Испытание образцов с краевой трещиной при нестационарном многоцикловом нагружении

Отличительной особенностью микрорельефа усталостного разрушения металлических деталей является наличие усталостных канавок, перпендикулярных направлению распространения трещины. Предполагается, что после каждого цикла нагружения образуется новая канавка [1]. Но существуют и другие точки зрения, согласно которым новая канавка может формироваться не только после каждого цикла нагружения, но и после нескольких циклов [2, 3]. Поэтому представляется целесообразным связать образование усталостных канавок с циклическим распространением вершины трещины и организовать регистрацию остаточных прогибов балки в случае трехточечного изгиба, при котором нагрузка соответствует малоцикловой усталости.

Известно, что новая канавка может образоваться после нескольких циклов нагружения, поскольку усталостная трещина останавливается после каждого продвижения ее вершины в модели Лэрда–Смита, в то время как при каждом цикле нагружения происходит охрупчивание материала в области предварительного разрушения. Модели многоциклового нагружения, предложенные в работах [1, 4], в значительной степени основаны на подходах линейной механики разрушения, в то время как нелинейность материала возникает только в области предварительного разрушения.

Математика и механика

1.1.8

Для того чтобы проанализировать накопление повреждений в области предварительного разрушения и выявить механизм распространения усталостной трещины при нестационарном многоцикловом нагружении, были проведены серии экспериментов по симметричному трехточечному изгибу образцов балки с имитацией начальной трещины, представляющей собой поперечный разрез, расположенный на нижней стороне балки под точкой приложения усилия (рис. 1).

Рисунок 1. Геометрические данные образца Предварительно для образцов из этих материалов были проведены стандартные испыт… — см. PDF статьи.

На рис. 2 представлены экспериментальные кривые, отражающие зависимость отклонения L от приложенной силы P при многоцикловых испытаниях образцов, изготовленных из алюминия и титана.

Опишем результаты эксперимента. В случае нестационарного многоциклового нагружения сплава, в условиях увеличения максимального значения приложенной силы Р (рис. 2а), остаточный прогиб увеличивается нелинейно. На каждом шаге первый цикл имеет максимальное значение δc (разница между максимальными отклонениями для текущего и предыдущих циклов), которое затем уменьшается, и накопление повреждений стабилизируется. Также наблюдается нелинейное увеличение δp (количество, накопленное на одном этапе нагружения) от шага к шагу. После перехода к следующему этапу (усилие P увеличивается на 20 Н) образец становится заметно прочнее, что приводит к большему увеличению прогиба.

Рисунок 2. Экспериментальные кривые На последнем этапе, на котором и усилие, и деформация, накопленные в образце, велики… — см. PDF статьи.

При малоцикловом нагружении в условиях уменьшения максимального значения приложенного усилия P (рис. 2б) после первого нагружения с приложенным усилием, близким к пределу прочности образца, можно наблюдать процесс, обратный стабилизации накопления повреждений. После первого уменьшения силы P значение δc на первом шаге невелико, но затем оно начинает увеличиваться со скоростью, увеличивающейся от шага к шагу, и, следовательно, значение δp увеличивается на каждом шаге, хотя наблюдается уменьшение приложенной силы P. Начальное состояние зоны разрыва для однократной и циклической нагрузок близко друг к другу. Также интересно отметить следующий факт. По мере уменьшения начальной перегрузки описанный выше эффект лавинообразного увеличения исчезает. Каждое последующее уменьшение приложенного усилия приводит к заметному уменьшению остаточного прогиба, накопленного за ступеньку, но если вернуться к исходной нагрузке, то наблюдается резкое увеличение прогиба наряду с упрочнением материала.

Это показывает, что по мере уменьшения усилия Р процесс накопления повреждений продолжается, что не оказывает существенного влияния на остаточный прогиб, но в конечном итоге приводит к размягчению материала и проявляется при увеличении нагрузки. Другими словами, по мере уменьшения нагрузки продолжается формирование области предварительного разрушения перед вершиной усталостной трещины. В этом случае конечный накопленный остаточный прогиб приблизительно равно прогибу, который образовался бы, если бы нагрузка продолжалась при первоначальном значении приложенного усилия P. Повторное уменьшение и дальнейшее увеличение приложенного усилия приводят к большему размягчению и более быстрому разрушению образца.

Таким образом, анализ экспериментальных данных для титанового сплава и сравнение этих данных с результатами, полученными для алюминия, показывают, что существуют существенные различия в поведении этих материалов в условиях нестационарного многоциклового нагружения. Накопление повреждений в области предварительного разрушения связано с остаточным прогибом балок после снятия нагрузки. В экспериментах после каждого цикла разгрузки остаточный прогиб балки характеризует как распространение вершины усталостной трещины, так и развитие области предварительного разрушения. Рассмотренные выше условия нагружения с постепенным добавлением нагрузки и с уменьшением нагрузки, соответственно, моделируют оптимальную ситуацию и катастрофическую перегрузку при циклическом нагружении. Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования срока службы конструкций с трещиной, а также для анализа и прогнозирования катастрофических ситуаций после перегрузки.