Экспериментальное исследование усталостной долговечности алюминиевого сплава при растяжении с кручением

Влияние различных видов напряженного состояния на статическую и циклическую прочность является актуальным направлением теоретических и экспериментальных исследований. Развитие методов оценки прочности и долговечности высоконагруженных элементов конструкций, работающих в сложных условиях термомеханического нагружения, предполагает использование экспериментально установленных закономерностей статической и циклической прочности в условиях сложного напряженного состояния [1-7]. На циклическую долговечность влияют различные факторы, в том числе частота нагружения [8], вид напряженно-деформированного состояния [9].

В работе представлены результаты экспериментальных исследований, проведенных в Центре экспериментальной механики Пермского национального исследовательского политехнического университета, при циклическом нагружении в условиях сложного напряженного состояния. Проведено экспериментальное исследование влияния дополнительного касательного напряжения на усталостную долговечность алюминиевого сплава Д16Т. При растяжении образцы подвергались одноосному циклическому нагружению при наличии дополнительной составляющей постоянного касательного напряжения различной величины. Циклические испытания проводились на двух уровнях амплитуды осевого напряжения.

Экспериментальное исследование проводилось на универсальной электродинамической испытательной системе Instron Electropuls E10000. Внешний вид установки Electropuls E10000 представлен на рис. 1.

а                     б

Рис. 1. Испытательная система Instron Electropuls E10000: общий вид испытательной системы ( а ); образец с установленным двухосевым экстензометром ( б )

Испытательная система предназначена для проведения статических испытаний на растяжение, сжатие, изгиб, кручение; динамических и усталостных испытаний с частотой до 100 Гц; двухосевых (растяжение-сжатие, кручение) статических и динамических испытаний при нагрузках до 10 кН/100 Нм. Система ElectropulsE10000 укомплектована датчиком нагрузки Dynacell ±10 кН/±100 Нм. Датчик нагрузки имеет точность измерения нагрузки в диапазоне от 40 Н до 10 кН, равную 0,4 % от измеряемой величины.

Для создания методики и проведения испытания использовалось программное обеспечение WaveMatrix.

В качестве материала для экспериментальных исследований применялся широко используемый в машиностроении алюминиевый сплав Д16Т.

Для разработки программы исследований и определения основных параметров нагружения в ходе усталостных испытаний проведены квазистатические испытания на одноосное растяжение и кручение, в результате которых получены основные механические характеристики материала (модуль Юнга Е , условный предел текучести а₀₂, предел пропорциональности а_пц, предел упругости а_у, модуль сдвига G , условный предел текучести при кручении т₀₃, предел пропорциональности при кручении т_пц) представленные в таблице.

Механические характеристики алюминиевого сплава Д16Т

Определяемые характеристики	Результаты испытаний			Значение характеристик с вероятностью 95 %
а 02 (МПа)	363,3	401,0	413,3	403,5±15
а у (МПа)	368,0	377,0	392,7	379±21
а пц (МПа)	373,6	381,3	391,3	382,1±15
Е (ГПа)	73,48	73,40	73,78	73,55±0,34
T Q3 (МПа)	183,2	186,0	184,3	184,5±2,38
Т пц (МПа)	148,8	150,9	149,7	149,8±1,73
G (ГПа)	30,86	30,65	29,57	30,36±1,16

Для проведения экспериментальных исследований усталостной долговечности использовались образцы корсетного типа по ГОСТ 25.502-79 «Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость» с диаметром рабочей части 5 мм. Образцы изготовлены из прутка диаметром 10 мм в состоянии поставки, эскиз образца представлен на рис. 2. Реализованы циклические испытания с контролем по напряжению с коэффициентом асимметрии R = 1, частота нагружения 50 Гц. Циклическое нагружение образцов проводилось до разрушения на части или появления макротрещины.

Рис. 2. Эскиз образцов корсетного типа для циклических испытаний

В результате испытаний в отсутствие касательных напряжений построена кривая усталости (рис. 3), где N - количество циклов до разрушения; о _а - амплитуда осевого напряжения, на величину которой происходило растяжение и сжатие образца. Кривая усталости представлена в двойных логарифмических координатах.

Рис. 3. Кривая усталости алюминиевого сплава Д16Т в двойных логарифмических координатах

Для проведения испытаний по оценке влияния постоянных касательных напряжений на циклическую долговечность при осевом нагружении выбраны два уровня амплитуды осевых напряжений: 250 и 280 МПа, на которых испытано по четыре образца.

На выбранных уровнях амплитуды напряжений реализованы циклические испытания на растяжение в условиях наличия постоянной составляющей касательного напряжения. Величина касательного напряжения т по отношению к пределу текучести при кручении т03, определенному в статических испытаниях, изменялась в диапазоне от 0 до 0,7. Циклическое нагружение образцов проводилось до разрушения на части или появления макротрещины.

Полученные экспериментальные данные описываются линейной аппроксимацией. Для сопоставления полученные результаты испытаний представлены на одном графике (рис. 4), где т / т ₀₃ - отношение касательного напряжения к пределу текучести при сдвиге, а N - число циклов до разрушения. Линии аппроксимации описываются уравнениями N =- 26226 т / т ₀₃ + 25970 для амплитуды осевых напряжений 250 МПа и N = - 79615 т / т ₀₃ + 86421 для амплитуды 280 МПа.

Рис. 4. Результаты экспериментального исследования влияния дополнительного касательного напряжения на усталостную долговечность алюминиевого сплава Д16Т при одноосном циклическом нагружении: 1 - амплитуда 250 МПа;

2 - амплитуда 280 МПа

Таким образом, проведены экспериментальные исследования оценки влияния постоянной составляющей касательных напряжений на циклическую долговечность алюминиевого сплава Д16Т при осевом нагружении. Зависимость числа циклов до разрушения от величины касательного напряжения т по отношению к пределу текучести при кручении т03 в диапазоне от 0 до 0,7 описывается линейной аппроксимацией. Показано, что при увеличении амплитуды осевого напряжения влияние касательного напряжения уменьшается.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (№13-08-00304 а), в рамках исполнения государственного задания Министерства образования и науки РФ высшим учебным заведениям (шифр проекта 1.3166.2011).