9 Работа стали при повторных нагрузках

При работе стали в упругой стадии повторное заг­ружение не отражается на работе материала, т.к. упругие деформации обратимы. В упругопластической области возникает наклеп. Область упругой работы увеличивает­ся, а пластичность падает, сталь становится более хруп­кой.

Многократное (миллионы раз) повторное нагруже­ние может привести к разрушению при напряжениях меньше, чем σ_u и даже предел текучести. Это явление называется усталостью металла, а разрушение – уста­лостным. Способноть металла сопротивляться усталост-ному разрушению называют выносливостью, а напряже-ние, при котором происходит разрушение – вибрацион­ной прочностью _вб.

Снижение прочности (усталостное разрушение) происходит за счет скопления дислокаций в структуре металла в одном месте, при этом создается очаг зарож-дения трещины. При последующих нагружениях дефор-мации в поврежденном месте нарастают. Линии разгруз­ки не совпадают с линиями нагрузки образуя петли гис­терезиса. В месте образования трещины металл как бы перетирается, образуя гладкие истертые поверхности, а затем трещина быстро развивается и происходит разрыв. Таким образом, поверхность излома имеет две характер­ные области – гладкую истертую и зернистую, а процесс усталостного разрушения проходит три стадии: цикли­ческое нагружение до образования трещины, рост тре­щины и хрупкий излом.

Вибрационная прочность зависит от числа циклов нагружения n (рис. 1.23) и вида нагружения, который характеризуется коэффициентом ассиметрии:

 = _min / _max

При большом числе циклов кривая вибрационной прочности (кривая Веллера) асимптотично приближается к некоторому пределу, называеомому пределом вынос­ливости (усталости) (рис. 1.23, кривая 1).

При 2 млн. циклов вибрационная прочность мало отличается от предела усталости, поэтому испитания для определения предела выносливости стали прозводиться обычно на базе 2 млн. циклов нагружения.

Алюминиевые сплавы не имеют предела усталости и их вибрационная прочность при увеличении числа цик-лов постоянно снижается (рис. 1.23, кривая 2).

При изменении ρ от +1 до –1 усталостная проч-ность падает. Для низколегированной стали при ρ = 0 предел усталости равен пределу текучести, а при ρ = –1 примерно 0,6∙σ_y

При преобладании сжатия предел выносливости выше.

Если циклические напряжения превышают предел текучести, то разрушение может произойти и при числе циклов порядка нескольких тысяч. Такое разрушение на­зывают малоцикловой усталостью. Оно характерно для листовых конструкций резервуаров, газгольдеров и т.п., испытывающих периодическое нагружение при запол­нении и разгрузке, при опорожнении и при снятии внут­реннего давления.

Повысить усталостную прочность можно путем снижения концентраторов напряжений (механическая обработка кромок, зачистка швов, обеспечение плавного изменения сечений и т.д.); создания в местах концентра­ции напряжений сжатия, например, с помощью нагрева­ния мест концентрации, предварительной вытяжкой конструкций, например, обкаткой подкрановых балок кранами с допустимой перегрузкой и т.д.