4.2 Руйнування при циклічному навантаженні

Найбільш поширеним методом оцінки міцності деталей у таких умовах навантаження, подібно як і при статичному, є порівняння розрахункових напружень з допустимими:

, або . (4.2)

У цих умовах під межею міцності мають на увазі межу втоми – характеристику, природа якої значно складніша тієї, що використовується у розрахунках при постійних напруженнях. Руйнування деталей при перемінних у часі навантаженнях (рис. 4.2) відбувається при напруженнях значно нижчих межі міцності і навіть межі текучості. Такий характер руйнування називається втомним. Руйнування від втоми деталей, що виготовлені з пластичних матеріалів, відбуваються переважно без зовнішнього прояву пластичної деформації і тому мають характер раптових.

Рисунок 4.2 – Змінне навантаження

Основними характеристиками міцності є межі витривалості, які у залежності від циклічної довговічності (число циклів, які витримує навантажений зразок до втомного руйнування) бувають довготривалими , так і обмеженими . Під довготривалою межею витривалості, або просто межею витривалості розуміють максимальне по абсолютному значенню напруження циклу, при якому не відбувається втомне руйнування до бази випробовувань (гранично задане найбільше число циклів при дослідженні на втому). Індекс вказує на значення коефіцієнта асиметрії циклу, від якого межа витривалості залежить. Так, при симетричному циклі зміна напружень , а межа витривалості позначається .

Рисунок 4.3 – Крива витривалості

Значення меж витривалості визначають на випробувальних машинах, які дають змогу навантажувати стандартні зразки за заданим режимом. За результатами досліджень 10-15 зразків – кількість циклів N до руйнування зразка при заданому напруженні – будується крива втоми у координатах: напруження – число циклів або (рис. 4.2). Для чорних металів межу витривалості досить встановити на базі числа циклів ; деколи ця база становить і більше. На втомній кривій (рис. 4.3) можна виділити область обмеженої (малоциклової) 1 і довготривалої витривалості 2.

Криві втоми для кольорових металів, легких сплавів, деталей, що працюють у корозійних середовищах, не мають чітко виражених горизонтальних ділянок, тому для них межа витривалості встановлю- ється при заданому значенні числі циклів.

Під впливом середовища руйнування деталей від навантажень значно прискориться. Швидкість руйнування залежить від матеріалу деталей, виду навантаження і активності середовища.

4.3 Оцінка міцності матеріалів з дефектами

Класичні підходи до оцінки міцності матеріалів базуються на припущенні про відсутність у них дефектів. Разом з тим встановлено, що у багатьох випадках конструкційні матеріали вже містять у собі дефекти – тріщини і різного роду пори та включення, або ці дефекти зароджуються у процесі експлуатації виробів від статичних чи динамічних навантажень. У цьому випадку для оцінки міцності деталей і конструкцій використовують методи механіки руйнування.

Механіка руйнування базується на універсальних і простих концепціях, у відповідності до яких різноманітні експлуатаційні навантаження твердих тіл з тріщинами і викликані ними напружені стани можуть бути описані коефіцієнтами інтенсивності напружень, а різноманітні граничні стани – критичними і пороговими значеннями цих коефіцієнтів [7].

При статичних навантаженнях одним із інженерних розрахункових параметрів міцності матеріалів є критичний коефіцієнт інтенсивності напружень (КІН) , що характеризує тріщиностійкість матеріалів. У загальному випадку використовується для оцінки навантаження тіла з тріщиною і визначається за формулою

, (4.3)

Рисунок 4.4 – Кінетична діаграма втомного руйнування

де: – середнє напруження по тілу деталі;

– довжина тріщини;

– параметр, який залежить від форми зразків і геометрії тріщин.

В загальному випадку умова міцності при розтягу записується .

Для оцінки міцності при динамічних навантаженнях використовують діаграми, які відображають залежність швидкості росту тріщини ( ) за цикл від величини розмаху КІН ( ) або його максимального значення у циклі (рис. 4.4). Ці діаграми називають кінетичними діаграмами втомного руйнування (КДВР). Вони несуть важливу інформацію про поведінку матеріалу з тріщиною при циклічних навантаженнях і дають можливість проаналізувати екстремальні значення циклічної трищиностійкості. На рис. 4.4 у логарифмічних координатах наведена КДВР, яка охоплює весь діапазон швидкостей росту тріщини (ШРТ) від порогових значень КІН, які відповідають умові непоширення тріщини аж до гранично високих значень КІН, що відповідають спонтанному поширенню тріщини .

Важливою особливістю КДВР є їх інваріантність від ряду умов досліджень, що має дуже важливе значення при використанні цих діаграм для прогнозування кінетики руйнування виробів та визначення залишкового ресурсу працездатності.