»сследование проблемы усталости металлов в авиастроении: истори€ вопроса

 

÷ентральный »нститут јвиационного ћоторостроени€ им. ѕ.». Ѕаранова














–≈‘≈–ј“

по истории философии науки

на тему: «»сследование проблемы усталости металлов в авиастроении: истори€ вопроса»




ѕодготовил: асп. —.ј. Ўибаев








ћосква 2014

—одержание


¬ведение

. ѕервые исследовани€ усталости металлов

. »сследовани€ ј. ¬Єлера

. ѕроблема усталости металлов в машиностроении и авиации

«аключение

—писок литературы

металл усталость авиаци€


¬ведение


”же в те отдаленные времена, когда люд€м впервые пришлось зан€тьс€ строительством, они убедились в необходимости располагать сведени€ми о сопротивлении материалов, на основе которых можно было бы назначать надежные размеры частей сооружений. Ќет сомнени€ в том, что египт€нам были уже известны некоторые эмпирические правила подобного рода, поскольку без них нельз€ было бы возводить грандиозные монументы, храмы, пирамиды, обелиски, из которых некоторые существуют еще и поныне.

√реки внесли крупный вклад в дело дальнейшего развити€ строительного искусства. ќни разработали статику, лежащую' в основе механики материалов. јрхимед (287-212 до н. э.) дал строгое доказательство условий равновеси€ рычага и указал методы отыскани€ центров т€жести тел. ќн применил свою теорию дл€ конструировани€ различных подъемных механизмов.

Ўирокий размах получило строительство у римл€н. ƒо нашего времени сохранились не только их пам€тники и храмы, но также дороги, мосты и фортификационные сооружени€. ¬ своих сооружени€х римл€не часто использовали арки. Ќа рис.1 мы видим арки знаменитого √ардского моста (ёжна€ ‘ранци€), и по сей день выполн€ющего свою службу.

ќпыт, накопленный в практике строительства греками и римл€нами, был в значительной своей части утрачен на прот€жении средних веков, и только в эпоху ¬озрождени€ это искусство было подн€то на прежнюю высоту. “ак, например, когда знаменитый италь€нский архитектор ‘онтана (1543-1607) построил по указу папы —икста V в ¬атикане обелиск, это сооружение обратило на себ€ почтительное внимание инженеров всей ≈вропы, между тем как египт€не, как известно, воздвигали такие обелиски за несколько тыс€ч лет до этого, выреза€ камни в каменоломн€х —иены (≈гипет) и транспортиру€ их по Ќилу. ¬последствии римл€не вывезли целый р€д подобных египетских обелисков из тех мест, где они первоначально были построены, и установили их в –име. ќтсюда можно заключить, что инженеры XVI века были оснащены дл€ такой трудной работы не столь хорошо, как их предшественники.


–ис. 1. «наменитый √ардский мост (ёжна€ ‘ранци€).


Ёпоха ¬озрождени€ принесла с собой и оживление интереса к науке. ѕо€вились крупные мастера в области архитектуры и строительного искусства. Ќаиболее €рко дух эпохи воплотилс€ в образе Ћеонардо да ¬инчи (1452-1519). ќн был не только великим мастером в области искусства, но и широко мыслившим ученым и инженером. ќн не писал книг, но в его записных книжках было найдено много данных о сделанных им крупных открыти€х в разных област€х науки. ≈го глубоко интересовала механика, и одна из его записей гласит: «ћеханика-это рай математической науки, поскольку мы получаем в ней плоды математики». ƒостижени€ да ¬инчи представл€ют собой, веро€тно, первую попытку применени€ статики к определению сил, действующих на элементы строительных конструкций, а также первые опытные определени€ сопротивлени€ строительных материалов. Ќо эти ценные научные открыти€ оставались погребенными в записных книжках Ћеонардо, и инженеры XV и XVI столетий продолжали, как и в римскую эпоху, назначать размеры элементов своих сооружений, полага€сь лишь на практический опыт или на догадку.

ѕервые попытки установлени€ безопасных размеров элементов сооружений аналитическим путем относ€тс€ к XVII веку. «наменита€ книга √алиле€ «ƒве новые науки» обнаруживает в ее авторе стремление привести известные ему методы анализа напр€жений в логическую систему. ќна знаменует собой возникновение науки о прочности, т. е. сопротивлени€ материалов.


1.ѕервые исследовани€ усталости металлов


“от факт, что металлический стержень, подвергнутый действию большого числа циклов повторного напр€жени€, приобретает способность разрушатьс€ под значительно меньшими нагрузками, чем это требовалось бы в услови€х статического нагружени€, был установлен уже давно инженерами-практиками. ¬ своих лекци€х дл€ работников города ћеца ѕонселе говорит об усталости металлов под повторным воздействием раст€жени€ и сжати€[19].

ћорэн в своем руководстве по сопротивлению материалов [20] останавливаетс€ на чрезвычайно интересных отчетах двух инженеров, служивших в почтовом ведомстве на французских шоссейных дорогах. Ёти инженеры рекомендовали производить тщательный технический осмотр осей в почтовых каретах после эксплуатационного пробега ими 70 000 км, мотивиру€ это тем, что, как показал опыт, в результате, по-видимому, такой работы в них по€вл€ютс€ тонкие трещины в местах, где имеютс€ резкие изменени€ профил€, в особенности в острых вход€щих углах. ќни дают интересное описание картины постепенного образовани€ этих трещин и отмечают хрупкий характер развити€. ѕри всем том, однако, они не раздел€ют (в то врем€ прин€той) теории, согласно которой повторные напр€жени€ влекут за собой рекристаллизацию железа. —татические испытани€ осей, прошедших большую службу в эксплуатации, не обнаружили никаких изменений во внутренней структуре металла.

— развитием железнодорожного строительства проблема усталостного разрушени€ паровозных осей приобрела серьезное значение. ¬еро€тно, первой научной работой на английском €зыке по этому вопросу была стать€ ћаккуорна –энкина (W. J. ћасquorn Rankine) [21]. Ќеожиданные, после многолетней работы, поломки доброкачественных по внешнему виду осей (рис. 2) объ€сн€лись обычно гипотезой, согласно которой волокниста€ структура сварочного железа приобретает постепенно кристаллическое строение. –энкин показывает, что постепенное ослабление материала происход€т здесь без утраты волокнистой структуры. ѕо его словам, «излом начинаетс€, по-видимому, с по€влени€ гладкой, имеющей правильную форму мельчайшей трещинки, котора€ затем опо€сывает, почти замыка€сь, шейку вала и проникает вглубь ее в среднем на 12-13 мм. ѕодобные трещины проникают, по-видимому, с поверхности в центральную часть, так что поврежденный конец шейки получаетс€ выпуклым, средн€€ же часть оси по необходимости вогнутой, и тогда диаметр внутреннего цилиндрического €дра неповрежденного материала становитс€ недостаточным, чтобы выдерживать удары, которым подвергаетс€ ось. „асть волокон, составл€юща€ внутреннее €дро тела у его оси, становитс€ менее упругой, чем в шейке, и возможно, что в углах волокна сдают именно по той причине, что упругое состо€ние здесь внезапно исчезает. ѕо этим соображени€м при изготовлении осей рекомендуетс€ до поступлени€ их на токарные станки очерчивать углы шеек по пологим кривым, так чтобы волокно сохран€ло непрерывность по всей своей длине».


–ис. 2. –исунок излома оси из-за усталости металла, 1843 год.


¬ 1849-1850 гг. этот вопрос обсуждалс€ на нескольких собрани€х Ћондонского института инженеров-механиков. ƒжемс ћак- оннелл представил доклад [21] о железнодорожных ос€х, в котором он за€вл€ет: «Ќаш практический опыт как будто подтверждает, что даже при условии величайшей тщательности в изготовлении эти оси под воздействием вибраций подвержены быстрому повреждению, которое сказываетс€ еще резче благодар€ особенност€м их формы. »зломы в углах колен по этой причине почти столь достоверны и регул€рны, что в отношении некоторых типов машин мы способны даже предсказать число миль, которое они должны пробежать дл€ того, чтобы по€вились видимые признаки разрушени€... ѕроблема повреждени€ осей, возникающего по разным перечисленным мною причинам, представл€ет большую важность дл€ всех железнодорожных компаний; то, что при этом происходит какое-то изменение природы железа, €вл€етс€ хорошо установленным фактом, и изучение его заслуживает как нельз€ более тщательного внимани€... ѕереход волокнистой структуры в кристаллическую должен быть, как мне думаетс€, поставлен в св€зь с р€дом разнообразных обсто€тельств. Ќесколько собранных мною образцов, вз€тых из разных мест осей, подвергшихс€ разрушению, €сно подтверждают мой взгл€д».

«¬ насто€щем докладе невозможно охватить все факты, относ€щиес€ к этой стороне вопроса; однако отчетливое понимание природы повреждени€ осей представл€ет дл€ мен€ столь высокую ценность, что € регистрирую теперь каждую ось, поступающую с завода, и стремлюсь получать также отчеты об их эксплуатационных характеристиках и внешнем виде за отдельные периоды их службы, чтобы они позволили мне судить о том, как с ними следует поступать, чтобы повысить их качество. ≈сли учесть, что на железных дорогах ¬еликобритании находитс€ в эксплуатации около 200 000 осей, то дл€ вс€кого должно стать очевидным, сколь большие преимущества можно будет извлечь из того, что такой существенный элемент железнодорожного подвижного состава, как ось, получит наиболее рациональные очертани€, наилучшие качества и наилучшую обработку». ћак  оннелл сопровождает эти соображени€ ценным советом: «¬есь мой практический опыт подтверждает желательность того, чтобы... при профилировании шеек осей, насколько только это возможно, были исключены острые углы и резкие изменени€ диаметра, т. е. все нарушени€ прочности сечений».

ѕоследующее обсуждение доклада сосредоточилось в основном на вопросе о том, измен€етс€ структура железа под действием циклов раст€жени€ и сжати€ или не измен€етс€. Ќикакого общего заключени€ по этому вопросу достигнуто не было, и председатель собрани€ –оберт —тефенсон закрыл заседание следующим замечанием: «ћне хотелось бы лишь предостеречь членов »нститута от успокоени€, прежде чем не будет достигнута полна€ €сность в вопросе молекул€рного изменени€ железа, так как вопрос этот представл€ет чрезвычайную важность, а поломка одной- единственной оси в одном- единственном случае вс€кий раз вновь поставит этот вопрос, независимо от того, будет ли к инженеру и техническому инспектору предъ€влено обвинение в человекоубийстве или не будет. »сследование в этой области требует, следовательно, величайшей осторожности, и в нашем распор€жении нет очевидных доказательств, с помощью которых мы могли бы установить, что ось обладала волокнистой структурой до излома и приобрела кристаллическую после излома. я хочу поэтому, чтобы вы, члены »нститута, поскольку вы имеете дело с производством железа, призадумались бы, прежде чем вы придете к решению, что железо есть вещество, способное к кристаллизации или к молекул€рному изменению под воздействием вибраций...».

ќбсуждение этого вопроса продолжалось и на заседани€х »нститута, происходивших в 1850 г. и освещенных в печатных трудах, относ€щихс€ к этому году. ¬есьма интересна€ мысль была подана на одном из этих заседаний ’оджем (P. R. Hodge) [22]: «„тобы прийти к сколько-нибудь достоверным выводам относительно структуры железа, необходимо было бы обратитьс€ к помощи микроскопа и рассмотреть волокнистую и кристаллическую структуры». Ётому совету последовал —тефенсон, за€вивший (на следующем заседании), что он имел случай исследовать образец железа, известного как «кристаллическое», и другой образец железа, «волокнистого», под микроскопом с большим увеличением и что он, веро€тно, удивит членов »нститута сообщением, что никакой реальной разницы между ними он обнаружить не сумел.


»спытуемый образец

–ис. 3. ћашина ƒжемса - √альтона дл€ испытаний на выносливость.


ѕочти в то же самое врем€, пока происходила эта дискусси€ по вопросам усталости на заседани€х »нститута инженеров-механиков в Ћондоне, интересна€ работа по тому же вопросу была проведена комиссией, сформированной в 1848 г. дл€ обследовани€ применений железа в железнодорожных сооружени€х. ¬ плане работ этой комиссии капитанами √енри ƒжемсом (Henry James) и √альтоном (Galton) было предприн€то в ѕортсмуте экспериментальное исследование прочности железных брусьев, подвергнутых большому числу циклов загружени€. ƒл€ того чтобы загружать брус изгибающей нагрузкой, а затем внезапно разгружать его, был применен вращающийс€ эксцентрик (рис. 3), причем частота производимых им изгибов измен€лась в интервале от 4 до 7 в минуту. »з числа брусьев, подвергнутых этим испытани€м, «три выдержали 10 000 циклов изгиба, равного тому, который вызываетс€ нагрузкой, составл€ющей 1/3 от статической разрушающей нагрузки, не получив никакого €вного ущерба в своей способности сопротивл€тьс€ статическим нагрузкам; один брус разрушилс€ цосле 51 538 таких изгибов, другой же вынес 100 000 таких изгибов без вс€кого заметного снижени€ прочности, между тем как три бруса, испытавших на том же эксцентрике повторный изгиб равный тому, который вызываетс€ статической нагрузкой, составл€ющей 1/2 от разрушающей, разрушились соответственно после 490, 617 и 900 циклов. ќтсюда поэтому следует заключить, что железные брусь€ способны выдерживать безвредно повторное приложение нагрузки, составл€ющей только 1/3 от разрушающей».

‘ейрбейрн чрезвычайно интересовалс€ вопросом, как отражаетс€ на прочности трубчатых мостов повторное нагружение их весом проход€щих поездов. ќн поставил перед собой задачу найти то наибольшее напр€жение, которое можно было бы приложить неопределенно большое число раз, не нанос€ этим никакого вреда материалу. “аким путем он мог бы вычислить безопасное рабочее напр€жение. ќн указывает, что при проектировании больших трубчатых мостов размеры их назначались таким образом, чтобы разрушающа€ нагрузка на них «превышала в 6 раз ту самую т€желую нагрузку, которой они могли бы быть подвергнуты, если бы при этом была сн€та половина веса самой трубы. Ёто было признано соответствующим достаточному запасу прочности; однако последующие соображени€, сопутствовавшие введению нового конструктивного принципа при использовании еще не испытанного в практике материала, побудили повысить запас прочности, так что временное сопротивление стало превышать наиболее возможный т€желый груз уже не в 6, а в 8 раз». ѕосле этого ‘ейрбейрн переходит к обсуждению требований ћинистерства торговли, согласно которым «все будущие мосты дл€ железнодорожного транспорта не должны загружатьс€ свыше чем на 788 кг/см2 (5 т на 1 кв. дюйм)». ќн (правильно) замечает, что сжата€ стенка в трубчатых мостах может подвергнутьс€ короблению при сравнительно низких напр€жени€х и что во избежание этого нужно применить €чеистую конструкцию.

ƒл€ того чтобы определить безопасное значение рабочего, напр€жени€ дл€ мостов, ‘ейрбейрн решил провести испытани€ таким образом, чтобы деформации, возникающие в мостах при проходе по ним т€желых железнодорожных поездов, обнаруживались бы как можно раньше. — этой целью была применена двутаврова€ балка ј (рис. 4) длиной 6,6 м, высотой 40 см. склепанна€ из полосового железа и уголков. Ќачальный прогиб был произведен грузом D, приложенным на конце — рычага ¬—, ƒл€ того чтобы создать цикличность нагружени€, концу — рычага ¬— сообщалось попеременное вертикальное движение от стержн€ —≈, прикрепленного к равномерно вращавшемус€ эксцентрику. “аким образом балка нагружалась 7-8 раз в минуту. »з испытаний вы€снилось, что «балка из сварочного железа, будучи нагруженной раст€гивающим напр€жением до 1100 кг/см2, не может быть признана надежной, если это напр€жение создаетс€ попеременным наложением и сн€тием нагрузки, т. е. если балка подвергаетс€ таким путем определенному достаточно большому числу вибраций и притом, что особенно важно, если 300 000-400 000 перемен нагрузки, осуществленных описанным, способом, достаточно, чтобы с достоверностью вызвать излом.


–ис. 4. ћашина ‘ейрбейрна дл€ усталостных испытаний.


—ледует, однако, иметь в виду, что балка, послуживша€ поводом дл€ таких заключений, выдержала свыше 3 000 000 циклов при напр€жении около 788 кг/смг, в св€зи с чем как результат экспериментов следует признать, что раст€гивающее напр€жение в 788 кг /см2, фиксированное в качестве допускаемого дл€ балок ћинистерством торговли, обеспечивает, по-видимому, достаточный запас прочности». ћы видим, что уже в середине XIX века инженерам было известно отрицательное вли€ние повторности напр€жений на прочность металлов и что на основании нескольких проведенных ими экспериментов они пришли к заключению, что нагрузка, действующа€ попеременно, может быть признана безопасной, если она не превышает 1/3 от разрушающей статической нагрузки.


2.»сследовани€ ј. ¬Єлера


«начительно более полным разъ€снением €влени€ усталости мы об€заны јвгусту ¬Єлеру (1819-1914). ѕосто€нство свойств материала имеет существенное значение при его практическом использовании, и в стремлении достигнуть такого посто€нства ¬Єлер разработал технические услови€ на материалы, поступающие дл€ использовани€ на железных дорогах. ќн содействовал также организации в √ермании сети лабораторий по испытанию материалов и помог ввести единообразие в методику самих испытаний. ≈го вли€ние в этом отношении было очень большим в √ермании, а спроектированные и сооруженные им дл€ своей работы испытательные машины были лучшими в то врем€. —видетельством их исторического значени€ €вл€етс€ то, что они хран€тс€ в качестве экспонатов в ћузее германской техники в ћюнхене.

ќсновна€ работа ¬Єлера по усталости металлов была выполнена им с намерением найти меропри€ти€, которые смогли бы снизить аварийность, выражавшуюс€ в посто€нных поломках осей подвижного состава на Ќижне-—илезской железной дороге.

ƒл€ этой цели была сконструирована специальна€ машина (рис, 5), главной частью которой был цилиндр ab, вращавшийс€ в подшипниках с и d со скоростью около 15 оборотов в минуту.  ажда€ из двух осей, ef и kl, укреплена одним своим концом (f и k) в роторе, на другом же изгибаетс€ нат€жени€ми пружин, передаваемыми через кольцевые подшипники eи l. «а врем€ одного оборота напр€жени€ в волокнах оси совершают один полный цикл изменени€. –егулировка напр€жений достигаетс€ надлежащей установкой пружин. Ќа этой машине были испытаны оси различного диаметра и из разных материалов, причем были получены сравнительные данные, характеризующие прочности. ќднако дл€ фундаментального изучени€ усталостной прочности металла требовалось большое количество испытаний, и ¬Єлер решил дл€ этой цели перейти от натурных испытаний с насто€щими ос€ми железнодорожного подвижного состава к образцам меньших размеров, полученным путем механической обработки из цилиндрических брусьев. »спользование таких уменьшенных образцов позволило повысить скорость вращени€ испытательной машины приблизительно до 40 000 оборотов в день.


–ис. 5. ћашина ¬Єлера дл€ усталостных испытаний.


“аким путем создавалась возможность подвергать образец действию многих миллионов циклов напр€жени€. »спытыва€ несколько тождественных образцов под действием сил различной величины и сравнива€ количества циклов, потребовавшихс€ дл€ того, чтобы вызвать излом, ¬Єлер получил нужные данные дл€ вывода определенных заключений об усталостной прочности испытанного им материала. —ледует заметить, что в своем анализе он не пользуетс€ так называемой кривой ¬Єлера, но примен€ет термин «предельное напр€жение» (Bruchgrenze).

¬Єлер установил, что отрицательное вли€ние острых углов и резких изменений профил€ может быть см€гчено введением плавных переходов. ƒальнейшие эксперименты показали, что это ослабл€ющее вли€ние зависит от рода материала и что падение прочности в острых углах варьируетс€ в интервале 25-33%.

“акже ¬Єлер обнаружил, что излом начинаетс€ всегда на раст€нутой грани и что величина наибольшего напр€жени€, которое способен выдержать материал, зависит в значительной мере от разности между наибольшим и наименьшим напр€жени€ми (т. е. от разности напр€жений).

¬последствии Ћ. Ўпангенберг (Louis Spangenberg) в 1874 году впервые графически изобразил результаты исследований, опубликованных ј. ¬Єлером в виде таблиц. — тех пор графическое представление полученной зависимости между амплитудами напр€жени€ цикла и числом циклов до разрушени€ называют диаграммой (кривой) ¬Єлера (рис.6) [16].


–ис. 6.  рива€ ¬Єлера дл€ крупповской осевой стали.


. ѕроблема усталости металлов в машиностроении и авиации


—овременное машиностроение в своем развитии поставило в пор€док дн€ важную проблему предупреждени€ опасности, св€занной с усталостью металлов при действии циклических напр€жений. –€д катастроф на прот€жении XX вв. показал всю важность решени€ данной проблемы (рис. 7-10) [28].

–ис. 7. «атопление Ѕостона патокой из-за разрушени€ гигантского резервуара. 15 €нвар€ 1919 года.


–ис. 8. –€д реактивных авиалайнеров ƒе ’евилленд DH.106 « омета» потерпели крушение из-за усталостного разрушени€ фюзел€жа в зоне квадратных иллюминаторов в крыше салона.


–ис. 9. –ейс 243 Aloha Airlines 28 апрел€ 1988 года. ѕричины катастрофы: коррози€, плоха€ эпоксидна€ св€зка частей фюзел€жа, усталость заклЄпок и повреждени€ металла фюзел€жа.


–ис. 10. Ѕоинг-747, 4 окт€бр€ 1992 года потерпевший крушение в јмстердаме. ѕричиной стало разрушение креплений и отрыв 3-го и 4-го двигателей.


ќсновной причиной аварий, происход€щих с машинами в эксплуатационных услови€х, €вл€етс€ усталость элементов машин-вот почему изучение этого €влени€ зан€ло одно из важнейших мест в исследовательской работе лабораторий по испытанию материалов [23]. ѕон€ти€ предела выносливости и амплитуды цикла напр€жений вошли уже в практику со времени ¬Єлера и Ѕаушингера. ≈сли мы знаем предел выносливости дл€ симметричного цикла напр€жений, то усталостные характеристики материала дл€ циклов иных типов устанавливаютс€ обычно на основе допущени€ √ербера [24], согласно которому амплитуда напр€жени€ R и среднее напр€жение уа св€заны между собой параболической зависимостью


R=Rmax(1- уа2/ уb2)


”становление предела выносливости в лаборатори€х с помощью испытательных машин малой скорости сопр€жено с затратой времени и большими издержками, вследствие чего были предприн€ты многочисленные попытки вы€снить, не существует ли каких-либо соотношений между пределом выносливости и другими механическими характеристиками материала, получаемыми из статических испытаний. Ёти усили€ увенчались небольшим успехом, хот€ в результате их и было найдено, что предел выносливости дл€ черных металлов, подвергаемых циклической нагрузке, составл€ет приблизительно 40-55% от предела прочности.

Ѕольшой труд был затрачен на вы€снение вопроса о том, существует ли кака€-либо св€зь и кака€ именно между €влени€ми гистерезиса и усталости. ≈ще Ѕаушингер ввел пон€тие естественных пределов пропорциональности, фиксируемых после приложени€ к материалу р€да циклов напр€жений; при этом он предполагал, что эти пределы должны определ€ть безопасную амплитуду в усталостных испытани€х. Ёту идею развил в дальнейшем Ћ. Ѕейрстоу [25]. ѕользу€сь зеркальным тензометром и машиной медленного действи€, производ€щей нагружение и разгрузку образца, он измерил ширину гистерезисных петель, причем нашел, что если значени€ этой ширины наносить в координатной сетке в функции от максимальных напр€жений приложенных циклов, то нанесенные точки расположатс€ приблизительно на пр€мой линии. Ѕейрстоу рекомендует определить безопасную амплитуду цикла как точку пересечени€ этой пр€мой с осью напр€жений. ѕоследующие испытани€ на усталость подтвердили правильность этого предложени€. — того времени было предложено несколько методов быстрого определени€ амплитуд по петл€м гистерезиса. ¬место того чтобы измер€ть ширину гистерезисных петель, ’опкинсон и ”илль€мс [26] произвели калориметрические измерени€ энергии, рассеиваемой за один цикл, и указали быстрый метод установлени€ предела выносливости. ¬ более близкое нам врем€ ќ. ‘Єппль и его сотрудники провели в институте ¬Єлера в Ѕрауншвейге обширную работу по измерению циклической в€зкости металлов и ее отношени€ к пределу выносливости (усталостной прочности).

ƒругой быстрый способ определени€ предела выносливости был предложен ёингом и ’эмфри [27]. ќни пользовались образцами шведского железа с полированными поверхност€ми и, подвергнув их определенному числу циклов знакопеременных напр€жений, исследовали эти поверхности под микроскопом. ќни нашли, что если подвергнуть образцы действию напр€жений, превышающих определенный предел, то на поверхности некоторых из кристаллов по истечении времени по€вл€ютс€ полосы скольжени€. ѕри увеличении числа циклов некоторые из этих полос как бы ушир€ютс€, после чего по одной из таких уширившихс€ полос начинает возникать трещина. Ѕыло высказано предположение, что напр€жени€, влекущие за собой по€вление полос скольжени€, лежат за пределами безопасной амплитуды. ≈сли продолжать дальше циклическое нагружение образца, то по поверхности обнаруживаетс€ непрерывное скольжение материала. ќно сопровождаетс€ трением, подобно тому как это имеет место между скольз€щими поверхност€ми твердых тел. ѕод действием этого трени€ материал по поверхност€м скольжени€ согласно этой теории постепенно истираетс€ и в результате возникает трещина. ѕоследующее исследование √афа и ’ансона обнаружило, что полосы скольжени€ могут образовыватьс€ и при напр€жени€х, лежащих ниже предела выносливости материала, и что они могут развиватьс€ и ушир€тьс€, не привод€ к образованию трещин.

„тобы получить более детальное представление о механизме разрушени€ при усталостных испытани€х, √аф использовал новый метод подхода к такого рода проблемам, применив прецизионную рентгенографию. Ќачав с монокристаллических образцов, он показал, что механизм деформации кристаллов пластичного металла, наход€щихс€ под действием циклических напр€жений, тот же, что и наблюдаемый в статических услови€х: как в том, так и в другом случае скольжение происходит по некоторым кристаллографическим плоскост€м в определенных направлени€х и зависит от компоненты касательного напр€жени€ в направлении скольжени€. –ентгеновский анализ показал, что если циклическа€ нагрузка превышает безопасный предел, то «кристаллографические плоскости подвергаютс€ искажению формы такого характера, что хот€ средн€€ их кривизна и остаетс€ почти незаметной, ...зато по€вл€ютс€ местные резкие искривлени€. ћожно предполагать, что в этих покоробившихс€ плоскост€х возникают большие местные деформации,-а возможно и насто€щие разрывы решетки,-которые при достаточно большой амплитуде налагаемых напр€жений или деформаций могут повести к образованию и постепенному росту трещины; при сравнительно более низких значени€х циклического загружени€ состо€ние может оставатьс€ стабильным».

ѕри экспериментировании с кристаллическими материалами, подобными, например, м€гкой стали, предварительные статические испытани€ показали, что в цельных зернах, если напр€жени€ в них не превышают предела упругости, никаких необратимых изменений не происходит. ¬ интервале между пределом упругости и пределом текучести лишь немногие цельные зерна подвергаютс€ дроблению, образу€ незначительную часть более мелких зерен и кристаллитов (нижний предел размеров этих кристаллических осколков лежит в интервале 10-4-10-5 см). ѕо достижении предела текучести все цельные зерна подвергаютс€ дроблению, образу€ более мелкие зерна и большое количество кристаллитов. ѕод действием циклических напр€жений, как было установлено, «если амплитуда их превышает безопасный предел, постепенное истирание и измельчение в кристаллитах завершаютс€ разрушеиием точно так же, как и в статических испытани€х». “аким образом, опыты показали, что разрушение металлов под статической и под усталостной нагрузкой сопровождаетс€ одинаковыми структурными изменени€ми.

Ѕольшое внимание в исследовательской работе описываемого вида было уделено изучению факторов, вли€ющих на предел выносливости. »спытани€ на машинах, приспособленных к тому, чтобы загружать образец с различными частотами, установили, что при частотах до 5000 циклов в минуту никакого сколько-нибудь заметного вли€ни€ частоты не обнаруживаетс€. Ќо, увеличива€ частоты свыше 1 000 000 циклов в минуту, ƒженкин отметил в армко-железе и в алюминии повышение предела выносливости более чем на 30%.

”сталостные испытани€ стальных образцов, подвергнутых предварительно раст€жению за предел текучести, показали, что умеренное предварительное раст€жение приводит к некоторому повышению предела выносливости. — дальнейшим ростом наклепа можно, однако, достигнуть такого состо€ни€, когда в результате перегрузки становитс€ возможным падение предела выносливости. ≈сли до начала обычного испытани€ на усталость образец подвергнуть предварительно действию некоторого числа циклов напр€жени€, превышающего предел выносливости, то, как показывает опыт, можно установить предельное число циклов перенапр€жени€ (завис€щее от величины этого перенапр€жени€), которое не оказывает вли€ни€ на предел выносливости. ѕри большем же числе циклов перенапр€жени€ наблюдаетс€ снижение предела выносливости. ќткладыва€ значени€ наибольшего предварительного перенапр€жени€ по одной оси координат и соответствующие им предельные числа циклов по другой, мы получим кривую «повреждаемости» дл€ испытуемого материала. ќбласть диаграммы, лежаща€ ниже этой кривой, определ€ет те степени перенапр€жени€, которые не вызывают повреждений.  ривой повреждаемости можно пользоватьс€ дл€ оценки поведени€ частей машин, работающих при напр€жени€х ниже предела выносливости, но подвергающихс€ врем€ от времени циклам перенапр€жени€. ƒл€ вычислени€ числа циклов перенапр€жений различной интенсивности, выдерживаемых част€ми машин до разрушени€, была установлена формула. ¬ применении к конструкци€м самолетов в известных случа€х производитс€ статистический анализ напр€жений, которым подвергаетс€ та или ина€ деталь в услови€х эксплуатации, и усталостные испытани€ став€тс€ так, чтобы повторна€ нагрузка лабораторной установки воспроизводила бы эксплуатационные услови€, в которых должна работать исследуема€ деталь.

ќбширна€ исследовательска€ работа была проведена по изучению режима металлов, подвергающихс€ действию повторной (усталостной) нагрузки и наход€щихс€ при этом в корродирующей среде. ’эйг заметил некоторое снижение предела выносливости в образцах латуни, испытанных под знакопеременной нагрузкой в услови€х воздействи€ на них соленой воды, аммиака или сол€ной кислоты. ќн указал при этом, что разрушительное действие аммиака на латунь про€вл€етс€ лишь при условии одновременного воздействи€ обоих факторов: корродирующего вещества и знакопеременной нагрузки. ƒальнейшие успехи в изучении коррозионной усталости были достигнуты ћак-јдамом, исследовавшим комбинированный эффект коррозии и усталости на различных металлах и их сплавах. Ёти испытани€ обнаружили, что в большинстве случаев сильна€ коррози€ металла до испытани€ его на усталость оказывает значительно менее вредное воздействие, чем легка€ коррози€, происход€ща€ одновременно с испытанием. ѕри этом вы€снилось также, что если средой дл€ образца €вл€етс€ воздух, то предел выносливости стали возрастает приблизительно пропорционально временному сопротивлению при статической нагрузке; при проведении же этих испытаний в пресной воде результаты получаютс€ совершенно иными. Ѕыло установлено, что предел коррозионной усталости стали с содержанием углерода свыше 0,25% не может быть повышен. ќн может быть понижен термической обработкой. ќпыты, проведенные в вакууме, показали, что предел выносливости стали получаетс€ при этом таким же, как и при испытани€х на воздухе, между тем как в образцах из меди и латуни этот предел повышаетс€ соответственно не менее чем на 14 и 16%. ¬се эти результаты представл€ют большую практическую важность, поскольку многочисленные в эксплуатационных услови€х аварии приходитс€ часто относить на счет именно коррозионной усталости.

Ѕольша€ часть наших сведений по вопросам усталости черпаетс€ из испытаний на изгиб или на осевое раст€жение- сжатие; поэтому весьма важно установить правила, как пользоватьс€ этими данными при наличии сложного напр€женного состо€ни€. ¬ св€зи с этим √афом и ѕоллардом были поставлены испытани€ на знакопеременный изгиб с софазным ему знакопеременным кручением. »змен€€ соотношени€ между наибольшим изгибающим и наибольшим крут€щим моментами, они нашли, что дл€ м€гкой углеродистой и никель-хромистой стали (3,5% Ni) предельные значени€ нормального и касательного напр€жений могут быть найдены из уравнени€


(у/ уr)2 + (ф / ф r)2 = 1,


где уr -предел выносливости при изгибе и ф r -предел выносливости при кручении.

√орький опыт убедил нас в том, что усталостные трещины распростран€ютс€ чаще всего от очагов концентрации напр€жений; такие области создаютс€ всегда в работающих част€х машин у галтелей, выточек отверстий, шпоночных пазов и т. п. ¬Єлер первый провел опыты по изучению вли€ни€ концентрации напр€жений на усталость. Ѕаушингер, продолживший труд ¬Єлера, поставил р€д испытаний над образцами с выточками. ѕри ширине выточек 0,1-0,5 мм предел выносливости м€гкой стали снижаетс€, как он установил, лишь весьма незначительно. Ѕолее систематическое изучение концентрации напр€жений было предприн€то ј. ‘Єпплем. »спытыва€ на раст€жение-сжатие пр€моугольные образцы с круглыми отверсти€ми, он нашел, что вли€ние отверстий сказываетс€ в действительности значительно меньше, чем это предсказывает теоретическа€ формула. Ёто расхождение было объ€снено тем обсто€тельством, что в испытани€х ј. ‘Єппл€ с целью уменьшени€ числа необходимых дл€ разрушени€ циклов были применены высокие напр€жени€. ѕри меньших напр€жени€х вли€ние отверстий сказалось бы более резко.  роме указанных, ‘Єпплем были проведены еще и испытани€ на раст€жение-сжатие и изгиб круглых стержней, ослабленных выточками; результаты этих опытов подтвердили его прежние выводы. Ќаконец, он поставил усталостные испытани€ на кручение цилиндрических образцов (d = 20 мм, имевших галтели радиусом 1 мм и 4 мм. ¬ цел€х возможного снижени€ числа циклов, привод€щих к разрушению, до N = 105 циклов, ‘Єппль и на этот раз применил высокие напр€жени€. ѕоэтому вли€ние галтелей также оказалось в испытани€х значительно меньшим, чем этого следовало ожидать на основании теоретического исследовани€ ‘Єппл€.

¬ дальнейшем вли€нием концентрации напр€жений на усталость интересовалс€ –. ѕетерсон. »з своих испытаний с образцами различных диаметров он пришел к следующим заключени€м:

  1. иногда испытани€ на усталость привод€т к результатам, весьма близким к теоретическим значени€м концентрации напр€жений;
  2. дл€ легированных сталей и подвергшихс€ закалке углеродистых сталей эти результаты, однако, ближе к теоретическим значени€м, чем получаемые дл€ углеродистых сталей, не подвергшихс€ закалке;
  3. с уменьшением размеров образца снижение усталостной прочности, вызываемое выкружкой или отверстием, получаетс€ несколько меньшим, и дл€ весьма малых выкружек или отверстий это снижение оказываетс€ относительно незначительным. Ќа основании этих результатов в проектировании более или менее крупных частей машин рекомендовалось пользоватьс€ теоретическими значени€ми коэффициента концентрации напр€жений и примен€ть предпочтительно мелкозернистые стали, например легированные и подвергшиес€ термической обработке углеродистые стали.

Ќесколько различных теорий было выдвинуто дл€ того, чтобы объ€снить вли€ние размеров образца, или так называемого масштабного фактора, сказывающегос€ в усталостных испытани€х при наличии концентрации напр€жений. ѕетерсон показал, что это вли€ние можно объ€снить путем анализа экспериментальных результатов на основе статистического метода, рекомендованного ¬айбуллом (дл€ статических испытаний хрупких материалов). ƒаст этот метод удовлетворительное объ€снение масштабному фактору в усталостных испытани€х или не даст, зависит от того, будем ли мы располагать необходимым количеством экспериментальных данных, чтобы они охватили достаточно широкий диапазон размеров образцов. ”сталостные испытани€ крупных образцов, проведенные на машине “имкена (Timken), а также испытани€ судовых валов в —тавели (Stavely) (јнгли€) подтвердили значительное снижение предела выносливости дл€ крупных образцов.

ѕроблема ослаблени€ вредного вли€ни€ концентрации напр€жений представл€ет первостепенную важность в машиностроительном проектировании. »звестной разгрузки местных напр€жений можно добитьс€ в самом проекте: см€гчением или исключением острых вход€щих углов, применением галтелей достаточно больших радиусов, выбором дл€ них правильных профилей, устройством разгрузочных выточек и т. п. ¬ некоторых, однако, случа€х такие меры могут оказатьс€ невыполнимыми или недопустимыми, и тогда следует прибегать к тем или иным средствам улучшени€ качества материала в опасном месте. »ногда такое улучшение может быть достигнуто надлежащей термической обработкой поверхности материала. «амечательные результаты дает холодна€ обкатка; иде€ применени€ поверхностной холодной обработки с целью повышени€ усталостной прочности материалов была выдвинута ќ. ‘Єпплем, проделавшим в св€зи с этим р€д испытаний на образцах малых размеров. Ѕакуотер и ’оргер перенесли этот метод на натурные испытани€ валов, сконструировав дл€ этой цели машину, приспособленную дл€ испытаний валов до 356 мм в диаметре. “акое решение характеризует современную тенденцию проводить усталостные, а в известных случа€х также и статические испытани€ до разрушени€ на элементах конструкций в их натуральную величину. ќснову этой методике положил еще ¬Єлер, начавший свои знаменитые исследовани€ по усталости с испытани€ осей железнодорожного подвижного состава и лишь, впоследствии продолживший их в лаборатории на малых образцах. ¬ заключение, однако, дл€ окончательной проверки внесенных конструктивных усовершенствований и оценки масштабного эффекта в этих случа€х вновь приходитс€ возвращатьс€ к испытани€м большеразмерных образцов.

«аключение


— давних времЄн естествоиспытател€ми был установлен тот факт, что металлический стержень, подвергнутый действию большого числа циклов повторного напр€жени€, приобретает способность разрушатьс€ под значительно меньшими нагрузками, чем это требовалось бы в услови€х статического нагружени€.

ѕон€тие усталости включает в себ€ большое количество €влений отсроченного повреждени€ и разрушени€ под действием нагрузки и окружающей среды. Ѕольшинство компонентов конструкций включают в себ€ элементы, подвергающиес€ циклическим нагрузкам. “акие нагрузки привод€т к по€влению циклических напр€жений, которые в свою очередь привод€т к отказу механизмов по причине усталости. ќколо 95% всех разрушений конструкций происходит по усталостному механизму.

ѕовреждение, вызванное процессом усталости, имеет кумул€тивный (накопительный) и безвозвратный характер, потому что:

очень трудно обнаружить износ материала, подвергаемого усталостному нагружению. —ледовательно, разрушение происходит неожиданно;

даже если дать материалу «отдохнуть» длительный период времени, никаких улучшений в его усталостном поведении не произойдЄт.

’от€ за XIX-XX вв. учЄные и инженеры значительно продвинулись в вопросах понимани€ физического процесса усталости материалов, непрерывно растущие требовани€ к современным машинам по-прежнему став€т перед ними новые задачи, от решени€ которых зависит будущее человечества. »менно поэтому проблема усталости материалов не тер€ет и никогда не потер€ет своей актуальности.

—писок литературы


1)јлександров ј.¬. —опротивление материалов: ”чеб. дл€ вузов. - 3-е изд. »спр. - ћ.: ¬ысш. Ўк., 2003. - 560 с.

2)Ѕиргер ».ј. –асчЄт на прочность деталей машин - ћ.: ћашиностроение, 1966. - 617 с.

)Ѕиргер ».ј. ѕрочность и надежность машиностроительных конструкций: »н-т машиноведени€ им. ј.ј. Ѕлагонравова –јЌ и др. - ”фа.: ”√ј“”, 1998. - 349 с.

)». ј. Ѕиргер, –. –. ћавлютов. ”чебное пособие дл€ студентов машиностроительных и авиационных вузов - ћ.: Ќаука, 1986. - 560 с.

)√оршков ј.√., “рошин ¬.Ќ., Ўалашилин ¬.». —опротивление материалов: ”чеб. пос. 2-е изд., испр. - ћ.: ‘»«ћј“Ћ»“, 2005. 544 с.

6)ё.ћ. Ћахтин, ¬.ѕ. Ћеонтьева ћатериаловедение. - ћ.: ћашиностроение, 1990.

7)ћалинин Ќ.Ќ. ѕрикладна€ теори€ пластичности и ползучести. ”чебник дл€ студентов вузов. »зд. 2-е, перераб. и доп. - ћ.: ћашиностроение, 1975. - 400 с.

8)√. Ќейбер.  онцентраци€ напр€жений. ѕеревод с немецкого. - Ћенинград: ќ√»«, 1947. - 205 с.

)Ќадежность и ресурс авиационных газотурбинных двигателей, под ред. √.ѕ. —вищева, ».ј. Ѕиргера. - ћ.: ћашиностроение, 1969. - 539 с.

)—еренсен —. ¬., —опротивление материалов усталостному и хрупкому разрушению, ћ., 1975.

)“имошенко —.ѕ. »стори€ науки о сопротивлении материалов - ћ.: √остехиздат, 1957. - 536 с.

)¬.“. “рощенко, ÷иклические деформации и усталость металлов. -  иев: Ќаукова думка. - 1985.

)‘еодосьев ¬.». —опротивление материалов: ”чеб. дл€ вузов. - 10-е изд., перераб. и доп. - ћ.: »зд-во ћ√“” им. Ќ.Ё. Ѕаумана, 2000. - 592с.

)‘оррест ѕ., ”сталость металлов, пер. с англ., ћ., 1968.

)Ўан€вский ј.ј. ћоделирование усталостных разрушений металлов. —инергетика в авиации. - ”фа: ќќќ «ћонографи€», 2007 - 500 с.

16)Sinan Korkmaz. Extension of the Uniform Material Law for High Strength Steels - Bauhaus University Graduate School of Structural Engineering, 2008.

)Parsons W.B., Engineers and engineering in the Renaissance. 1939.

)Peterson R. E. Properties of metals in materials engineering (Amer. Soc. For metals, Cleveland, Ohio, USA), 1948.

)Mecanique industrielle. 3-е изд. 1870.

)Morin A. Resistance des materiaux. 1-е изд. 1853.

)Proc. Inet. Civ. Engrs. London. “.2. 1843.

)Proc. Inet. Mech. Engrs. London. 1850.

)Gough H. J., The fatigue of metals, London, 1924.

)Gerbег W., Z. №ауег Architek. u. Ing. Ver,, 1874.

25)¬airstоw L., Trans, roy. soc. (London) (ј), т. 210, стр. 35, 1911.

26)Ќорkinsоn ¬., Williams —“., Proc. roy. soc. (London) (ј), т. 87, 1912.

27)≈wing J.ј.,Ќumfrеу J.—.W.,Trans,roy.soc.(London)(A),т. 200,стр.241, 1903.

Ёлектронные источники

)¬икипеди€, свободна€ энциклопеди€.

29)яндекс, словари


÷ентральный »нститут јвиационного ћоторостроени€ им. ѕ.». Ѕаранова –≈‘≈–ј“ по истории философии науки

Ѕольше работ по теме:

ѕредмет: “ранспорт, грузоперевозки

“ип работы: –еферат

найти  

ѕќ»— 

Ќовости образовани€

 ќЌ“ј “Ќџ… EMAIL: MAIL@SKACHAT-REFERATY.RU

—качать реферат © 2018 | ѕользовательское соглашение

—качать      –еферат

ѕ–ќ‘≈——»ќЌјЋ№Ќјя ѕќћќў№ —“”ƒ≈Ќ“јћ