РАБОТА СТАЛИ ПРИ ПОВТОРНЫХ НАГРУЗКАХ

При работе стали в упругой стадии повторное загружение при достаточно большом перерыве не изменяет работы материала, так как связи между отдельными ее зернами не были нарушены. При многократном непрерывном загружении стали связи между зернами не успевают восстановиться между циклами, и прочность стали падает (рисунок 4.2.1). Соединив максимальные напряжения в смежных циклах графика, получим кривую, асимптотически приближающуюся к горизонтали, характеризующей минимальную прочность при многократно прилагаемой нагрузке. Напряжение, при котором происходит разрушение при многократно прилагаемой нагрузке σ_ν, называют вибрационной прочностью (рисунок 4.2.2), причем она может опускаться значительно ниже предела текучести. Разрушение, связанное с многократным приложением нагрузки, называется усталостным и относится к первой группе предельных состояний. Способность металла сопротивляться усталостному разрушению называют выносливостью.

Усталостное разрушение начинается с места концентрации напряжений, пусть даже незначительного, слабой связи в растянутой зоне между отдельными зернами. Под воздействием многократно прилагаемой нагрузки эти связи расшатываются, появляются мелкие сдвиги в зернах, плоскости отдельных сдвигов соединяются. Появляется трещина, которая проникает все глубже в сечение элемента, края ее под каждым циклом нагрузки раздвигаются и сдвигаются, притираются, обминаясь при этом. Наконец, при каком-то цикле нагрузки происходит хрупкое разрушение по границам зерен, на изломе четко видны две зоны – гладкая и зернистая. Это и является внешним признаком усталостного разрушения. Снижение вибрационной прочности происходит до 10 млн циклов и более, хотя после 2 млн циклов оно незначительное.

Рисунок 4.2.1 – Работа стали при повторных нагрузках

Рисунок 4.2.2 – Зависимость вибрационной прочности от числа циклов нагрузки

Усталостное разрушение, происшедшее после10⁵ циклов и более, называется многоцикловой усталостью.

Большое влияние на вибрационную прочность оказывает концентрация напряжений (изменение сечения, сварка, гильотинная резка кромок, колотые отверстия под болты и т. п.), которая характеризуется группой элементов [1, табл. 83].

В большей мере вибрационная прочность снижается у высокопрочных сталей по сравнению с малоуглеродистыми сталями. Поэтому применение сталей С440 – С540 в конструкциях, подвергающихся воздействию многократно повторяющихся нагрузок, не всегда оправдано.

На вибрационную прочность влияет коэффициент асимметрии цикла нагрузки:

здесь s_max и s_min соответственно наибольшее и наименьшее по абсолютному значению напряжения в рассчитываемом элементе, вычисленное для одной и той же точки сечения нетто без учета коэффициента динамичности и коэффициентов φ, φ_e, φ_b (рисунок 4.2.3).

Рисунок 4.2.3 – Циклы нагрузки: а – однозначный; б – пульсационный;
в – симметричный

Наиболее опасным является симметричный цикл (рисунок 4.2.3, в), наименее опасным – однозначный (рисунок 4.2.3, а), в пределе при ρ = +1 – статическое загружение. Пульсационный цикл (рисунок 4.2.3, б) занимает промежуточное положение.

На вибрационную прочность влияет также знак максимального напряжения: если оно растягивающее, то трещина развивается быстрее и разрушение наступает при меньших напряжениях или меньшем количестве циклов.

Усталость может проявляться и при значительно меньшем количестве циклов – меньшем чем 10⁵. Это происходит, если напряжения близки к пределу текучести или превосходят его и длительность цикла нагрузки достаточная для проявления пластических деформаций. Такое разрушение называют малоцикловой усталостью. Оно характерно для листовых конструкций, испытывающих периодическое загружение газом под давлением и снятием нагрузки. Разрушение от малоцикловой усталости связано с накоплением пластических деформаций, вероятность его растет при отрицательных температурах, что важно для сооружений, строящихся в северных районах. Проблема малоцикловой усталости пока изучена недостаточно.