Влияние асимметрии цикла
Усталостная долговечность конструкционных сплавов и деталей сильно зависит от асимметрии цикла нагружения. В то же время подавляющая часть периодических нагрузок, действующих на элементы конструкции самолета, - нагрузки асимметричные. Поэтому задача об учете асимметрии при оценке усталостной долговечности является одной из важнейших.
Обычно для представления и обобщения данных о влиянии асимметрии нагружения на усталостную долговечность используются различные диаграммы предельных напряжений цикла.
Кривые на этих диаграммах определяют величины в зависимости от среднего напряжения цикла от для данной усталостной долговечности. Достаточно полную информацию содержат графики, на которых имеются кривые предельных напряжений цикла для ряда значений усталостной долговечности.
Более распространенной является диаграмма предельных амплитуд цикл. Здесь кривые равной долговечности нанесены на график в осях. Преимуществом диаграмм этого типа являются простота и удобство оценки основной характеристики - амплитуды цикла. Усталостная долговечность всегда определяется двумя характеристиками цикла, но основной характеристикой, наиболее сильно влияющей на величину усталостной долговечности, является амплитуда (размах) циклических напряжений.
Такие оценки асимметричных циклов напряжений требуют тщательного анализа соответствия асимметрии внешней нагрузки и цикла напряжений в зоне концентрации напряжений. В некоторых случаях такого соответствия нет и оценка асимметрии по нагрузке дает ложное представление об асимметрии цикла напряжений. Так, при нагружении проушины и при растяжении, и при сжатии в поперечном сечении будут иметь место напряжения растяжения. Другой пример - фитинговый стык; при растяжении нагрузка передается через работающие на растяжение болты, тогда как при сжатии стыка нагрузка передается через торцы соединяемых фитингов. Очевидно, что силовые потоки по стыку в этих случаях различны и в местах концентрации напряжений - возможных местах усталостного разрушения - асимметрия цикла напряжений будет различной.
При расчете усталостных долговечностей по локальным напряжениям определяют НДС в точках, где имеет место наибольшая концентрация напряжений; для этих точек определяют размахи диаграммы циклического деформирования, которые в первую очередь определяют усталостную долговечность. Очевидно, что при таком подходе становится возможным объединить единой зависимостью данные об усталости гладких образцов материала и деталей с концентрацией напряжений. Учет влияния асимметрии выполняется по соотношению, подобному формуле Одинга.
Изложенные выше закономерности влияния асимметрии цикла на усталостную долговечность характеризуют сопротивление материала действию периодических нормальных напряжений. Отметим, что в случаях сдвига и кручения в элементах конструкций усталостные трещины почти всегда образуются в зоне концентрации напряжений в направлении, перпендикулярном вектору первого главного напряжения, т. е. вызываются, главным образом, действием нормальных напряжений. Но в ряде случаев требуется учет влияния асимметрии и для периодических касательных напряжений. Прежде всего отметим отсутствие влияния знака среднего напряжения цикла на усталостную долговечность. Кроме того, для многих сталей и алюминиевых сплавов предельные амплитуды цикла касательных напряжений практически не зависят от среднего напряжения цикла, если значение максимального напряжения цикла не превышает 0,8 предела текучести. Для высокопрочных сплавов типа В95, никель-хромо-молибденовой стали имеет место небольшое повреждающее влияние среднего напряжения цикла. Повидимому, уменьшение усталостной долговечности с ростом хт усиливается в области малых значений усталостной долговечности, но количественные соотношения для учета влияния асимметрии касательных напряжений не установлены. Отмечается, что величина среднего касательного напряжения слабо влияет на сопротивление усталости при изгибе, но среднее нормальное напряжение снижает предельные амплитуды касательных напряжений, если среднее напряжение цикла - растяжение, и наоборот, данному значению усталостной долговечности соответствуют большие амплитуды касательных напряжений, если среднее нормальное напряжение цикла - сжатие.