Исследование физико-химического воздействия режима эксплуатации

Усталость от действия переменных нагрузок

В конструкциях, работающих в условиях многократного циклического изменения напряжений, может наступить усталостное разрушение. Переменные напряжения вызывают в стали весьма сложные усталостные изменения, зависящие как от величины этих напряжений, так и от числа циклов и развивающиеся постепенно, вплоть до разрушения элемента. Характер переменных напряжений является обычно случайным и определяется условиями эксплуатации [10].

Для того чтобы обеспечить безопасность реконструируемой стальной конструкции, нужно установить, имеют ли эти элементы, подверженные действию усталостных нагрузок, достаточный запас надежности или должны быть заменены.

К числу конструкций, которые обязательно следует рассчитывать на усталость, относятся:

• — опорные части машин, вызывающих динамические воздействия;
• — опорные конструкции подъемно-транспортного оборудования, подкрановые балки и элементы их крепления;
• — достаточно гибкие сооружения, в которых под воздействием может возникнуть явление резонанса;
• — конструкции речных и морских сооружений, подвергающиеся воздействию большого числа циклов нагрузок вследствие движения воды;
• — напорные резервуары и трубопроводы;
• — железнодорожные и автодорожные мосты и путепроводы;
• — конструкции, подвергающиеся воздействию циклических температурных нагрузок;
• — система автоматики различного вооружения.

К объектам, для которых в обоснованных случаях может потребоваться расчет на усталость, относятся системы автоматики автоматических пушек, автоматов, пулеметов в которых следует исключить возможность резонанса.

Для проверки элементов конструкций на усталость на диаграмме Велера (рисунок 6) можно выделить три зоны:

• 1 — зону квазистатической прочности, в которой образование трещин происходит при предельной пластической деформации, сравниваемой с деформациями, наблюдающимися при статической нагрузке. Эта зона, соответствующая диапазону от ¼ до 103−104 циклов, называется также зоной квазистатического трещинообразования;
• 2 — зону малоцикловой прочности или малоцикловой усталости, Соответствующую диапазону от 103−104 до 104−105 циклов, где при высоких напряжениях образуются трещины и наблюдаются пластические деформации стали, в частности на изломах разрушенных образцов.
• 3 — зону высокоцикловой прочности (высокоцикловой усталости), соответствующую диапазону 105−107 циклов, в которой трещины образуются при малых напряжениях и макроминимальных пластических деформациях. Характер излома в этом диапазоне с макроскопической точки зрения близок излому при хрупком разрушении.

Рисунок 6. Диаграмма Велера с зонами прочности, а — диаграмма Велера; б — диаграмма пластических удлинений образцов, соответствующих зонам прочности; 1 — квазистатическая; 2 — цикловая; 3 — высокоцикловая; 4 — число циклов.

Необходимо отметить отсутствие ярко выраженных границ между указанными зонами, что зависит главным образом от вида материала и условий нагружения. Однако в целом принимается, что зона квазистатической прочности соответствует числу циклов до 103, малоцикловая усталость — 103−105 циклов и высокоцикловая усталость — число циклов более 105. В практических целях зону 1 обычно объединяют с зоной 2. В этом диапазоне учитывается главным образом зависимость амплитуды пластических деформаций у от числа циклов N и других соотношений, описывающих малоцикловые свойства материалов.

Диапазон малоцикловой прочности от диапазона высокоцикловой прочности отличается главным образом величиной пластических деформаций. Эти упругопластические деформации вызывают образования петли гистерезиса в каждом цикле переменной нагрузки. Площадь петли характеризует энергию, рассеянную в материале во время цикла нагружения. В этом некоторое сходство с эффектом Баушингера, которое можно рассматривать как своего рода введение в малоцикловую прочность. Поведение материала в области малоцикловой прочности может быть весьма различным. В первую очередь оно зависит от состояния материала после термической и технологической обработки, а также от процесса нагружения.

Современные методы расчета усталостной прочности обычно базируются на линейной гипотезе накопления (суммирования) повреждений, получившей название гипотезы Пальмгрена-Майнера.

Развитие трещин в стали тесно связано с зоной пластического деформирования перед фронтом и ограничивает применение принципов классической механики трещинообразования. Характер трещин зависит от таких факторов, как напряженное состояние, температура, скорости деформирования и геометрические характеристики элементов (форма и размеры). Поэтому пластичное или хрупкое состояние, равно как и промежуточные состояния, представляют собой временные состояния материала в данных условиях работы.

На современном этапе проверка прочности конструкций с учетом усталости материала может производиться в области малоцикловой усталости — по рекомендациям, разработанным в рамках СЭВ; в области высокоцикловой усталости — по проекту стандарта ИСО.

Одновременно следует подчеркнуть, что продолжаются работы по созданию универсальных методов расчета на усталость, охватывающих весь диапазон усталостной прочности (мало — и высокоцикловую). 9].

По рекомендациям СЭВ (при сохранении принятых в них обозначений) зависимость между амплитудой условных упругих напряжений [] и числом циклов N имеет вид:

где Еt — модуль упругости, МПа, при температуре t; - сопротивление стали растяжению, МПа, при температуре t; mp и me — коэффициенты, характеризующие сталь; шt — относительное сужение стального образца при растяжении; nу и nN, — частные коэффициенты безопасности; r* и r — коэффициенты асимметрии соответственно условных упругих и действительных напряжений.

Для малоуглеродистых и низколегированных сталей при отношении предела текучести к пределу прочности fy/fU, < 0,7 получим fU? 441 МПа,.

=32% и Еt=1,91· 105 МПа.

Кривая малоцикловой усталости для диапазона температур 20−3600С и при r=r* приведена на рисунке 7.

Рисунок 7. Кривая малоцикловой усталости В работе изложены также принципы учета в расчетах малоцикловой усталости: концентрации напряжений; влияния температуры; остаточных напряжений; напряжений, вызванных колебаниями (вибрацией); влияния сварки; влияния коррозии.

Для области высокоцикловой прочности принято, что предел текучести fy? 700 МПа, а номинальная область напряжений Ду? 1,5fy. При этом усталостная прочность зависит главным образом от диапазона напряжений, числа циклов и типа конструктивного элемента.

Проверка на высокоцикловую усталость производится по формулам:

а) при переменных нагрузках, вызывающих нормальные напряжения в диапазоне? у:

(20).

при ;

б) при переменных нагрузках, вызывающих появление в сечении касательных напряжений? ф:

; (21).

в) при действии сложных напряжений с составляющими ф и у должно выполняться условие.

при, (22).

Если экстремальные значения нормальных и касательных напряжений находятся в разных точках сечения, то должно выполняться условие.

(23).

В формулах приняты обозначения: Дуeдиапазон нормального приведенного напряжения постоянной амплитуды, эквивалентного влияния действительных эксплуатационных напряжений Дуi переменной амплитуды уоi; при Дуi = const Дуe = 2уa; ДуR — усталостная прочность элемента при определенном числе циклов перемены напряжений NR; гS — коэффициент безопасности по материалу; гZ — частный коэффициент, учитывающий степень точности расчетной модели и последствий разрушения (гZ ?1,2); з — понижающий коэффициент, учитывающий влияние толщины элемента; при g > 25 мм.

.

Приведенное напряжение определяется по формуле.

(24).

гдe Дуi — диапазон напряжений переменной амплитуды; ni — число-циклов перемены напряжений с диапазоном Дуi; m — коэффициент наклона линии усталостной прочности, причем m = 3 при Дуi? Дуk: m = 5 при Дуi? Дуk (Ду — усталостная прочность элемента при N = 5 * 106 циклов).

Усталостная прочность элемента определяется по формулам:

(25).

и.

(26).

где R и RV — нормативное сопротивление усталости, установленное при N =2 * 106 для нормальных или касательных напряжений постоянной амплитуды; ДRT, ДRVT — длительное сопротивление усталости, установленное при N = 108.

Графики напряжений ДуR, соответствующих достижению высокоцикловой усталостной прочности при разном числе циклов N для различных классов элементов, приведены на рисунке 8.

Рисунок 8. Усталостная прочность ДуR элементов разных классов при числе циклов 1 — класс элементов; 2 — RA = ДуR при постоянной амплитуде; 3 — ДуR = const для нормальных или касательных напряжений; при N = 5 * 106 длительное сопротивление усталости составляет RA = 0.735 ДR, что соответствует случаю нормальных напряжений постоянной амплитуды.

Для стрелково — пушечного вооружения следует определить область напряжений переменной амплитуды и число циклов нагружения, подвергающихся переменным нагрузкам в течение всего процесса работы и принять решение относительно возможности дальнейшей их работы [8].