Усталостная прочность материалов при одновременном воздействии двух нагрузок различных частот
Анализ напряженности деталей в эксплуатации показывает что некоторые энергетические и машиностроительные конструкции работают в условиях одновременного воздействия на них циклических нагрузок, отличающихся по величине и частоте нагружения. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что усталостная прочность сталей при одновременном действии двух нагрузок значительно отличается от предела выносливости, определенного при действии одной нагрузки.
Действие наложенного высокочастотного напряжения на низкочастотную усталостную прочность.
На установке, позволяющей одновременно создавать нагрузки с частотой 180—500 и 2500— 3000 циклов в минуту, было проведено два вида испытаний гладких стальных дюралюминиевых образцов при симметричном цикле нагружения [61]: с переменной амплитудой суммарных нагрузок; при постоянном полном размахе нагрузки, но при различном соотношении амплитуд низкочастотной и высокочастотной нагрузок. Наложение низкочастотной нагрузки уменьшает долговечность тем больше, чем выше амплитуда низкочастотной нагрузки.
При постоянном полном размахе нагружения наложение высокочастотной нагрузки не снижает долговечности образцов, пока амплитуда этой нагрузки не превысит 40% амплитуды суммарной нагрузки. При амплитудах высокочастотной нагрузки, превышающих 40% амплитуды полной нагрузки, влияние наложения высокочастотной нагрузки становится значительным, поэтому в первую очередь необходимо учитывать число циклов высокочастотного нагружения.
Для дюралюминиевых образцов наложение высокочастотной нагрузки с амплитудой 1—40% амплитуды полной нагрузки, которая постоянна, существенно уменьшает долговечность, характеризуемую числом циклов низкочастотного нагружения. Это уменьшение соответствует снижению долговечности материала до 80% по сравнению с его начальным значением.
4. Изменение долговечности при наложении высокочастотной нагрузки
Марин [61 ] испытывал сплавы Д16АТ, В95АТ и сталь 30ХГСА при наложении двух нагрузок с частотой 10 и 2000 циклов в минуту при асимметричном цикле нагружения в условиях растяжения в основном при трех значениях наибольшего цикла, т. е. максимальное низкочастотное напряжение σмах изменялось от 0,4σв до 0,7σв. Циклическое напряжение при воздействии на образцы нагрузки с частотой 10 цикл/мин изменялось от σσтахп = 0,1σв до атахn =0,7σв (табл. 4). После определения долговечности при низкочастотном нагружении образцы подвергались действию двух нагрузок. При этом амплитуды высокочастотного напряжения принимались равными 2,5; 5; 10; 15% от σмахn.
Максимальное низкочастотное напряжение сохранялось постоянным, увеличивалась лишь амплитуда высокочастотного напряжения. В результате было установлено, что снижение низкочастотной долговечности образцов при наложении высокочастотных нагрузок не зависит от низкочастотной нагрузки в пределах 0,4—0,7σв. Снижение низкочастотной долговечности при амплитуде высокочастотной нагрузки, равной 2,5% σmaxn, составляет 25%, при амплитуде 5% σmaхn составляет 50%, а при амплитуде 10% σmахn составляет 80%. При дальнейшем увеличении амплитуды наложенных нагрузок от 10 до 15% снижение низкочастотной долговечности значительно замедляется. В этом интервале каждый процент амплитуд наложенных нагрузок соответствует 3,5—5,5% снижения низкочастотной долговечности.
Ямада и Китагава [109] изучали изменение высокочастотной выносливости образцов из 0,23%-ной углеродистой стали при наложении низкочастотных нагрузок. В ходе исследования применялась машина для испытаний на сопротивление усталости с повторным изгибом. Измерение нагрузок на образцах и контроль во время испытаний осуществлялись проволочными тензодатчиками. Определялся также предел выносливости образцов
при симметричном цикле нагружения для двух амплитуд низкочастотного нагружения σαn, равных 0; 10 и 20 кгс/мм2. Частота высокочастотного нагружения составляла 2000 цикл/мин. Предел выносливости образцов на базе 107 циклов равняется 29 кгс/мм2. При наложении низкочастотных нагрузок с частотой 50 цикл/мин и амплитудой 10 и 20 кгс/мм2 высокочастотный предел выносливости снижается соответственно до 20,5 и 12 кгс/мм2.
Сопротивление усталости сталей при бигармоническом нагружении.
Значительная часть машиностроительных и энергетических конструкций работает в условиях сложных режимов нагружения. Поэтому в прочностных расчетах необходимо учитывать влияние закона изменения напряжений на усталостные характеристики материалов. Гарф и Кавамото [17, 112] изучали усталостную прочность материалов в зависимости от формы цикла изменения напряжений. Образцы подвергались воздействию двух высокочастотных нагрузок, отличающихся одна от другой в 2— 3 раза [99]. Для испытаний применялись специальные усталостные машины [17, 116], которые позволяли формировать необходимый закон изменения напряжений заданием соответствующего профиля нагружающему элементу (обычно вращающемуся кулачку) сложением двух синусоидальных нагрузок
с возможностью варьирования амплитуд слагаемых гармоник и σ2, соотношения частот п1 : п2 и сдвига фаз —р.
В результате было установлено, что долговечность снижается на 60—70%.
При исследовании усталостной прочности образцов из стали 20 на кручение при одновременном действии двух высокочастотных нагрузок, отличающихся одна от другой по частоте в 2—3 раза. Таким образом, при тmin/тmах =0,5 долговечность образцов больше при действии двух высокочастотных нагрузок, чем при действии одной нагрузки. Испытания образцов на кручение из стали и сплавов алюминия при одновременном действий двух нагрузок с частотой 1500 и 2000 цикл/мин, при соотношении σmin/σmax, равном 1/10; 1/4; 2/3; 4/3, показали, что максимальное снижение долговечности наблюдается для случая σmin/σmax =2/3 [7].
