Оценка усталости порошковых структурно - неоднородных материалов при многоосном циклическом деформировании

А.В. Бабушкин, А.А. Чекалкин (Пермь)

Многие элементы реальных конструкций и деталей машин подвергаются многоосному деформированию, и материал, как правило, находится в условиях сложного напряженного состояния. В общем случае нагружение происходит циклически. Однако экспериментальное определение характеристик конструкционных материалов, а тем более композитов, в условиях, приближенных к реальным, весьма ограничено. В рамках данной работы были проведены экспериментальные исследования многоосной усталости образцов порошкового структурно - неоднородного материала. Материал представляет собой зернистый пористый макроизотропный композит на основе технически чистого железа ПЖР 3.200.28. В работе использовались осесимметричные образцы с центральной галтелью. Испытания проведены на специальной машине-качалке. Захваты машины обеспечивают возможность закрепления образца под любым углом к оси вращения шпинделя. При этом в крайних положениях приспособления образец нагружается либо только изгибом, либо только кручением. А в промежуточных положениях – изгибом и кручением совместно. В зависимости от угла расположения образца относительно оси вращения шпинделя доли изгибной деформации и деформации кручения пропорционально меняются. В работе приведены данные испытаний порошкового железа при величине угла расположения образцов относительно оси шпинделя активного захвата в 30°. Схема проведения эксперимента предполагает построение кривых Велера в диапазоне долговечности от 104 до 107 циклов нагружения, определяя, таким образом, пределы многоцикловой усталости. При этом партия образцов разбивалась на группы по 5-10 штук, в пределах группы образцы испытывались при близких значениях амплитуды колебаний. Для построения кривых Велера проводился анализ напряженно - деформированного состояния каждого образца в зоне разрушения. Для анализа НДС в зоне разрушения образцов был разработан конечноэлементный алгоритм. Расчет проведен для вторых инвариантов тензоров напряжений и деформаций, возникающих в зоне разрушения образцов. Также, согласно принципу суперпозиции, многоосное нагружение было разделено на составляющие изгиба и кручения, и проведен расчет НДС отдельных компонент многоосного нагружения. Это дало возможность сопоставлять результаты физических и расчетных экспериментов, проведенных ранее при “чистых” изгибе и кручении образцов порошкового железа, с результатами данного эксперимента. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант РФФИ-Урал № 02-01-96403).