CC BY
41
УЧЕНЫ Е ЗАПИСКИ Ц А Г И Том IV 1 973
М 5
УДК 629.7.017.4-977:539.43:539.376
ВЛИЯНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ПОЛЗУЧЕСТИ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ СПЛАВА АК4-1 ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОМ НАГРУЖЕНИИ
С. И. Олькин
Приведены результаты экспериментального исследования влияния предварительной ползучести на выносливость плоских надрезанных образцов из сплава АК4-1. Обнаружено, что характер усталостного разрушения в условиях плоского напряженного состояния в окрестности надреза изменяется в зависимости от уровня статической нагрузки, действующей в процессе ползучести.
Результаты проведенных ранее исследований [1] позволили установить ряд качественных закономерностей влияния предварительной ползучести на выносливость сплава АК4-1. Было обнаружено, в частности, что при повышенных температурах (130 —175°С) ползучесть может вызвать изменение усталостных характеристик под влиянием следующих факторов: неравномерная деформация ползучести в зоне надреза, вызывающая образование остаточных напряжений после снятия нагрузки; деформационное упрочнение; снятие технологических остаточных напряжений; структурные изменения материала, обусловленные длительным нагревом; образование разрывов сплошности (растрескивание). Перечисленные факторы существуют одновременно и взаимодействуют друг с другом. Влияние каждого из них количественно, а иногда и качественно зависит от параметров ползучести, технологии изготовления образца, исходного структурного состояния сплава, параметров циклического нагружения и других факторов.
Было показано, что хотя повреждающий эффект „разрыхления” материала разрывами сплошности и имеет место, влияние ползучести на усталостные характеристики исследуемого сплава при наличии концентрации напряжения и сравнительно небольших повторных нагрузках определяется в основном действием следующих факторов: снятие технологических остаточных напряжений и структурные изменения (повреждающие факторы), макроостаточные напряжения в зоне надреза и наклеп (упрочняющие факторы).
Большая часть рассмотренных в работе [1] экспериментальных данных была получена на образцах цилиндрической конфигурации, изготовленных из прессованного профиля. Кроме того, влияние ползучести на характеристики усталости сплава АК4-1 изучалось лишь при стационарном нагружении, тогда как характер нагружения самолетных конструкций существенно нестационарный. Одной из важных отличительных черт эксплуатационного спектра нагрузок, действующих на элементы конструкции самолета, является наличие в нем циклов с относительно высоким напряжением (нагрузки, возникающие при выполнении маневров в сочетании с нагрузками от порывов ветра).
В настоящей статье рассмотрены результаты экспериментального исследования влияния ползучести на процесс усталости сплава АК4-1. Эксперимент
проводился на плоских образцах при программном нагружении, включающем циклы нагрузки с высоким коэффициентом асимметрии и, следовательно, более полно отражающем условия эксплуатации, нежели стационарное циклическое нагружение. Образцы имели ширину рабочей части 24 мм и были изготовлены из одного плакированного листа толщиной 2 мм с концентратором в виде трех сверленых и развернутых отверстий: центрального диаметром 4 мм и двух боковых диаметром 1 мм; теоретический коэффициент концентрации таких образцов равен приблизительно 4. Материал был в состоянии поставки — закаленным и искусственно состаренным (ав = 41,5-107 Н/м2, 5 = 5%). Перед циклическим нагружением образцы подвергались воздействию ползучести при температуре 150°С и двух уровнях статической растягивающей нагрузки (по сечению нетто), аст = 11,8-107 и 19,6-107 Н/м2. Длительность ползучести t варьировалась от 5 мин до 3000 ч. Испытания на выносливость проводились при пульсирующем растяжении по двухступенчатой программе с различными максимальным ашах и минимальным атщ значениями напряжения в каждой ступени повторной нагрузки. Один программный цикл включал в себя 20 циклов повторной нагрузки с о}пах = = 7,7-107 Н/м2 и Ошт = Ю7 Н/м2 (I ступень) и следующие за ними 20 циклов нагрузки с а”ах= 13,7-107 Н/м2 и з")п = 7,4 •107 Н/м2 (11 ступень). Частота нагружения— 10 циклов в минуту.
Для определения влияния на выносливость тех факторов ползучести, действие которых обусловлено длительным температурным воздействием (старение, релаксация технологических остаточных напряжений), образцы выдерживали в термостате при температуре 150°С без статической нагрузки с последующим испытанием на усталость.
На каждом режиме ползучести и выдержки при повышенной температуре испытывали по 4—6 образцов. Влияние ползучести на усталостную долговечность характеризовалось отношением (Ит, Л^п — срединные значения чисел
программных циклов до разрушения образцов после их выдержки в термостате и после ползучести соответственно). В ходе усталостных испытаний с помощью микроскопа с двадцатичетырехкратным увеличением изучали процесс развития усталостной трещины, что дало возможность выявить влияние ползучести на продолжительность начальной стадии усталостного процесса — стадии до образования макротрещины. В качестве характеристики этого влияния было принято
К
отношение —р (А7' — срединные значения чисел программных циклов до об-
А^т ’
разования трещины в образцах, подвергнутых выдержке в термостате и воздействию ползучести соответственно).
С целью определения влияния технологических остаточных напряжений были проведены испытания на усталость образцов с надрезом, выполненным до и после выдержки при повышенной температуре. Результаты этих испытаний показали, что выдержка при температуре 150°С длительностью до 3000 ч незначительно (приблизительно на 10%) снижает усталостную долговечность по сравнению с исходной и что происходит это главным образом вследствие снятия технологических остаточных напряжений.
Графики на фиг. 1 и 2 показывают, что характеристики выносливости снижаются с ростом продолжительности ползучести ( по линейному закону (данные на фиг. 1 и 2, условно отнесенные к значению £ = 0, получены при £ = 5 мин).
*ї бст-19,6107ф1 і <5 5^ ■ men /ПІЛ 20 цикль & f N
*- , \с> !■ ' ■-*- О •
>S,NS4#
100 200 300 t,4
Фиг. 2
вст=11,&-107німг
а)
Фиг. З
Это объясняется, по-видимому, повреждением материала в зоне высоких напряжений разрывами сплошности. Такой вывод можно сделать, основываясь на экспериментальных данных, рассмотренных в работе [1], свидетельствующих о наличии повреждающего влияния растрескивания в процессе равномерной по сечению ползучести, а также на результатах визуального осмотра изломов образцов, при котором были обнаружены признаки «разрыхления* материала в непосредственной близости к контуру надреза.
На фиг. 3 представлены кривые роста усталостной трещины образцов, подвергнутых ползучести. Здесь по вертикальной оси отложена сумма длин трещин, образовавшихся по обе стороны надреза, , а по горизонтальной — соответствующее данному значению число программных циклов.
% ) вшжП ( 1,8Ю7фг
'г—"о' — О
О 1000 2000 3000 г,ч
а)
Данные на фиг. 3, а показывают, что при аст = 11,8-107 Н/м2 увеличение продолжительности ползучести приводит в основном к сокращению первой стадии усталостного процесса — стадии образования трещины. Так, например, с увеличением ползучести £ от 500 до 2000 ч число циклов до образования трещины уменьшается в 4 раза, а при продолжительности предварительной ползучести 3000 ч первая стадия усталости практически отсутствует. В то же время продолжительность стадии развития усталостной трещины изменяется очень мало. Незначительное увеличение выносливости, которое наблюдается при малой продолжительности ползучести (см. фиг. 1), происходит вследствие увеличения в равной мере как первой, так и второй стадий усталостного процесса и может быть объяснено совместным действием макроостаточных напряжений и наклепа.
По-иному протекает процесс усталостного разрушения образцов, подвергнутых воздействию ползучести при аст=19,6-107 Н/м2. Как видно из фиг. 3, б, после возникновения трещины наблюдается резкое снижение скорости ее роста, после чего процесс роста трещины идет, как и обычно, с постепенно увеличивающейся скоростью. Причиной замедления развития усталостной трещины в данном случае являются, по-видимому, остаточные напряжения, возникшие в рабочем сечении образца в результате макронеоднородной деформации ползучести.
В ходе испытаний проводилось исследование процесса накопления локальной деформации ползучести методом прецизионной координатной сетки [2]. Было обнаружено, что деформация ползучести распределена по опасному сечению образца неравномерно и что максимум ее находится на контуре надреза.
На фиг. 4 показаны графики роста во времени осевой (в направлении действия нагрузки) пластической деформации на контуре концентратора для обоих уровней статической нагрузки. Можно видеть, что в случае осх = = 19,6 • 107 Н/м2 (см. фиг. 4, б) накопление повреждений, обусловленных ползучестью и вызывающих последующее снижение выносливости, сопровождается значительной локальной пластической деформацией, тогда как при ист = = 11,8* 107 Н/м2 (см. фиг. 4, а), хотя и наблюдается некоторая местная деформация ползучести, величина ее значительно меньше и составляет примерно 0,5% при £ = 3000 ч.
Большая локальная пластическая деформация, вызывая местное уменьшение поперечного сечения образца, может быть одной из возможных причин снижения долговечности до образования усталостной трещины при увеличении продолжительности предварительной ползучести в случае аст = 19,6-107 Н/м2. Как показывают данные фиг. 4, б, на этом уровне статической нагрузки осевая деформация ползучести на контуре надреза нарастает очень быстро и уже через несколько десятков часов после начала испытания составляет приблизительно 1^. При такой деформации ползучести возможно существенное локальное уменьшение поперечного сечения образца [2]. Следует отметить, что местное уменьшение поперечного сечения у края надреза было замечено при внешнем осмотре образцов после 50 ч ползучести при напряжении 19,6-107 Н/м2.
Полученные результаты показывают, что характер влияния предварительной ползучести на выносливость плоских образцов при наличии концентратора зависит от уровня статического напряжения. При относительно низких статических нагрузках (порядка 0,3 ов) накопление повреждений в зоне надреза даже при большой длительности испытания происходит без значительной локальной деформации ползучести. Влияние деформационного упрочнения и остаточных напряжений при этом не существенно. При более высоких нагрузках (порядка
0,5 а„) накопление повреждений в процессе ползучести сопровождается большой местной пластической деформацией, благодаря чему становится заметным влияние макроостаточных напряжений на усталостную долговечность.
ЛИТЕРАТУРА
1. Воробьев А. 3., Олькин С. И., Стебе нев В. Н. Влияние предварительной ползучести на выносливость сплава АК4-1Т1. „Ученые записки ЦАГИ“, т. III, № 2, 1972.
2. Бородин Н. А., Серенсен С. В. О длительном статическом разрушении в зоне концентрации. „Изв. АН СССР — Механика и машиностроение', 1960, № 4.
Рукопись поступила 81VIII 1972 г. Переработанный вариант поступил 24\Х 1972 г.
