Лекция 8. Повреждаемость от повторно-переменных нагрузок

Вопрос 1. Механизм развития повреждаемости

Повреждение конструкции повторно-переменными нагрузками приводит к усталости их материала.

Усталость является сложным процессом накопления повреждений под действием повторно-переменных напряжений, приводящих к образованию трещин и разрушению конструкции. Возникновению магистральных усталостных трещин предшествуют микротрещины в местах концентрации дислокаций, плотность которых превышает критическую.

Усталостное, прогрессирующее во времени разрушение можно описать последовательностью случайных процессов:

- накопление первичных повреждений (скопление дислокаций);

- формирование микротрещин и слияния их в макротрещины;

- распространение магистральной усталостной трещины;

- статического долома.

Кинетика и механизм каждого из перечисленных процессов усталостного разрушения определяются комплексом внешних нагрузок, характером их изменения во времени и повреждаемостью самого материала.

Различают знакопеременность и повторяемость нагружения (рис.19). Большая часть АК работает при знакопеременном нагружении.

Рис.19. Типичные циклы повторно-переменного нагружения:

а – симметричный; б – пульсирующий; в – асимметричный знакопеременный;

г – асимметричный знакопостоянный

Опасность усталостного разрушения по сравнению с длительным статическим заключается:

– в более низком разрушающем напряжении (до половины статической прочности и ниже);

– в более резком влиянии на прочность конструктивных, технологических и коррозионных факторов.

Кривые усталости (кривые Велера) отражают зависимость усталостной долговечности от числа циклов N (рис.20). Они бывают двух типов: с выраженным горизонтальным участком (кривая 1) и монотонным снижением (кривая 2). Последнее характерно для многих сплавов и цветных металлов.

Рис.20. Кривые усталости металлов:

I – условный предел выносливости

Условным пределом выносливости считают наибольшее значение максимального напряжения цикла, не вызывающее разрушения практически при очень большом числе циклов ( и более).

Склонность к образованию трещин у поврежденных повторно-переменными нагрузками элементов АК зависит (при фиксированном уровне напряжений) от макро- и микрогеометрии поверхности, от остаточной напряженности поверхности, от состояния макро- , микро- и субмикроструктуры материала.

Существенного влияния на макро- и микрогеометрию поверхности элементов АК наработка оказать не может. Последние два фактора имеют прямое отношение к накоплению усталостных повреждений при работе.

Процесс усталостной повреждаемости в целом поддается управлению. К управляющим факторам относят ряд конструктивных мер по увеличению поперечных сечений элементов, отстройку от резонансных частот колебаний, устранение конструктивных концентраторов напряжений. Положительно сказывается и совершенство технологического процесса изготовления.

Вопрос 2. Суммирование усталостных повреждений

А. Накопление повреждений при напряжениях выше предела выносливости (резонансные режимы)

Суммарная повреждаемость в этой области может быть выражена общей зависимостью

,

где – повреждение за один цикл нагружения;

– число циклов нагружения.

Предельное число циклов N, при котором происходит образование усталостной трещины и окончательное разрушение, создает предельное повреждение , которое может быть принято равным единице:

.

Полагая, что процесс накопления усталостного повреждения непрерывный, можно выразить как некоторую функцию от п с тем, что бы при значение и при значение . Форма этой функции определяет те или иные особенности накопления повреждений (табл.1 и рис.21).

Таблица 1

Модель	Функция усталостного повреждения
Линейная
Степенная
Фрейденталя
Кортена–Долана

В таблице – постоянный показатель степени, связанный со склонностью материала к концентраторам напряжений и максимален у титановых сплавов; , – коэффициенты, зависящие от уровня напряжений.

Рис.21. Суммирование усталостных повреждений по различным зависимостям

Для нестационарного ступенчатого нагружения при действии напряжения (рис.22) в течение циклов накапливается усталость по линии 1–2 (доля накопленной усталости – ). Переход к напряжениям происходит по горизонтальной линии 2–3, дальнейшее накопление повреждений происходит по линии 3–4 (с долей накопленных повреждений) и т.д.

Рис.22. Схема накопления усталостных повреждений при нестационарном

двухступенчатом нагружении

Б. Накопление повреждений при напряжениях не выше предела выносливости

Участок АБ может иметь разный вид в зависимости от доли накопленной усталости (рис.23).

Рис.23. Трансформация кривой усталости в результате

накопления повреждений от воздействия кратковременных резонансных режимов:

1 – исходная кривая; 2 – трансформированная кривая

Для реальных условий эксплуатации соотношение приблизительно 0,1…0,25, так что снижение запасов прочности по усталости не более 10%. Решающую роль на больших базах нагружения играют процессы циклического старения, влияющие на чувствительность к концентраторам напряжений.

Коэффициент концентрации напряжений показывает, во сколько раз местные напряжения, действующие в окрестности концентратора, превышают номинальные напряжения (рис.24). Он зависит от формы концентратора, его размеров, свойств материала.

Рис.24. Распределение изгибных напряжений на пере лопатки ГТД с забоиной А

Вопрос 3. Повреждаемость при термоусталости

Многие детали горячей части двигателей разрушаются в результате термической усталости. Термоусталостные повреждения развиваются главным образом вследствие напряжений, возникающих внутри материала из-за неравномерности его прогрева на переходных режимах. Этот процесс сопровождается сложным комплексом физико-химических явлений, связанных с диффузией, окислением поверхностного слоя, релаксацией и т.д.

Обычно термоусталостные повреждения отождествляют с малоцикловой усталостью при достаточно высоких уровнях напряжений. Различают повреждаемость при «мягком» (рис.25, а), «переходном» (рис.25, б), и «жестком» (рис 25, в) режимах нагружения термоциклами. При «мягком» нагружении в упругой области постоянному размаху напряжений соответствует постоянный размах деформаций . В случае пластического деформирования (при ) размах деформации от цикла к циклу изменяется. «Переходное» нагружение имеет место в зоне расположения отверстий, галтелей, где возможно упругопластическое деформирование. В этом случае размахи и не остаются постоянными вследствие процессов упрочнения и разупрочнения. «Жесткое» нагружение возможно, например, в охлаждаемых лопатках турбин: при постоянном размахе внешних сил внутренние штырьки, расположенные в охлаждаемой части, подвергаются циклической деформации постоянного значения , определяемой жесткостью пера лопатки. Напряжения здесь могут возрастать от цикла к циклу в упрочняющемся материале, уменьшаться или стабилизироваться в материалах, где эффект упрочнения не наблюдается.

Рис.25. Схемы нагружения термоциклами:

1 – «мягкое»; 2 – «переходное»; 3 – «жесткое»;

В реальных условиях работы имеет место комбинированный вариант термоциклического нагружения с преобладанием «жесткого» нагружения. Также действует статическая подгрузка, действующая с температурой. Термоусталостная повреждаемость проявляется, как правило, в виде сетки мелких поверхностных растрескиваний.

Перечисленные меры не меняют закономерностей накопления усталостных повреждений, а появление повреждений рассматривают как признак исчерпания ресурса.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.А. Пивоваров. Повреждаемость и диагностирование авиационных конструкций. – М.: Транспорт, 1994.

2. Н.Л.Голего. Ремонт летательных аппаратов. – М.: Транспорт, 1984.

****************************************************************