Меню

  • На главную

Поиск

  • Разрушение при циклическом нагружений ч.1

    Posted 8/2/2009 в 7:06:27 ПП

    Явление усталостного разрушения было открыто В. Ранкином и А. Велером более ста лет тому назад. С тех пор оно было подвергнуто интенсивному изучению, и в настоящее время механика усталостного разрушения лежит в основе проектирования и расчета большинства динамически напряженных конструкций и машин. С разработкой вопросов усталости непосредственно связано повышение эксплуатационной надежности, снижение веса и увеличение экономических показателей использования динамически напряженных конструкций в народном хозяйстве. Начатые в первые годы этого столетия (М. В. Воропаев, К. К. Симинский) исследования усталости конструкционных материалов, в том числе мостовой стали, чугуна, авиадревисины, получили дальнейшее развитие после революции. М. В. Воропаев раньше многих зарубежных авторов подошел к изучению усталостного разрушения как к процессу и ввел представление о необратимых гистерезисных потерях как о причине усталостного разрушения.
    Остановимся на некоторых аспектах явления усталостного разрушения, не касаясь здесь таких вопросов, как ползучесть металлов и полимеров.
    В механике усталостного разрушения проводились исследования по определению критериев прочности в зависимости от режима и вида напряженного состояния, анализировались условия подобия и кинетика накопления усталостных повреждений при нестационарном переменном нагружении, привлекались статистические представления и теория пластичности для количественного описания закономерностей возникновения и развития усталостных трещин и перехода к хрупкому разрушению.
    Разработка статистического аспекта механики усталостного разрушения позволила связать исследования прочности при переменных нагрузках с теорией эксплуатационной надежности. По современным представлениям, усталостное -разрушение металлов и полимеров физически обусловлено микронеоднородностью структуры материала и, как следствие, невозможностью избежать локальной концентрации напряжений, что вызывает накопление необратимых микропластических деформаций.
    Критерии сопротивления усталостному разрушению при симметричных и асимметричных циклах и сложном напряженном состоянии разрабатывались в свете аналогий с критериями пластичности и статической прочности, а также на основе статистических энергетических представлений.
    С. В. Серенсен (1937) предложил принимать зависимость предельных амплитуд напряжений от средних напряжений цикла в форме линейной аппроксимации, выражая коэффициент, характеризующий влияние асимметрии цикла, через пределы выносливости при симметричном и пульсирующем циклах. Л. И. Савельев в 1955 г. предложил выражать этот коэффициент через предел выносливости при симметричном цикле и истинное сопротивление разрушению.
    Принимая в качестве критериальной величины, характеризующей усталостную прочность, площадь петли гистерезиса, И. А. Одинг (1937) получил квадратичную зависимость предельных амплитуд от средних напряжений. Д. И. Гольцев (1953), используя аналогию со статической прочностью, пришел к степенной зависимости предельных амплитуд от средних напряжений. При этом в качестве критериальной величины он использовал степенную функцию интенсивности касательных напряжений и среднего давления.
    И. А. Одинг (1948) предложил несовершенства реального материала при переменных деформациях, феноменологически близких к упругим, схематизировать петлей гистерезиса или соответствующей ей диаграммой идеальной пластичности с горизонтальным участком при напряжении, равном пределу усталости на растяжение — сжатие. В то же время он принимал за критерий усталостного повреждения ту амплитуду деформаций, при которой ширина петли гистерезиса имеет определенную малую величину.
    В дальнейшем в работах Г. С. Писаренко и В. Т. Трощенко (1967) уравнение кривой усталости в области больших чисел циклов было предложено выражать в амплитудах деформаций. За предел усталости авторы предлагали принять те напряжения, которые соответствуют некоторому (малому) значению ширины петли гистерезиса. Таким образом, предел усталости  определялся  как циклический предел пропорциональности.
    На основе экспериментальных исследований усталости для сталей, чугунов и легких сплавов С. В. Серенсен (1941) предложил выражать условия прочности при переменных напряжениях для плоского напряженного состояния гипотезами наибольших касательных или октаэдри-ческих напряжений с учетом (в линейной форме) влияния составляющих нормальных напряжений по соответствующим площадкам.
    Н. Н. Афанасьев (1940) сформулировал основные статистические положения механики разрушения поликристаллического тела. Для получения условий прочности при симметричных или асимметричных циклах и сложном напряженном состоянии он использовал физические представления о металле как микронеоднородней среде, характеризующейся неравномерной микронапряженностью кристаллитов. При этом предполагается, что в процессе циклического нагружения напряжения в отдельных, неблагоприятно ориентированных зернах возрастают вплоть до сопротивления отрыву, что приводит к их разрушению. Однако разрушение изолированных зерен не вызывает еще разрушения тела. За критериальную величину усталостной прочности тела принимается разрушение некоторого числа (постоянного для каждого материала) рядом расположенных микрозерен металла. Вероятность такой ситуации зависит от размеров поперечного сечения тела, неравномерности распределения макронапряжения и макроскопического напряженного состояния.Существенный вклад в дальнейшее развитие статистической механики поликристаллического тела был внесен С. Д. Волковым (1953, 1954). Рассматривая материал детали как микронеоднородную среду и принимая, что разрушение в каком-либо микрообъеме наступает при достижении растягивающими напряжениями прочности сцепления, он получил условия прочности при переменных нагрузках и сложном напряженном состоянии с учетом асимметрии цикла (1960).
    Д. И. Гольцев (1953), используя характеристики несовершенной упругости, принимал площадь петли гистерезиса без учета площади петли на пределе усталости как меру повреждения за один цикл. При этом мера повреждения не зависит от числа циклов, а суммарная работа разрушен-ния от уровня амплитуды напряжений. Отсюда вытекает уравнение кривой усталости, линейный закон суммирования повреждаемостей при нестационарных режимах нагружения и условие прочности при переменных напряжениях и сложном напряженном состоянии в степенной форме.
    Продолжая эти исследования, Р. Д. Вагапов (1964) в связи с явлениями ползучести и релаксации (повторное нагружение) рассмотрел вопрос о петле гистерезиса с переменными по числу циклов параметрами, описывающими зависимость меры повреждения от числа циклов, отклонение от линейного закона суммирования повреждений и зависимость долговечности от типа нагружений.
    Н. Н. Вассерман и В. А. Гладковский (1965) рассмотрели явление усталости с точки зрения двух взаимосвязанных процессов: упрочнения и разупрочнения. Процесс упрочнения был охарактеризован величиной минимального повреждающего напряжения, которое возрастает с числом циклов. На этой основе была дана единая интерпретация уравнений кривой усталости и явления тренировки при нестационарных циклах.
    И. А. Биргер (1948) сформулировал условия прочности при плоском напряженном состоянии с асимметричными циклами на основе предположения о том, что при асимметричном цикле на сопротивление усталости оказывают  влияние  только  статистические  нормальные напряжения.
    В работах С. В. Серенсена (1933) была предложена зависимость предела усталости от амплитуды максимального напряжения и от локального градиента напряжения. Продолжая исследование этого аспекта, Н. Н. Афанасьев (1936) предложил статистическое объяснение указанной зависимости. Тот же эффект И. А. Одинг (1948) описал на основе представлений о несовершенной упругости с помощью циклической вязкости (равной произведению модуля упругости на ширину петли пластического гистерезиса). С. В. Серенсен, Г. В. Ужик и Р. Д. Вагапов (1955) предложили условия моделирования усталостного разрушения. В дальнейшем изменчивость усталостных свойств, проявляющаяся в рассеивании характеристик сопротивления усталости, стала объектом теоретического и экспериментального исследования. В 1948 г. А. И. Кочетов и А. Д. Кролевецкий, а в 1952 г. М. Я. Шашин применили корреляционный анализ для статистического описания наклонного участка кривой усталости с учетом различных вероятностей разрушения. Здесь был принят нормальный закон распределения логарифма долговечности с параметрами, не зависящими от уровня амплитуд напряжений. Исследовалась возможность применения логарифмически нормального распределения для разрушающего числа циклов с учетом порога чувствительности (В. П. Ко-гаев, 1957) и регрессионного анализа для описания наклонного участка кривой усталости по разрушению с учетом зависимости функций распределения от уровня напряжений (М. Н. Степанов, Е. В. Гиацинтов и В. П. Когаев, 1959).

    Тэги: