Рис.2.2.6

2.3.1. Механизм усталостного разрушения

Под усталостью понимают процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений, приводящих к образованию трещин, их развитию и разрушению. Свойство материала противостоять усталости называется сопротивлением усталости. Около 90% разрушений происходит от усталости. Различают малоцикловую и многоцикловую усталость. При малоцикловой усталости усталостное повреждение происходит при упругопластическом деформировании (число циклов до разрушения 102...5 104 ).

При многоцикловой усталости усталостное повреждение или разрушение происходит при упругом деформировании. Металлоконструкции СДМ рассчитывают на многоцикловую усталость.

Многоцикловая усталость имеет место при напряжениях, не превышающих предела упругости. Разрушение под действием такой нагрузки можно представить следующим образом: сначала в образце нет видимых повреждений; затем в материале обнаруживаются дислокации, субмикротрещины, которые увеличиваются с ростом числа циклов; затем появляются микротрещины; в заключительной стадии образуется и растет макротрещина, этот процесс завершается хрупким разрушением образца.

До разрушения проследить усталостный процесс практически невозможно.

2.3.2. Факторы, влияющие на усталостную долговечность

Процесс изменения напряжений характеризуется циклом напряжений (рис.2.3.1), то есть совокупностью последовательных значений напряжений за один период их изменения при регулярном нагружении.

отнулевым. При среднем напряжении, не равном нулю, цикл называют симметричным (R ≠ – 1). Поведение металлов при переменных нагрузках изучают экспериментально. На специальных

испытательных машинах образцы подвергают действию нагрузок, изменяющихся по заданному закону. По результатам испытаний строят кривую усталости – зависимость между максимальным напряжением и числом нагружений N до разрушения образца. Эта кривая может быть построена в обычных и логарифмических координатах (рис.2.3.2).

Рис. 2.3.2

Пределом ограниченной выносливости RN называют максимальное по абсолютному

значению напряжение цикла, при котором еще не происходит усталостное разрушение в момент N – го нагружения.

Кривая усталости позволяет установить значение пределов выносливости R , то есть

максимальных по абсолютному значению напряжений цикла, при которых не происходит усталостное разрушение до числа циклов нагружения Nб – базы испытаний.

База испытания Nб – это предварительно задаваемая наибольшая продолжительность испытаний на усталость, обычно принимаемая равной экономически целесообразному сроку

службы изделия (на практике Nб 106...3 106 циклов).

Важнейший параметр, по которому оценивается сопротивление усталости, – это эффективный

коэффициент концентрации напряжений K R – отношение предела выносливости R

RK

образцов без концентрации напряжений к пределу выносливости RK образцов с концентрацией

напряжений.

При усталостных испытаниях определяется влияние факторов на усталостную долговечность сварных узлов: свойств материала конструкции, условий эксплуатации и окружающей среды, геометрических особенностей сварных узлов и технологических особенностей их изготовления.

Влияние материала оценивается на образцах без концентраторов напряжений (как правило при Nб 2 106 , R = – 1). Эти данные приводятся в справочных таблицах.

Влияние условий эксплуатации: зависимость напряжений от времени (амплитуда a , R, N).

Количество циклов нагружения N.

Для наклонного участка кривой усталости аппроксимирующая зависимость имеет вид:

где m – показатель степени, зависящий от угла наклона кривой усталости; для сварных крановых конструкций из углеродистых и низколегированных сталей

Предел ограниченной выносливости для симметричного цикла нагружения можно определить по формуле:

Для сталей, применяемых в металлоконструкциях СДМ, этот предел рекомендуют принимать равным 0.5 1 .

Коэффициент асимметрии цикла нагружения R.

Установить пределы выносливости для всех возможных R не представляется возможным. Если результаты испытаний по определению пределов выносливости изобразить в виде диаграммы (рис.2.3.3), на которой по оси ординат отложить значения max , min , а по оси абсцисс m , то такая диаграмма будет представлена прямыми линиями. Эта диаграмма строится по данным испытаний при базовом числе циклов нагружения Nб.

Наибольшее значение предела выносливости не должно превышать предела текучести Т . Если значения max , min лежат на контурной линии диаграммы, то напряженное состояние

элемента соответствует пределу выносливости, если внутри контурной линии диаграммы – имеется запас по отношению к пределу выносливости, а если вне контурной линии – напряженное состояние превышает предел ограниченной выносливости.

напряжений и называется коэффициентом чувствительности металла к асимметрии цикла. Для углеродистых сталей 0.1...0.2 , для легированных 0.2...0.3 .

Уравнение (2.3.4) можно использовать для приведения асимметричного цикла нагружения к эквивалентному ему по повреждениям симметричному циклу согласно выражению

В этом случае работоспособность изделия оценивают при известном числе циклов нагружения N, коэффициенте асимметрии R, уровни максимальных напряжений R и пределе

выносливости материала 1 по выражению: 1N 1пр .

Если 1пр или, что тоже самое, правые части выражений (2.3.6) и (2.3.7) меньше 0.5 1 , то

изделие можно считать работоспособным. В этом случае циклические напряжения повреждений не создают.

Режимы нагружения.

В течение времени значения m , a не остаются постоянными. При оценке работоспособности машин в этом случае пользуются линейным законом суммирования повреждений:

где ni – общее число циклов за время действия нагрузки, при которой число циклов до разрушения равно Ni . Согласно этому закону деталь металлоконструкции, которая выработала при напряжении симметричного цикла нагружения 1 половину ресурса N1 и затем стала работать при напряжении 2 , будет иметь оставшийся ресурс, равный половине N2 . Умножая числитель и

Если изделие подвергается нагружениям асимметричного цикла при различных напряжениях, в левой части (2.3.9) используют приведенные к симметричному циклу напряжения (2.3.5) и условие выносливости записывают в виде

При этом необходимо учитывать, что циклы нагружений, имеющие a m < 0.5 1 , при

суммировании не учитываются.

Условие неразрушения можно выразить через максимальное напряжение, воспринимаемое изделием в заданной серии асимметричных циклов нагружений. Для этого введем обозначения:

Тогда напряжение, соответствующее асимметричному циклу нагружения и приведенное к симметричному циклу с учетом выражений (2.3.6) и (2.3.7), запишем в виде:

< min .

Принимая 1 1пр в формуле (2.3.10), получим условие предельного состояния изделия:

где – коэффициент режима нагружения, определяющий долю накопленных повреждений при действии переменных нагрузок:

Таким образом, условие работоспособности изделия при заданном режиме нагружения, состоящем из блоков регулярного цикла нагружения, можно представить через максимальное значение напряжения R :

Окружающая среда. При разработке СДМ большое значение для оценки сопротивляемости усталостному разрушению имеет учет температурного фона и условий коррозии.

Практикой установлено, что у всех сталей, применяемых в сварных металлоконструкциях СДМ, предел прочности и текучести с понижением температуры возрастает. Однако при этом увеличивается чувствительность металлов к концентрации напряжений и снижается ударная вязкость.

Предел выносливости в условиях коррозии не зависит от предела прочности, поэтому применение большинства высокопрочных легированных сталей в коррозионной среде нецелесообразно.

Концентрация напряжений. Обычно концентрация напряжений является следствием резких изменений размеров или формы поперечных сечений по длине элементов металлоконструкций. Для оценки величины концентрации напряжений используют теоретический коэффициент концентрации напряжений , определяемый как отношение максимального напряжения в зоне

концентратора к номинальному напряжению детали при упругом деформировании. Номинальные напряжения при этом вычисляют по формулам сопротивления материалов.

Практически для оценки влияния концентрации напряжения на усталость сварных узлов используют эффективный коэффициент концентрации напряжения K , определяемый

отношением пределов выносливости деталей без концентратора напряжений и с концентратором напряжений.

Значение теоретических и эффективных коэффициентов концентрации напряжений для сварных узлов металлоконструкций СДМ приведены в соответствующих рекомендациях.

При расчетах усталостной долговечности концентрацию напряжения учитывают введением в расчетные зависимости вместо предела выносливости 1 величины

1K 1 .

K