Выносливость сплава AK4-1 в условиях чередования ползучести и усталости

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ Том VI 1975

УДК 669.7.017.4,977:539.43:539.376

ВЫНОСЛИВОСТЬ СПЛАВА АК4-1 В УСЛОВИЯХ ЧЕРЕДОВАНИЯ ПОЛЗУЧЕСТИ И УСТАЛОСТИ

С. И. Олькин

Рассмотрены результаты экспериментального исследования выносливости сплава АК4-1 при неизотермическом программном нагружении. Установлено взаимное внимание ползучести и усталости, ускоряющее процесс разрушения сплава.

Приведены также результаты испытаний надрезанных и гладких образцов из сплава АК4-1 на длительную прочность, которые показывают, что этот сплав чувствителен к надрезу в условиях длительного статического нагружения при умеренно повышенной температуре.

Испытания на выносливость образцов, подвергнутых предварительному воздействию ползучести, позволили установить ряд качественных закономерностей влияния ползучести на процесс усталостного разрушения сплава АК4-1 [1, 2]. Однако в эксплуатации конструкция планера сверхзвукового пассажирского самолета подвергается более сложному воздействию нагрузок и температуры. Одной из основных особенностей реальных условий является периодическое чередование режимов полета, при которых возникает ползучесть (крейсерский полет на сверхзвуковой скорости), и режимов, на которых конструкция самолета испытывает действие повторных нагрузок при невысокой температуре, что, по-видимому, может вносить определенную специфику в характер взаимодействия ползучести и усталости. Во-первых, сами по себе теплосмены могут вызвать изменение усталостных свойств. Во-вторых, при чередовании усталости и ползучести после образования трещины могут происходить такие противоположные по своему влиянию на выносливость процессы, как дополнительное подрастание трещины в условиях ползучести [3] и притупление кончика трещины в результате местной пластической деформации.

Сведений о выносливости самолетостроительных материалов в условиях чередования ползучести и усталости в литературе крайне мало [4 — 6]. Во всех работах, посвященных этому вопросу, долговечность образцов оценивалась числом циклов нагрузки до полного разрушения, так что влияние ползучести на продолжительность каждой из двух стадий процесса усталостного разрушения совершенно не изучено. ,

Ниже рассмотрены результаты исследования выносливости сплава АК4-1 при нестационарном нагружении и нагреве. Испытания проводились на машине с программным управлением [7]. Испытывали две партии образцов с различной исходной усталостной долговечностью. Каждая партия образцов была изготовлена из одного плакированного листа толщиной 2 мм. Материал для изготовления образцов использовался в состоянии поставки — после закалки и искусственного старения. Образцы имели концентратор в виде трех сверленых и развернутых отверстий: одного центрального диаметром 4 мм и двух примыкающих к

нему с обеих сторон — диаметром 1 мм. Теоретический коэффициент концентрации напряжения aQ в испытываемых образцах равен .— 4,0. Такая концентрация напряжения имеет место в некоторых типовых элементах конструкции самолета.

Испытания в условиях чередования ползучести и усталости проводились по программе, схематически показанной на фиг. 1, а. Нагрев образцов до заданной температуры начинался после приложения к ним статической нагрузки, а циклическое нагружение — после охлаждения образцов до температуры 50° С. Такие испытания были проведены для трех режимов циклической ползучести: 7’= 150° С, а = 12 даН/мм2 (I режим); Т = 175° С, о = 12 даН/мм2 (II режим) и Т — 150° С, а == 20 даН/мм2 (III режим). При этом оставались неизменными параметры цикли-

Фиг. 1

ческого нагружения, а также продолжительность выдержки под статической нагрузкой при заданной температуре, которая во всех случаях была равна 9,5 мин. Для определения влияния ползучести проводили также испытания на усталость по аналогичной программе нагружения, но без нагрева образцов (см. фиг. 1, б). При этом цикл .статическое нагружение — снятие статической нагрузки" заменялся циклом повторной нагрузки с соответствующим значением максимального напряжения. На каждой из указанных программ было испытано тесть образцов. В ходе испытаний визуально с помощью микроскопа с увеличением 24 крат наблюдали за процессом образования и развития усталостной трещины. Медианные значения чисел программных циклов до образования трещины А^1 и до разрушения образцов N приведены в таблице.

Партии образ- Чередование ползучести и усталости Без ползучести

Режим ползучести N1 t Ф N1

цов о, даН/мм2 Г С N N

I 12 150 1670 2860 0,05 1,01 1700 3040

II 12 175 490 1200 0,16 0,60 1250 2700

I 20 150 330 720 0,20' 0,46 1000 2100

На фиг. 2 показаны графики роста трещины для двух видов испытаний на выносливость: без ползучести и при чередовании ползучести и усталости. По вертикальной оси отложена сумма длин трещин, образовавшихся по обе стороны надреза, а по горизонтальной — число программных циклов. Можно видеть, что скорость трещины в условиях периодического действия ползучести выше, чем при отсутствии последней. Причем различие в скорости роста трещины особенно

существенно на режимах ползучести Т = 175° С, о = 12 даН/мм2 и Т — 150° С, а = 20 даН/мм2.

Полученные результаты позволяют проверить справедливость гипотезы линейного суммирования усталостных и статических повреждений, которая часто используется в расчетах на усталость с учетом ползучести. Согласно этой гипотезе процессы усталостного и статического разрушений считают протекающими независимо и сумму относительных повреждений (усталостного N/N0 и статического -Щр) полагают равной единицей

Ф = N\N0 + t|tp=\. .

Чередование ползучести и усталости •  = 12 даН/мм2; Г=150°С

а =20 даН/мм2; Г^бО0 С

А 3=12 даН/мм2; Г-175° С

Фиг. 2

Без ползучести

О 0=12 даН7мма;

1 партия  а=20 даН/мм2;

I партия

д о = 12 даН/мм9;

II партия

Здесь N—число циклов повторной нагрузки'(в нашем случае программных) до разрушения при совместном действии усталости и ползучести; Л^0 —то же в условиях только усталости; * — суммарная продолжительность ползучести £при заданных значениях параметров Т и с; tp — время до разрушения в условиях ползучести при тех же значениях Т и о. Величину tp определяли из дополнительных испытаний на длительную прочность надрезанных (а„ я 4) образцов.

Значения суммарного относительного повреждения, а также относительного статического повреждения приведены в таблице. Можно видеть, что равенство

4>=1 соблюдается лишь в случае Щр < N/N0, т. е. когда разрушение происходит практически только от усталости. Если же Щр -х: то наблюдается сущест-

венное отклонение от линейной гипотезы, причем величина Ф может быть существенно меньше 1. Следовательно, в этом случае имеет место взаимодействие ползучести и усталости, ускоряющее процесс разрушения сплава АК4-1.

Для определения влияния концентрации напряжения на сопротивление сплава АК4-1 длительному статическому разрушению проводили испытания на длительную прочность двух типов надрезанных образцов оа=ь:4 и аа=2,6 (концентратор в виде одного центрального отверстия диаметром 4 мм) и гладких образцов. Из графиков на фиг. 3 видно, что в диапазоне долговечностей 10 104 час

концентраторы сильно ухудшают сопротивление исследуемого сплава длительному статическому разрушению. Причем чем острее надрез и меньше уровень нагрузки, тем больше степень снижения длительной прочности. Поэтому для надежной оценки срока службы элементов конструкций из сплава АК4-1, имеющих надрезы и работающих в условиях совместного действия усталости и ползучести, помимо стандартных характеристик ползучести необходимо также располагать данными о длительной прочности этого сплава при наличии надреза с соответствующим коэффициентом концентрации напряжения в диапазоне эксплуатационных температур и нагрузок.

ЛИТЕРАТУРА

1. В о р о б ь е в А. 3., Олькин С. И., СтебеневВ. Н. Влияние предварительной ползучести на выносливость сплава АК4-1Т1. .Ученые записки ЦАГИ", т. Ill, Ms 2, 1972.

2". О л ь к и н С. И. Влияние предварительной ползучести на выносливость сплава АК4-1Т1 при нестационарном нагружении. „Ученые записки ЦАГИ“, т. IV, № 5, 1973.

3. Воробьев А. 3., Богданов Б. Ф., Олькин Б. И. Влияние повышенной температуры на выносливость элементов конструкций. Труды ЦАГИ, вып. 1417, 1972.

4. Atkinson R. The testing of supersonic transport structures in f a-tique. AIAA Paper, 1964, N 64-570.

5. Harpur N. F. Structural development of the Concorde. .Aircraft engineering*, 1968, N 3.

6. J m i g L. A. An investigation of fatique in a supersonic transport operating environment. ,SAE Paper", 1970, N 700033.

7. Олькин С. И., Романов Г. Г., С а в к и н В. А. Машина

для исследования выносливости материалов и элементов конструкций в условиях чередования ползучести и усталости. „Заводская лабора-ратория”, 1973, № 7. .

Рукопись поступила 141X11 1973 г.