочняющимся материалом. 

Как известно, у таких материалов при мягком режиме нагружения кроме возникновения петель пластического гистерезиса происходит одностороннее накопление пластических деформаций. Однако указанное разупрочнение для данного материала выражено слабо. На участке стабилизации ширина петли незначительно увеличивается. С учетом вышесказанного при построении графика зависимости ширины петли пластического гистерезиса ∆𝐸(𝑃) от числа циклов до разрушения Np принимается средняя величин ∆𝐸(𝑃), отвечающая примерно 50% долговечности.

На рис. 2 показано изменение величины односторонне накопленной пластической деформации за один цикл в процессе нагружения. Начиная с первых циклов, накопленная пластическая деформация уменьшается, а перед самым разрушением резко возрастает. В дальнейшем используется осредненная величина односторонне накопленной пластической деформации за один цикл, которая также соответствует примерно 50% долговечности образца. На рис. 3 приведены кривые малоцикловой усталости при мягком режиме нагружения для различных значений коэффициента асимметрии.

Как уже отмечалось ранее, мягкое нагружение разупрочняющейся стали 45 при Rσ=-1,0 сопровождается некоторым односторонним накоплением пластических деформаций. При асимметричном нагружении процесс одностороннего накопления пластических, деформаций происходит более интенсивно. Так например, если при коэффициенте асимметрии Rσ=-1,0 односторонне накопленная пластическая деформация за один цикл δ составляет примерно тридцатую часть ширины петли пластического гистерезиса, то при Rσ=-0,5 величина δ составляет пятую часть ширины петли пластического гистерезиса. Односторонне накопленная пластическая деформация не обнаружена при Rσ=-1,035.

Из рис. 3.2 видно, что наибольшее накопление пластических деформаций за один цикл происходит при значении коэффициента асимметрии равном -0,75.

На рис. 3.2 представлены кривые зависимости величины односторонне накопленных пластических деформаций за один цикл от числа циклов до разрушения при различных значениях коэффициента Rσ, причем кривые имеют одинаковый вид, но с увеличением Rσ сдвигаются в область больших долговечностей.

Экспериментально установлено, что процесс одностороннего накопления пластических деформаций зависит от уровня максимальных напряжений и от коэффициента асимметрии Rσ, причем эту зависимость (рис. 3.2) можно представить в виде произведения двух функций:

На основании опытных данных график изменения функции β(σmax) может быть описан степенным уравнением:

где 𝜶 - постоянная, для данного материала 𝜶 =13,4304, представленная на рис. 3.2 может быть описана уравнением параболы:

где b=-23,21; с=-34,82; d=-11,24.

 Предложенная эмпирическая зависимость (1) позволяет рассчитывать односторонне накопленную пластическую деформацию за один цикл при известных значениях максимального напряжения цикла и коэффициента асимметрии приложения нагрузки.

Известно, что одностороннее накопление пластических деформации отсутствует при жестком режиме нагружения всех трех типов материалов упрочняющихся, стабильных, разупрочняющихся, а также при мягком режиме упрочняющихся материалов. Однако механизмы деформирования и разрушения при жестком и мягком режимах нагружения сильно отличаются друг от друга. Поэтому для определения зависимости ширины петли пластического гистерезиса от числа циклов до разрушения в отсутствие одностороннего накопления пластических деформации была проведена серия опытов при ряде значений коэффициента асимметрии Rσ<-1,0. Эта эксперименты показали, что одностороннее накопление пластических деформации отсутствует при Rσ=-1,035 (рис. 5). При Rσ<-1,035 происходит одностороннее накопление пластических деформаций в сторону сжатия с последующей потерей устойчивости равномерного деформирования. При Rσ>-1,035 происходит одностороннее накопление пластических деформаций в сторону растяжения.

В итоге проведенных экспериментальных исследований малоцикловой усталости образцов стали 45 установлено, что одностороннего накопления деформаций для циклически нестабильной стали при мягком режиме нагружения можно избежать или свести её к минимуму при определенном коэффициенте асимметрии цикла. В данном случае при R=-1,035.

Список литературы

 

 

1.   Коффин: Л.Ф. Исследование термической усталости применительно к компенсационной усталости высокотемпературных трубопроводов - в КН. Жаропрочные сплавы при изменяющихся температурах и напряжениях М.; Л.: Госэнергостандарт, 1960, с 259-279.

2.   Павлов П.А. Основы инженерных расчетов элементов на усталости длительную прочность. – Л.: Машиностроение, 1988. с. 252.

3.   Пенкин А.Н. Построение диаграмм циклического деформирования при расчетах на малоцикловую усталость в условиях сложного напряженного состояния. – М: Машиностроение, 1989, с. 11-14.