Испытания образцов на усталость проводились на машинах УП-30М, осуществляющих переменный изгиб в одной плоскости. В зависимости от уровня среднего напряжения и циклической составляющей частота циклического напряжения изменялась в интервале 1600—2600 цикл/мин.
Для построения полных диаграмм усталости определялись следующие величины при разных видах нагружения:
а) максимальная амплитуда симметричного цикла при симметричном цикле изменения напряжений;
б) максимальный размах пульсирующего цикла при пульсирующем цикле изменения напряжений. Поскольку машина работала при знакопостоянном асимметричном цикле нагружения, для получения более стабильных и точных результатов нижнее значение (σmin) «пульсирующего» цикла было принято отличным от нуля и равным 1 кгс/мм2;
в) максимальная амплитуда цикла при резкоасимметричном цикле изменения напряжений.
Напряжение в образце устанавливалось статической тарировкой и во время работы контролировалось проволочным тензодатчиком, усилителем и осциллографом.
Усталостная прочность стали 0Х12НДЛ.
Образцы были изготовлены с надрезом и без надреза. При расчете теоретического коэффициента концентрации напряжений для надрезанных образцов по Нейберу (671 αт = 5,0, а по Верховскому αт = 2,2.
По результатам экспериментальных данных были построены полные диаграммы усталости стали 0Х12НДЛ (рис. 37).
Из рис. 37 видно, что при переходе от симметричного цикла нагружения к пульсирующему предельная амплитуда цикла уменьшается. Это уменьшение зависит от концентратора напряжений и среды, в которой проводились испытания. Влияние асимметрии цикла на его предельную амплитуду для гладких образцов, испытанных на воздухе, больше при резкоасимметричном цикле нагружения, чем при пульсирующем (кривая 1).
Предельная амплитуда цикла для надрезанных образцов, испытывающихся в воде, при переходе от симметричного цикла нагружения к асимметричному До пульсирующего цикла нагружения сильно уменьшается, а при переходе от пульсирующего цикла нагружения к резкоасимметричному это уменьшение ослабевает (кривая 4).
Для надрезанных образцов, испытанных на воздухе при переходе от симметричного цикла нагружения к пульсирующему, предельная амплитуда цикла снизилась с 9,5 до 5 кгс/мм2. Дальнейшее увеличение среднего напряжения до 20 кгс/мм2 фактически не влияет на предельную амплитуду цикла (кривая 3), т. е. влияние асимметрии цикла при наличии концентратора напряжений (надрез на растянутой стороне) в этом случае проявляется значительно вплоть до пульсирующего цикла и практически не влияет при большой асимметрии цикла.
Усталостная прочность стали 20ГСЛ.
Образцы из стали 20ГСЛ гладкие размером 30x40x400 мм испытывались в воздушной и водной средах.
Предел выносливости образцов, испытывавшихся при симметричном цикле нагружения на воздухе на базе 107 циклов, равен 15,5 кгс/мм2, а в воде 13,5 кгс/мм2, т. е. снижается всего на 13%.
Предел коррозионной усталости сталей зависит от ряда факторов, в том числе от базы испытаний, с увеличением которой он уменьшается. До числа циклов 2· 107 база испытания оказывает большое влияние, а затем оно ослабевает. Поэтому при определении коррозионно-усталостной прочности при пульсирующем и резкоасимметричном цикле нагружения база испытания для стали 20ГСЛ принималась равной 2-107 циклов.
Рис. 38. Полные диаграммы усталости образцов из стали 20ГСЛ, полученные на машине УП-30;
1 — на воздухе; 2 — в воде
Как видно из рис. 38, влияние асимметрии цикла на его предельную амплитуду для испытания на воздухе независимо от уровня среднего напряжения остается постоянным, а в воде зависит от уровня среднего напряжения, причем с его увеличением (до 16 кгс/мм2) увеличивается. Это, по-видимому, объясняется тем, что при испытании на воздухе образцы работают с трещиной 10—30% времени от общей долговечности, а в коррозионной среде — до 90%. Развитие усталостных трещин под действием растягивающего среднего напряжения ускоряется.
Поэтому предполагается, что влияние асимметрии цикла на усталостную прочность материала всегда будет больше в коррозионной и агрессивных средах, чем на воздухе. Предположение о том, что растягивающие средние напряжения качественно не влияют на полную диаграмму усталости, эксперименты не подтвердили.
Прочность сталей при асимметричном цикле нагружения зависит как от механических свойств материала, так и от концентраторов напряжения. Поэтому при расчете на усталостную прочность деталей машин необходимо учитывать влияние асимметрии цикла на его предельную амплитуду в зависимости от механических свойств материала, концентраторов напряжения и среды, в которой они эксплуатируются.
Предполагается, что коэффициент ψσ не зависит от уровня среднего напряжения. Однако коэффициент изменяется в зависимости от уровня среднего напряжения. Так, по формуле (15) получены следующие значения коэффициента φσ:
для стали 0Х12НДЛ:
0,32 — образцы гладкие, испытание на воздухе и в воде;
0,90 — образцы с надрезом, испытание на воздухе;
1,00 — образцы с надрезом испытание в воде;
для стали 20ГСЛ:
0,35 — образцы гладкие, испытание на воздухе;
0,42 — образцы гладкие, испытание в воде.
Для образцов из стали 45 коэффициент ψσ получился равным нулю. Например, для стали 45 предельная амплитуда при симметричном и пульсирующем цикле нагружения равна 8,5 кгс/мм2, а при σт = 20 кгс/мм2 она уменьшается по сравнению с σ_1 более чем в 2 раза. Для стали 0Х12НДЛ влияние асимметрии при пульсирующем цикле незначительное, однако при σт = 25 кгс/мм2 предельная амплитуда цикла значительно снижается. При пульсирующем цикле нагружения дальнейшее увеличение среднего напряжения до 20 кгс/мм2 не влияет на предельную амплитуду. В связи с этим для каждого уровня среднего напряжения необходимо определять ψσ. При этом формула (15) получает вид
(16)
где σ0 — предельная амплитуда при асимметричном цикле нагружения.
Ниже даны значения ψσ для резкоасимметричного цикла, найденные по формуле (16): для стали 0Х12НДЛ:
0,40 — образцы гладкие, испытание на воздухе, σт = 25 кгс/мм2;
0,25 — образцы с надрезом, испытание на воздухе, σт = 20 кгс/мм2;
0,55 — образцы с надрезом, испытание в воде, σт = 20 кгс/мм2;
для стали 20ГСЛ при σт = 16 кгс/мм2:
0,31 — испытание на воздухе;
0,70 — испытание в воде.
Для стали 45 при σт = 20 кгс/мм2 ψσ = 0,25.
Из экспериментальных данных для сталей 0Х12НДЛ и 20ГСЛ видно, что:
а) влияние коррозионной среды на предельную амплитуду цикла при асимметричном нагружении сильнее на сталь 20ГСЛ, чем на сталь 0Х12НДЛ. Если для стали 0Х12НДЛ коэффициент ψσ в воздушной и водной средах не изменяется, то для стали 20ГСЛ с увеличением асимметрии цикла ψσ увеличивается (кривые 7 и 3 рис. 38). Характеристики показывают, что коррозионная среда при асимметричном цикле нагружения действует на сталь 0Х12НДЛ меньше, чем на сталь 20ГСЛ;
б) влияние асимметрии цикла на его предельную амплитуду на воздухе до пульсирующего цикла нагружения больше у стали 20ГСЛ, чем у стали 0Х12НДЛ. Однако при дальнейшем возрастании среднего напряжения ψσ для стали 20ГСЛ не изменяется, а для стали 0Х12НДЛ ψσ увеличивается с ростом σт. Это означает, что при сопоставлении ψσ различных сталей недостаточно установить только значения пульсирующего цикла, а необходимо также определить выносливость материала при резкоасимметричном цикле;
в) стали имеют различную коррозионно-усталостную прочность, но низкий процент снижения прочности в воде. Однако следует отметить, что испытания проводились в основном на базе 107 циклов, а предел выносливости в условиях коррозионной усталости падает с увеличением базы интенсивнее до 2-107 циклов и медленнее далее вплоть до 1-109 циклов [43]. Изменение коррозионно-усталостной прочности сталей 0Х12НДЛ и 20ГСЛ с ростом базы испытаний может быть различным. Кроме того, лопасти рабочих колес при п=100 об/мин за год будут иметь 50 млн. циклов. При усталостных испытаниях образцов даже база в 50 млн. циклов требует 16 суток пребывания в воде. Таким образом, важен, по-видимому, также и фактор времени пребывания металла в коррозионной среде. Следует отметить, что для всех видов испытаний предел выносливости по абсолютной величине у стали 0Х12НДЛ больше, чем у стали 20ГСЛ [35].
Эти характеристики показывают, что сталь 0Х12НДЛ при асимметричном цикле нагружения переносит коррозионную среду лучше, чем сталь 20ГСЛ.
