книги / Статическая выносливость элементов авиационных конструкций

занное сравнение не имеет смысла. Кроме того, в тех случаях, когда место разрушения в обеих схемах нагружения оказывает­ ся одним и тем же, неясно, как связать разность показателей статической прочности конструкции до и после эксплуатации со сроком службы конструкции. Возникает также вопрос, нельзя ли на образцах, вырезанных из конструкции, проработавшей не­ который срок, определить степень снижения выносливости по изменению временного сопротивления сплава. Такая методика определения снижения выносливости конструкции не может иметь успеха потому, что усталостное разрушение конструкции является результатом местного (локального) процесса упруго­ пластического деформирования, который может и не отразиться заметно в других местах конструкции. Поэтому необходимо вы­ яснить, как отражается на временном сопротивлении сплава предварительное многократное нагружение образца или конст­ рукции. Для выяснения поставленных вопросов были приведены описываемые ниже испытания.

Влияние повторных нагрузок на статическую прочность образца

Испытаниям подвергались образцы, изготовленные из двух сплавов: Д16-Т с огп=46 кГ}мм2, 6=19,2%, сграэр==44 кГ/мм2 и В95 с ав=50,3 кГ/мм2, 6=13,6%, аразр=50 кГ/мм2.

Образцы в обоих случаях были плоские с отверстием. Ха­ рактер нагружения — пульсирующее растяжение. Коэффициент напряженности К при испытании образцов из сплава Д16-Т ме­ нялся от /С=0,5 до /С=0,7, а при испытании образцов из сплава В95 — от К = 0,5 до К= 0,8. При каждом значении-К были опре­ делены значения разрушающих чисел циклов N0l5-, JVoi6; NQJ; Nq,8 как средние из пяти-шести испытаний.

Из предварительных испытаний было выяснено, что опреде­ лять статическую прочность образца (точнее оразр) после числа циклов нагрузки, меньшего 50% от разрушающего числа (т. е. от N0,s; Л^о.б! Л/о,7 и No,s), не имеет смысла из-за малого изменения ее. Поэтому основные испытания были ограничены числом цик­ лов предварительного нагружения перед статическим разрывом от 50 до 90% от соответствующего разрушающего числа циклов. Частота повторения нагрузки я =9 цикл!мин.

Результаты испытаний приведены на рис. 92 и 93. По оси абсцисс отложено число циклов предварительного нагружения в процентах от соответствующего разрушающего числа циклов, по оси ординат — потери Оразр в процентах по сравнению с пер­ воначальным значением, полученным на образцах, не подвергав­ шихся повторным нагрузкам. На графиках дан полный разброс результатовиспытаний при всех коэффициентах К, так как чет­ кого влияния величины самого К на результаты испытаний не было выявлено. Если при рассмотрении графиков ориентиро­ ваться на средние значения, то можно считать, что после 50%

91

срока службы образца его статическая прочность снижается по обоим графикам в пределах 3—4%. Эта величина настолько мала, что практически не может быть использована при оценке

растяжение плоских образцов с отверстием из спла­ ва Д16-Т после предварительного испытания на по­ вторные нагрузки

прочности конструкции. При увеличении числа циклов предва­ рительного нагружения образца потеря статической прочности его возрастает, достигая при 70% предварительного нагружения

Рис. 93. К результатам испытания на однократное растяжение плоских образцов с отверстием из спла­ ва В95 после предварительного испытания на по­ вторные нагрузки

от 7 до 10% начальной статической прочности. Такой медленный темп увеличения потери статической прочности и малая ее ве­ личина даже при израсходовании 70% срока службы не позво­ ляет использовать этот показатель для определения степени

92

усталости конструкции после некоторого срока эксплуатации из-за большого разброса значений статической прочности, ха­ рактерного для многих типов конструкций, и еще большего раз­ броса их значений выносливости.

Влияние повторных нагрузок на величину временного сопротивления сплава

Для оценки этого влияния были испытаны образцы, изготов­ ленные из двух алюминиевых сплавов Д16 и В95 и из четырех вариантов сплава ЗОХГСА, отличающихся по структурному со­ стоянию. Испытания проводились в следующем порядке. Пло­ ские образцы с отверстиями, выполненные из всех перечисленных выше сплавов, были испытаны пульсирующим растяжением при разных коэффициентах напряженности К до разрушения. Затем из половинок разрушенных образцов были изготовлены образцы для испытания на статический разрыв (см. рис. 44). Результаты этих испытаний приведены в табл. 8—43.

Т а б л и ц а 8 Т аблица 9 Таблица 10

Сплап	В95 с	Сплав Д16-Т с		Сталь ЗОХГСА с
а,,—49,7	кГ1м м 1	о„=43,2 кГ/мм *		о„=95,7	к Г /м м *
дг__ °попт	Сп	д ._ °иовт	С»	д,_ qnQiiT
сразр	КГ{ММ 2	сразр	КГ/ММ2	сразр	$сГ1л1м?
0,75	49,7	0,90	48,8	0,90	98,3
0,67	49,9	0,80	46,9	0,80	98,7
0,58	50,9	0,70	46,5	0,72	97,9
0,50	49,9	0,62	46,4	0,65	98,1
		0,55	46,2	0,56	96,5

В табл. 8— 13 а'п — временное сопротивление, полученное при

испытании образцов, изготовленных из половинок образцов, ра­ нее разрушенных повторными нагрузками. Новое значение вре­ менного сопротивления так мало отличается от первоначального значения оп, что эта разность лежит в пределах разброса от­ дельных значений oDдля всех испытанных сплавов. Поэтому су­ дить о степени усталости конструкции, работавшей при повтор­ ных статических нагрузках, по изменению временного сопротив­ ления, определенного на образцах, вырезанных из конструкции, нельзя, так как оно практически не зависит от режима предвари­ тельной работы конструкции при повторных статических нагруз­ ках (по крайней мере в диапазоне значений коэффициента на­ пряженности iC=0,3-f-0,9 при наличии концентрации напря­ жений) .

93

Таблица 11

Сталь ЗОХГСА с св=117 к Г /м м 2

, ,	°попт	G'
	ар азр	к Г /м м ?
	0 ,8	115,6
	0,65	116,4
	0,57	114,5
	0,49	114,6
	0,45	116,0

		Таблица 12			Таблица 13
	Сталь ЗОХГСА с			Сталь ЗОХГСА с
	а„=147 к Г /м м 2			а„=177 к Г /м м 2
„	°попт	с в	„		б п о в т
Л —			Л—			к Г \м м 2
	а разр	кГ1мм%			а |>Р э р
	0,67	151,4		0,70		175,5
	0,59	150,2		0,55		177,6
	0,50	152,3		0,47		170,6
	0,42	152,2		0,39		175,7
				0,31		180,9

6. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ

Общие соображения

Приводимые ниже экспериментальные данные по влиянию на выносливость повышенных и пониженных (по сравнению с комнатной) температур получены при полном равномерном про-

Рис. 94. Образец для испытаний на повторное рас­ тяжение в нагретом состоянии

греве и полном охлаждении испытуемых образцов. Для проведе­ ния этих испытаний описанные раньше пульсаторы оснащались электропечами и холодильными камерами. Электропечи нагре­ вались от нормальной электросети спиралями сопротивления, расположенными вокруг рабочего пространства печи. Холодиль­ ные камеры работали от фреоновой холодильной машины.

Для испытаний с нагревом образцы в большинстве случаев выполнялись по рис. 94. Для захвата образца в зажимах пуль­ сатора применялись специальные удлинители (рис. 95), в кото­ рых головка образца захватывалась поперечным болтом и пло-

94

скими вставными пластинками с насечкой, входящей в боковые поверхности головок образца при затяжке поперечного болта.

Схема испытания показана на рис. 96. Для испытаний при пони­ женных температурах (—50° С) образцы изготовлялись увели-

Рис. 96. Общая схема испытания образцов

внагретом состоянии:

/—удлинитель; 2—образец; 5—термопара; 4 —печь; 5— спираль; ff—терморегулятор: 7—потенциометр

чениой длины (рис. 97) для уменьшения нарушений температуры средней части образца.

/ .0 6

[

500

Рис. 97. Образец для испытания при понижен­ ных температурах

95

Повышенная температура

На рис. 98 приведены результаты испытаний на пульсирую­ щее растяжение образцов из сплава Д16А-Т толщиной в сред­ нем 3 мм. Кривые выносливости построены в осях о—N.

По оси ординат на соответствующих кривых отмечены зна­ чения ОраэрСравнение проведено при температурах 20, 150 и

Рис. 98. Кривые статической выносливости сплава Д16А-Т при повышенных темпера­ турах

+200° С. При напряжении а = 20 кГ/мм2 повышение температуры до +150° С снижает разрушающее число циклов почти в 2 раза, а до +200° С — в 4 раза.

На рис. 99 приведены аналогичные данные испытаний образ­ цов из сплава В95А-ТВ толщиной 4 мм, проведенных при тем­

пературе +20,	+120,	+150 и +200° С. Сопоставление кривых
для разных температур			указывает на	значительное снижение
выносливости	сплава	с	повышением	температуры.

Для проверки теплостойкости заклепочного сплава Д19П и сравнения его со сплавом В65 были проведены сравнительные испытания на повторный срез заклепок из этих сплавов. Образ­ цы для испытания заклепок были изготовлены из листа сплава Д16-Т (рис. 100) с заведомо более прочными пластинами по сравнению с телом заклепок.

Результаты испытаний на статический однократный срез до разрушения при температурах +20 и +175° С приведены в

96

32,6 31,8 25,9

33,8

В65 Д19П В65

Д19П

+20° С

Т абли ц а Н

т„ кГ /м м *

+175° С

табл. 14, где даны средние значения из испытаний трех образ­ цов (при каждом виде испытания).

Из этой таблицы видно, что при +20° С прочность на срез

у обоих сплавов практически одинакова. При температуре же +175° С прочность сплава В65 понизилась примерно на 20%, а сплава Д19П осталась без изменения. Значение тв= =33,8 кГ(мм2 объясняется раз­ бросом отдельных значений твПри испытаниях на повторный пульсирующий срез все образ­ цы разрушались от среза за­

клепок. Частота смены нагрузок была 8—12 цикл/мин.

Рис. 99. Кривые статической выносливости сплава при повышенных температурах

На рис. 101 приведены результаты испытаний в осях т—N. Из этого графика видно, что при Т= +20° С и т=28,0 кГ(мм2 и ниже статическая выносливость заклепок из сплава Д19П значи­ тельно выше, чем из сплава В65. При температуре +175° С вы­

3*

97

носливость заклепок из сплава В65 резко падает и при напря­ жении, например, *=22-7-23 кГ/лш2 она меньше, чем из сплава Д19П, во много раз.

Рис. 100. Образец для испытания заклепок на по­ вторный срез

Рис. 101. Кривые статической выносли­ вости заклепок из сплавов В65 и Д19П при испытании на повторный пульсирую­ щий срез при разных температурах

Пониженная температура

Из работ, посвященных вопросу влияния низких температур на выносливость сплавов при вибрационных нагрузках, напри­ мер [22], известно, что с понижением температуры выносливость сплавов повышается. Поэтому можно было ожидать качественно подобную же зависимость и при статической выносливости. Для проверки этого были проведены испытания на пульсирующее растяжение плоских образцов с отверстием из трех сплавов: ста­ ли ЗОХГСА с 0В=66,4 кГ!мм2 и сплавов Д16А-ТН с а„= =54,8 кГ1мм2 и В95-Т с ов=55,3 кГ/мм2.

96

Результаты испытаний первых двух сплавов приведены на рис. 102, где показаны кривые выносливости, построенные в осях a—N, при температурах +20 и —50°С. Для обоих сплавов кри­ вые при —50° С показывают значительно более высокую вы­

носливость по сравнению с кривыми при +20° С. Для сплава В95 испытание было проведено только на одном уровне напря­

жения а=38,2 кГ/мм2. При этом получено отношение = "+20

= 1,32. Таким образом, для всех трех сплавов оказывается справедливой указанная выше зависимость — с понижением тем­ пературы статическая выносливость сплавов существенно по­ вышается.

7. ВЛИЯНИЕ НАЛОЖЕНИЯ ВИБРАЦИОННОЙ НАГРУЗКИ

Многие конструктивные элементы машин в процессе эксплуа­ тации подвергаются воздействию комбинированных нагрузок, когда на один вид нагрузки накладывается другой. Например, часто встречаются случаи наложения вибрационных нагрузок на повторные статические нагрузки. Для изучения эффекта дей­ ствия такой комбинированной нагрузки были проведены специ­ альные исследования, результаты которых позволили провести

сравнение выносливости при повторных статических	нагрузках
с выносливостью при воздействии комбинированной	нагрузки,

когда на повторную статическую нагрузку накладывалась вибра­ ционная. Исследовались три сплава: Д16-Т с сгп=46,3 кГ/мм2 и

3 **

99

6=19%, В95 с сГп=54,8 /сГ/лш2 и 6=12% и сталь ЗОХГСА с ав=120 кГ/мм2 и 6=7,8% и с crD= 160 кГ/мм2 и 6=4,8%- Испыты­ вались плоские образцы с отверстиями и без отверстий, а также заклепочные соединения, выполненные из сплава В95. Все образ­ цы испытывались на повторное растяжение до разрушения.

Испытания проводились на комбинированном пульсаторе, схема которого дана на рис. 21. По оси пульсатора, кроме основ-

Рис. 103. Кривые зависимости статической вынос­ ливости сплавов Д16А-Т, В95А-Т и ЗОХГСА от интенсивности вибрационной нагрузки, наложенной на повторную статическую нагрузку

ного привода для создания повторных осевых нагрузок, распо­ ложен вибратор 6, приводимый во вращение от отдельного элек­ тродвигателя постоянного тока и регулируемый на разную инер­ ционную нагрузку изменением расстояния передвижной массы до центра ее вращения. Частота повторной статической нагрузки «1 = 1 0 цикл1мин, вибрационной п2= 2000 цикл1мин.

Результаты испытания всех разновидностей образцов приве­ дены на рис. 103. По оси ординат отложено снижение статиче­ ской выносливости в процентах от разрушающего числа циклов, получаемого при испытании только повторными статическими нагрузками без наложения вибрационных. По оси абсцисс отло­ жена амплитуда а вибрационной нагрузки в процентах от по­ вторной статической нагрузки. Как видно из рисунка, все пять

100