Понятие о малоцикловой усталости

Малоцикловой усталостью называют циклическое нагружение материала, при котором максимальное напряжение цикла превышает предел текучести (о_тах > о_Т). Долговечность при малоцикловой усталости N < 10⁵ циклов.

При обычной многоцикловой усталости напряжения в конструкции определяют по формулам курса сопротивления материалов. В качестве предельного напряжения берут предел выносливости или предел ограниченной выносливости при расчетах на долговечность.

При малоцикловой усталости необходимо учитывать пластические деформации. Расчет напряжений и деформаций производится методами теории пластичности. Усложняет расчет нестабильность диаграммы деформирования, которая изменяется от цикла к циклу.

Графически зависимость напряжений от деформаций при малоцикловой усталости представляет собой петлю гистерезиса (рис. 15.24), изменяющуюся от цикла к циклу. Она характеризуется шириной петли г^р и максимальным напряжением о_тах. По результатам экспериментальных замеров петель гистерезиса строят обобшенную кривую циклического деформирования, представляющую собой половинки петель гистерезиса. При совмещении петель, записанных при различных действующих нагрузках, но одинаковом номере полуцикла деформации, кривые петель гистерезиса совпадают, образуя единую обобщенную диаграмму циклического деформирования (ОДЦД) для данного номера полуцикла нагружения (рис. 15.25). Для экспериментальных ОДЦД выбирают линейную или степенную аппроксимацию (см. п. 8.2).

Рис. 15.24. Петля гистерезиса при Рис. 15.25. Обобщенная диаграмма.

малоцикловой усталости циклического деформирования С использованием ОДЦД методами теории пластичности определяют максимальные упругопластические напряжения и деформации в конструкции о_тах и ?_тах.

По результатам испытаний на малоцикловую усталость строят усталостную кривую в координатах е_а— N или o_a — N, где e_fl, о_а — амплитудные значения разрушающих деформаций или напряжений; N — число циклов до разрушения. Далее определяют коэффициенты запаса по деформациям или напряжениям.

=е_д/е^ =п_а =о_а/о^э_а >[я_е,"_а] и коэффициенты запаса по долговечности n_N = Nj>[л,_у], где г^э_а, о^э_а, N³ — эксплуатационные значения амплитуды деформаций, напряжений и числа циклов нагружения.

Допускаемые значения коэффициентов запаса [л_€] = [п_с] ~ 1,5—2, | Ядг] -3—10. При заданных значениях коэффициентов запаса по расчетно-экспериментальным формулам строят кривую, связывающую допускаемые значения деформаций [е_в], напряжений [о_а] и долговечности И (рис. 15.26).

Расчет на малоцикловую усталость требует глубоких знаний теории пластичности, метода конечных элементов, большого количества экспериментальных данных и выходит далеко за рамки курса сопротивления материалов. Для чего нужен такой расчет?

Рис. 15.26. Связь допускаемых величин при заданном коэффициенте запаса.

В особо ответственных конструкциях (в космической технике, ядерной энергетике, при создании современного вооружения) ставится задача увеличения нагрузок при снижении веса конструкции, повышения надежности работы изделия. Для этого приходится уменьшать коэффициенты запаса, вторгаться в область пластических деформаций. Если нет таких жестких требований к конструкции, то можно или уменьшить рабочие нагрузки, или увеличить толщину стенок конструкции, прибавив ее вес, выйти из области малоцикловой в область многоцикловой усталости и провести сравнительно простой расчет по формулам курса сопротивления материалов.