ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРОЧНОСТИ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

РАЗРУШЕНИЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ УСТАЛОСТИ

Согласно табл. 1.3 это фактор 2, с которым связано почти 7% аварий сварных конструкций.

6.4.1.

ПАРАМЕТРЫ ЦИКЛИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ

При работе элемента конструкции могут быть заданы либо ко­лебания усилий, либо колебания перемещений. В первом случае при мягком нагружении заданы внешние усилия, они не зависят от деформаций элемента конструкции или перемещения захватов образца. Примером такого нагружения является тело, уложенное на мягкий матрац. В этом случае усилие, действующее на матрац, не зависит от прогиба пружин. Любое ослабление поперечного се­чения нагруженной так детали (ее сужение при растяжении или появление внутренних дефектов) при мягком нагружении приво­дит к росту пластических деформаций. Это осложняет детальные расчеты процесса разрушения.

При жестком нагружении заданы перемещения границ дета­ли или захватов испытательной машины, тогда ослабление попе-

речного сечения детали в процессе ее работы приводит к уменьше­нию нагрузки. Но если критерий разрушения выражается через деформации, то падение нагрузки не осложняет расчета.

Обычно усталостные трещины появляются в местах концен­трации напряжений. Если в окрестностях концентратора появля­ются циклические пластические деформации, то размах этих де­формаций определяется размахом номинальных напряжений от внешней нагрузки. Поэтому условия работы материала у верши­ны такого концентратора оказываются близкими к жесткому на­гружению.

При расчетах на выносливость нагрузка на опасное место кон­струкции или образца обычно представляется в виде номиналь­ных напряжений, которые вычисляются по формулам сопротив­ления материалов и пропорциональны приложенной внешней нагрузке. На рис. 6.65а показаны три варианта изменения номи­нальных напряжений во времени: по прямоугольному, треуголь­ному и синусоидальному циклам.

В обычных условиях эксплуатации (климатические температу­ры, отсутствие коррозионного воздействия) ползучестью металла при циклических нагрузках можно пренебречь. Эксперименты по­казывают, что выносливость стальных и алюминиевых образцов не зависит ни от длительности периода цикла, ни от его формы. По­этому, если CTmax и CTmin постоянны, при расчетах на усталость счита­ется, что указанные варианты формы цикла неразличимы и нагруз­ка определяется только тремя независимыми параметрами:

■ максимальными напряжениями цикла amax;

■ минимальными напряжениями цикла amin;

■ общим количеством циклов изменения нагрузки N.

По этим параметрам можно вычислить более понятные для описания физической природы циклической нагрузки величины:

r — характеристика цикла:

CTm

r =-

CTmax

стт — средние (medium) напряжения цикла, представляющие собой статические, постоянные во времени напряжения, прило­женные к материалу, на которые накладываются колебания на­пряжений:

_ _ ^max ^ CTmin __ 1 + Г

m _ 2 _°max' 2 . (6.142)

Act — размах колебаний напряжений:

Act = CTmax - CTmin = CTmax ' (1 - r). (6.143)

aa — амплитуда напряжений:

=&2l = Pmax2 CTmin = CTmax • ^. (6.144)

В условиях концентрации напряжений или при высоких оста­точных напряжениях часто оказывается, что максимальные на­пряжения превышают уровень предела текучести. В качестве при­мера на рис. 6.65б пунктиром показан отнулевой цикл (r0 = 0), у которого CTmax0 превышает уровень предела текучести стт (сплош­ная кривая). В этом случае при первом нагружении, как только будет выполнено условие текучести, дальнейшее увеличение на­грузки приведет к пластическим деформациям металла в окрест­ностях наиболее нагруженной точки (горизонтальная штрихов­ка). Локальные напряжения при этом остаются на уровне предела текучести до того момента, пока нагрузка не начнет падать. По­этому максимальное напряжение цикла материала опасной точки равно пределу текучести: CTmax1 = стт.

Далее происходит разгрузка на величину Act. Величина Act = 2ста не зависит от пластических деформаций у концентратора. Поэто­му минимальное напряжение цикла CTmin1 = стт - 2ста, а характери­стика цикла у концентратора, с учетом пластической деформации:

1 стт - 2а

^max1

Если 2ста > 2стт, то цикл у концентратора становится симмет­ричным (r1 = -1), независимо от того, какой была характеристика цикла у нагрузки, и в каждом полуцикле происходит приращение пластической деформации.