Experimental study of fatigue life of aluminum alloy in tension with torsion

Abstract


The work is devoted to experimental investigation of the number of cycles to failure of aluminum alloy Д16Т in the combined loading tests at tension with torsion. The experimental results under uniaxial cyclic loading with an additional component of the constant shear stress are presented. The value of constant component of shear stress τ with respect to shear yield stress τ03 which were determined in static tests was changed from 0 to 0.7. The tests were carried out on two levels of axial stress amplitude (250 MPa and 280 MPa). The experimental data of the number of cycles to failure under different value of the additional component of the constant shear stress were obtained. It is noted that with increase of the axial stress amplitude the effect of the constant component of the shear stress is reduced.

Full Text

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 σ02, предел пропорциональности σпц, предел упругости σу, модуль сдвига G, условный предел текучести при кручении τ03, предел пропорциональности при кручении τпц) представленные в таблице. Механические характеристики алюминиевого сплава Д16Т Определяемые характеристики Результаты испытаний Значение характеристик с вероятностью 95 % σ02 (МПа) 363,3 401,0 413,3 403,5±15 σу (МПа) 368,0 377,0 392,7 379±21 σпц (МПа) 373,6 381,3 391,3 382,1±15 Е (ГПа) 73,48 73,40 73,78 73,55±0,34 τ03 (МПа) 183,2 186,0 184,3 184,5±2,38 τпц (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; σа – 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 τ по отношению к пределу текучести при кручении τ03, 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 – отношение касательного напряжения к пределу текучести при сдвиге, а N – число циклов до разрушения. Линии аппроксимации описываются уравнениями для амплитуды осевых напряжений 250 МПа и 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 τ по отношению к пределу текучести при кручении τ03 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).

About the authors

Igor Vyacheslavovich Safonov

Perm National Research Polytechnic University

Email: egozero@mail.ru
29, Komsomolskij av., 614990, Perm, Russian Federation student of the Department of the mechanics of composite materials and structures, Perm National Research Polytechnic University

Michael Pavlovich Tretyakov

Perm National Research Polytechnic University

Email: cem.tretyakov@gmail.com
29, Komsomolskiy av., 614990, Perm, Russian Federation engineer, a junior fellow at the Center of Experimental Mechanics, Perm National Research Polytechnic University

Valery Ervinovich Vildeman

Perm National Research Polytechnic University

Email: wildemann@pstu.ru
29, Komsomolskiy av., 614990, Perm, Russian Federation Director of the Center for Experimental Mechanics, professor of mechanics of composite materials and structures, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor of Perm National Research Polytechnic University

References

  1. Экспериментальные исследования свойств материалов при сложных термомеханических воздействиях / В.Э. Вильдеман, М.П. Третьяков, Т.В. Третьякова, Р.В. Бульбович [и др.] / под ред В.Э. Вильдемана. – М.: Физматлит, 2012. – 204 с.
  2. Исследование закономерностей упругопластического деформирования стали 15Х2ГМФ при сложном напряженном состоянии / Н.Н. Вассерман, В.Э. Вильдеман, А.А. Крюков, М.П. Третьяков // Вестник Перм. гос. техн. ун-та. Механика. – 2010. – № 2. – С. 34–47.
  3. Третьяков М.П., Вильдеман В.Э. Деформационное разупрочнение материалов в условиях плоского напряженного состояния // Вестник Перм. нац. исслед. политехн. ун-та. Механика. – 2012. – № 2. – С. 190–203.
  4. Вильдеман В.Э., Третьяков М.П. Испытания материалов с построением полных диаграмм деформирования // Проблемы машиностроения и надежности машин. – 2013. – № 2. – С. 93–101.
  5. Аннин Б.Д., Жигалкин В.М. Поведение материалов в условиях сложного нагружения. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999. – 342 с.
  6. Гигиняк Ф.Ф., Тимофеев Б.Т. Малоцикловая усталость и циклическая ползучесть сталей перлитного и аустенитного классов и их сварных соединений при сложном напряженном состоянии // Вопросы материаловедения. – 2007. – № 3(51). – С. 272–285.
  7. Петухов А.Н. Вопросы многоцикловой усталости для материалов и деталей современных ГТД // Вестник Самар. гос. аэрокосм. ун-та. – 2009. – № 3(19). – С. 172–177.
  8. Радон Дж. Зависимость роста трещин от частоты при усталости в условиях циклического нагружения с постоянной и случайной амплитудой // Физическая механика. – 2000. – № 3(2). – С. 81–88.
  9. Jianyu Zhang, Xinhong Shi, Binjun Fei. High cycle fatigue and fracture mode analysis of 2AT2-T4 aluminum alloy under out-of-phase axial-torsion constant amplitude loading // International journal of fatigue. – 2012. – Vol. 38. – P. 144–154.

Statistics

Views

Abstract - 186

PDF (Russian) - 160

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2013 Safonov I.V., Tretyakov M.P., Vildeman V.E.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies