4.3. Опір металів циклічному навантаженню

Одним з основних показників опору втомі є циклічна довговічність число циклів напружень чи деформації, витриманих об'єктом (зразком, елементом, виробом), що навантажується до утворення тріщини від втоми певних розмірів (довжини, глибини) чи до повного руйнування. Зв'язок між максимальними напруженнями (деформаціями) циклу або розмахами напруження (деформації) і циклічною довговічністю, встановлений за параметром середнього напруження циклу (тобто при чи за параметром коефіцієнта асиметрії циклу напружень і наведений графічно, являє собою криву втоми (рис. 4.4). У напівлогарифмічних координатах чи логарифмічних криву втоми звичайно апроксимують двома відрізками прямих: одним крутопадаючим, іншим - горизонтальним. Крива втоми (крива Велера) є основною характеристикою опору матеріала чи зварного з'єднання впливу перемінних напружень. На кривій втоми розрізняють дві ділянки. Ділянка АВ - область руйнування при порівняно високих рівнях напружень внаслідок дії яких руйнування має місце при обмеженій кількості циклів навантаження Ця область зветься малоцикловою. При порівняно низьких рівнях напружень утворення макротріщин і повне руйнування зразків відбувається після дуже великого числа циклів навантаження, аж до циклів і більше. Ця область називається багатоцикловою.

Прийнято вважати, що вона починається від циклів змін напружень. У районі циклів крива втоми більшості сталей і зварних з'єднань починає переходити в горизонталь Напруження, що відповідає горизонтальній ділянці кривої втоми, служить найважливішим її параметром - границею витривалості (витривалість - здатність чинити опір втомі). Напруження нижче не призводять до руйнування від втоми при як завгодно великому числі циклів навантаження.

Для малоциклової області використовується поняття границі обмеженої витривалості це напруження, що відповідають руйнуванню при визначеній кіпькості циклів навантаження

4.4. Опір малоцикловому руйнуванню

Опір зварних з'єднань малоцикловому руйнуванню залежить від механічних властивостей основного металу, металу шва і перехідних зон і від режиму навантаження. Як критерії граничного стану малоциклового руйнування металу зварних з'єднань використовують амплітуди пружно-пластичних деформацій (пружна складова + пластична складова) при навантаженні з заданими розмахами деформацій (жорстке навантаження) або амплітуди напруження при навантаженні з заданими розмахами зусиль (м'яке навантаження). Тобто, в загальному випадку умова міцності має вигляд:

номінальні значення амплітуд навантаження,границя (межа) обмеженої витривалості. Залежність між амплітудами деформацій, що викликають руйнування, і числом циклів що утворення тріщини виражається статичним рівнянням:

постійні матеріалу, що залежать відповідно від механічних властивостей; постійні матеріалу, що залежать від умов навантаження. Рівняння описує умови виникнення макротріщини при жорсткому навантаженні в припущенні рівномірного розподілу лружнопластичних деформацій по довжині елемента, що навантажується. Крім того, передбачається, що пружні і пластичні складові деформацій не змінюються за числом циклів (циклічна стабільність).

Результати випробувань зварних з'єднань при м'якому навантаженні апроксимуються статичною функцією вигляду:

постійна металу з мінімальним значенням межі міцності; постійна, залежна від умов випробувань; число циклів до руйнування. Умови утворення тріщин малоциклового руйнування за критерієм руйнування при жорсткому навантаженні описуються рівнянням (4.1). Якщо припустити, що амплітуда пружної деформації не залежить від числа циклів і при симетричному циклі дорівнює деформації границі витривалості то рівняння (4.1) можна записати у вигляді:

Множачи деформації в рівнянні (4.3) на Е й приймаючи добуток за амплітуду умовних напружень на основі (4.3), одержимо:

Для асиметричного циклу з коефіцієнтом асиметрії умовних напружень значення можна оцінити, віднімаючи з вихідної граничної пластичної деформації середню пластичну деформацію і використовуючи діаграму Гудмена для граничних амплітуд умовних напружень:

гранична рівномірна деформація при статичному навантаженні, що відповідає досягненню межі текучості звуження).

При відсутності відповідних експериментальних даних у розрахунку варто прийняти:

Рівняння кривої малоциклового руйнування при м'якому навантаженні і коефіцієнті асиметрії можна записати аналогічно рівнянню (4.5):

гранична рівномірна деформація при статичному навантаженні, що відповідає досягненню межі міцності рівномірне звуження), постійна (для швів низьковуглецевої сталі приймається 0,5).

За даними статичних і мало циклових випробувань можна прийняти

Таким чином, за допомогою рівнянь (4.5) і (4.7) можливо проводити розрахунки виробів з основного металу.

Стосовно до зварних з'єднань, які характеризуються наявністю різного виду неоднорідності, значення граничних амплітуд треба зменшити. Для зварних з'єднань, в яких має залишкові напруження передбачається, що зниження амплітуд за рівняннями (4.5) і (4.7) визначається зниженням границь витривалості При відсутності відповідних експериментальних даних у рівняння (4.5) і (4.7) замість границі витривалості вводиться границя витривалості для зварного з'єднання:

Для зварних з'єднань, що не пройшли термообробку, у першому наближенні залишкові напруження приймаються рівними границі текучості основного металу чи металу зварного шва. Таким чином, параметри основних розрахункових рівнянь (4.5) і (4.7) для зварних з'єднань з конструкційних сталей визначаються за характеристиками статичних механічних властивостей різних зон зварного з'єднання для нормальних і підвищених температур відповідно до залежностей (4.6), (4.8) і (4.9).

Опір малоцикловому руйнуванню зварного з'єднання, виконаного за відпрацьованою технологією із застосуванням ручного, механізованого чи електрошлакового зварювання, можна визначити за рівняннями (4.5) і (4.7) для основного металу з уведенням коефіцієнта зниження амплітуд, що руйнують, встановлюваного експериментально:

амплітуди умовних напружень, що руйнують, для зварного з'єднання й основного металу відповідно.

Коефіцієнт враховує вплив дефектності і структур зварних швів (механічна неоднорідність), що утворяться, і залежить від способу зварювання, металів, що зварюються і термічної обробки.

Для низьковуглецевих , низьколегованих і аустенітних хромонікелевих сталей коефіцієнти наведені у таблиці 4.1.

При наявності концентрації напружень, викликаної формою зварного з'єднання, зниження граничних амплітуд проводиться з урахуванням так званого ефективного коефіцієнта концентрації напружень:

коефіцієнт що визначається експериментально. Для зварних з'єднань ефективні коефіцієнти концентрації визначаються за даними експерименту як відношення амплітуд напружень (деформацій), що руйнують, для гладкого зразка з основного металу і для зварного з'єднання при заданій довговічності. Наприклад, Стосовно до зварних з'єднань з низковуглецевої конструкційної сталі у випадку циклічного вигину в табл. 4.2 наведені величини для довговічності від

Отже, розрахункове значення граничних амплітуд напружень для зварних з'єднань в загальному вигляді визначається:

У розрахункових рівняннях варто використовувати гарантовані характеристики механічних властивостей