МЕХАНИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА № 4 • 2014
УДК 539.376
© 2014 г. А. М. ЛОКОЩЕНКО
ВИБРОПОЛЗУЧЕСТЬ МЕТАЛЛОВ ПРИ ОДНООСНОМ И СЛОЖНОМ НАПРЯЖЕННЫХ СОСТОЯНИЯХ
Проведен теоретический анализ результатов выполненных ранее в НИИ механики испытаний трубчатых образцов из алюминиевых сплавов Д16Т и АД1 на ползучесть при растяжении и кручении. Из полученных с участием автора экспериментальных данных следует, что при определенных условиях наблюдается резкое возрастание скорости ползучести при добавлении к статическому напряжению вибрационного напряжения малой относительной амплитуды. Этот эффект (эффект виброползучести) проявляется только в тех случаях, когда вид напряженного состояния при совместном действии статического и динамического напряжений отличается от вида статического напряженного состояния. При этом с увеличением продолжительности приложенного вибрационного напряжения проявление эффекта виброползучести постепенно ослабевает.
В данной статье предложена модель для описания полученных экспериментальных данных, в которой фигурирует кинетический параметр; этот параметр отличается от нуля только в случае сложного напряженного состояния в трубчатых образцах. В качестве количественной меры этого параметра используется величина угла поворота вектора максимального главного напряжения при добавлении малых вибраций к основному напряженному состоянию. Получено хорошее соответствие экспериментальных и теоретических кривых ползучести при различных видах напряженных состояний.
Ключевые слова: ползучесть, трубчатые образцы, сложное напряженное состояние, алюминиевые сплавы, вибрации, эффект виброползучести, моделирование, кинетическая теория.
1. Введение. Наряду с исследованием поведения конструкций, находящихся при постоянных (во времени) нагрузках, особый интерес представляет изучение свойств материалов в условиях высокотемпературных испытаний при сочетании статических и циклических нагрузок. Проблеме циклических воздействий на металлы посвящены подробные обзоры и монографии ([1—3] и др.). В большинстве работ амплитуда циклического напряжения аа составляет не менее 10% от величины постоянно действующего напряжения (иногда не менее 5% [3]), при этом во всех известных работах как статические, так и циклические напряжения соответствуют одноосному растяжению.
В данной статье приведены полученные с участием автора результаты экспериментального исследования виброползучести трубчатых образцов из алюминиевых сплавов Д16Т и АД1 в условиях одноосного и сложного напряженных состояний [4, 5]. В этих исследованиях изучается ползучесть материалов в условиях, при которых на статическую нагрузку накладывается знакопеременная динамическая составляющая, имеющая порядок одного процента от статической нагрузки. При этом во всех испы-
таниях все кривые ползучести характеризовались только одной, неустановившемся стадией. Особый интерес представляет исследование изменения деформаций ползучести в тех случаях, когда к статическому напряженному состоянию добавляются вибрационные напряжения, отличающиеся по характеру от основных статических напряжений. В этих случаях в испытаниях добавление к статической нагрузке малой циклической составляющей приводит к резкому возрастанию кривой ползучести по сравнению с кривой ползучести при максимальном статическом напряжении; это необычное поведение ряда материалов называется виброползучестью.
В работе проведено моделирование виброползучести металлов, проявляемой в различных условиях. На всех фигурах экспериментальные кривые ползучести при действии постоянных напряжений представлены толстыми сплошными линиями, а при добавлении вибрационных составляющих — штриховыми линиями. Аналитические кривые при действии постоянных напряжений представлены тонкими сплошными линиями, а при добавлении вибрационных составляющих — пунктиром. Экспериментальные кривые обозначаются цифрой 1, а аналитические кривые — цифрой 2.
2. Испытания при добавлении малого циклического растяжения к статическому растяжению или кручению. Экспериментальное исследование [4] проводилось на установке, предназначенной для испытаний на статическую ползучесть тонкостенных трубчатых образцов при совместном действии осевого растяжения и кручения. Для исследования явления виброползучести установка была снабжена электромеханическим вибратором, создающим осевую динамическую нагрузку в дополнение к осевому статическому растяжению или кручению. Эти испытания проводились в условиях постоянно действующего растягивающего а0 или касательного т0 напряжения, к которым в определенные моменты времени добавлялась периодически действующая осевая знакопеременная составляющая малой амплитуды Дс0 и частоты 50—55 Гц. Эксперименты проводились на образцах из алюминиевых сплавов Д16Т и АД1 при температуре T = 200° C. Каждый образец подвергался испытаниям при нескольких циклах нагру-жения: статическая нагрузка, дополнительная вибрация, статическая нагрузка, равная или большая предыдущей, дополнительная вибрация и так далее.
Полученные экспериментальные данные показывают, что при определенных условиях наблюдается резкое возрастание скорости ползучести при добавлении к статическому напряжению вибрационной нагрузки малой амплитуды. Проявление эффекта виброползучести наблюдается только в тех случаях, когда вид напряженного состояния при совместном действии статического и динамического напряжений отличается от вида статического напряженного состояния. При этом с увеличением продолжительности действия вибрации проявление эффекта виброползучести ослабевает.
На фиг. 1 в качестве примера приведена экспериментальная кривая осевой ползучести p(t) сплава АД1 при добавлении малых вибраций к растягивающему напряжению ст0. Напряженное состояние в образце изменялось при следующих значениях времени t : ti = 11 мин, t2 = 21 мин, t3 = 32 мин, t4 = 44 мин, t5 = 55 мин и 16 = 70 мин. Зависимость с0 (t) — кусочно-постоянная, постепенно принимающая значения ст0(?) = ст01 = 50 МПа при 0 < t < t2, о0 (t) = о02 = 59 МПа при t2 < t < t4 и о0 (t) = с03 = 77 МПа при t4 < t < t6. При ti < t < t2, t3 < t < t4 и t5 < t < 16 к напряжению a0(t) добавлялись знакопеременные напряжения малой амплитуды при растяжении — сжатии:
Лео = 0.12 МПа, s1;- =Ао0/о0(- = (0.2-0.3)%, i = 1 -3
На фиг. 2 в качестве примера приведена экспериментальная кривая сдвиговой ползучести y(t) сплава Д16Т при кусочно-постоянном касательном напряжении. Выделим на кривой ползучести 4 временных интервала: 0 < t < ti = 30 мин, ti < t < t2 = 60 мин,
p • 103 12.5
10.0
7.5
5.0
2.5
у /
/ / У
/ / / / /у г
/
Л .............у Ч
| — .гк^" 1~ ^—^ ^2
0 15 30 45 60 г
Фиг. 1
у • 104
1.6 1.2 0.8 0.4
// 2 1 *
/ / /
12 /
/ _______ /
2 *
0 20 40 60 80 100 г
Фиг. 2
t2 < t < ¿з = 80 мин и ¿з < t < t4 = 105 мин. Касательные напряжения равны т^) = т01 = 14.5 МПа при 0 < t < ¿2 и т(t) = т02 = 23.5 МПа при t2 < t < ¿4. При ¿1 < t < ¿2 и при ¿3 < t < t4 к постоянному касательному напряжению добавлялось знакопеременное нормальное напряжение малой амплитуды: Аа0 = 0.12 МПа, е2 = Аа0/т0/ = (0.5—0.8)%, Аа0 / = (0.3 - 0.5) %, / = 1—2, аи здесь и ниже — интенсивность напряжений.
3. Испытания при постоянных растягивающих и циклических касательных напряжениях. В Институте механики МГУ была создана установка ИМех-5В [5], предназначенная для исследования на тонкостенных трубчатых образцах ползучести и длительной прочности металлов при совместном действии статического растягивающего напряжения и циклического знакопеременного касательного напряжения малой амплитуды. Системы нагружения осевой растягивающей силой и крутящим моментом механически полностью независимы друг от друга. Это позволяет свободно варьировать в ходе экспе-
р • 103 5
4
3
2
1
0 1 2 3 4 5 г
Фиг. 3
римента обе составляющие тензора напряжений о ^. Нагрев образца — радиационный, в шахтной электропечи, с автоматическим поддержанием заданной температуры в пределах до 1000°С (температура Т = 200°С поддерживалась с точностью ±2°С). Погрешность измерения деформаций с учетом погрешностей величин рабочей длины образца, его температуры, погрешностей приборов и т.д. составляла около 3%.
На этой установке были проведены испытания образцов из алюминиевого сплава Д16Т при комнатной и повышенных температурах. Испытания проводились следующим образом. Сначала образец (если это требовалось по условиям эксперимента) нагревался до заданной температуры, затем растягивался статическим осевым напряжением, которое выдерживалось в течение заданного времени. После этого дополнительно включались вибраторы, при этом образец деформировался при одновременном действии статического растяжения и крутильной вибрации. Периоды включения вибраторов чередовались с равными им по продолжительности периодами их выключения. Частота вибрационной нагрузки во всех испытаниях составляла 20 Гц. Амплитуда угла закручивания головок образца в зависимости от напряжения и температуры изменялась в пределах
±(0.25 - 0.35) • 10-2 рад. Это соответствует относительной деформации сдвига
у = ±(1.9 - 2.7) • 10-4 и касательному напряжению т = ±(6 - 8) МПа.
При осевых напряжениях порядка 320—370 МПа добавочные касательные напряжения, приведенные выше, составляют (1.6—2.5)% от этих величин (если сравнивать их по абсолютным значениям). Если же сравнение проводить по изменению интенсивности напряжений аи в результате включения вибрации, то вибрационная составляющая приводит к увеличению аи примерно на 0.1%. Таким образом, здесь рассматриваются процессы, существенно отличающиеся от обычных усталостных испытаний, в которых амплитуда переменной составляющей напряжений сравнима со средним статическим напряжением. На всех образцах проводились серии испытаний длительностью 6 час каждое. После очередного испытания образец разгружался и, если оно проводилось при нагревании, охлаждался до комнатной температуры. Перерывы между двумя последовательными испытаниями составляли от 10 до 50 час. На фиг. 3 и 4 знаком (—) отмечены периоды действия только статического растяжения, знаком (+) —
p • 103 1.00
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.