Определения и термины

Цикл напряжения - наименьший отрезок зависимости напряжения от времени, периодически повторяемый в неизменном виде.

Графики циклической нагрузки, представленные на рис. 4.15, построены в координатах «напряжение – время» (у - t). При необходимости эти графики могут быть построены в координатах «усилие в элементе – время».

Номинальное напряжение - напряжение, отнесенное к неослабленному сечению и определяемое по элементарным формулам, например,

σ = N / A;

σ = M / W ;

τ = Q/ A ,

в предположении равномерного распределения напряжений.

Максимальное напряжение σmax- наибольшее по алгебраической величине напряжение цикла. Напряжение растяжения считается положительным, напряжение сжатия - отрицательным.

Минимальное напряжение σmin- наименьшее по алгебраической величине напряжение цикла. Напряжение растяжения считается положительным, напряжение сжатия - отрицательным.

Размах напряжения 2σа = σmax- σmin- алгебраическая разность максимального и минимального напряжения цикла.

Амплитуда напряжения (или переменная составляющая напряжения цикла) равна половине размаха напряжения цикла

σа = 0,5(σmax- σmin).

Среднее напряжение (или постоянная составляющая напряжения цикла) - алгебраическое среднее максимального и минимального напряжений цикла

σm = 0,5(σmax+ σmin).

Повторное нагружение с любым типом цикла можно представить себе как наложение симметричного цикла с амплитудой σана статическое напряжение, равное по величине среднему напряжению цикла σm.

Коэффициент асимметрии цикла - отношение наименьшего по абсолютной величине напряжения цикла к наибольшему с учетом их знаков. Значения коэффициентов асимметрии для всех возможных типов нагрузки находятся в пределах от R = +1 до R = -1.

Коэффициент амплитуды цикла А характеризует соотношение переменной σаи постоянной σmсоставляющих цикла A = σa / σm= (1-R)/(1+R). При значении σа = 0 нагрузка приобретает характер статической, при σm= 0 нагрузка имеет симметричный знакопеременный цикл.

Рис. 4.15. Разновидности циклов нагружения

Кривая усталости и предел выносливости. Эти понятия рассмотрим совместно, так как они являются прямым отображением и результатом экспериментальных испытаний и объективно связаны между собой.

Одной из основных целей усталостных испытаний является оценка сопротивления образцов (элементов, соединений и др.) разрушению при воздействии циклической (повторно-переменной) нагрузки.

Усталостные испытания проводят с применением специальных испытательных машин, которые позволяют исследовать усталостную прочность образцов различных форм и размеров в широком диапазоне типов нагрузки и частот циклов воздействия. Проводят также натурные испытания конструкций, которые дают наиболее ценные данные. Но они очень длительны и дорогостоящи.

Для построения кривой усталости и получения достоверной информации о сопротивлении материала усталостному разрушению при каждом из вариантов условий усталостных испытаний необходимо не менее 9-10 однотипных образцов. При увеличении числа образцов в серии достоверность информации увеличивается.

Кривая усталости (диаграмма σ - N), приведенная на рис 4.16, является наиболее распространенной формой представления результатов лабораторных испытаний.

Рис. 4.16. Кривая усталости (Велера) как графическое изображение данных

лабораторных усталостных испытаний серии однотипных

образцов в координатах σ_max - N

Каждая из точек, по которым строится кривая усталости, представляет собой результат усталостных испытаний до разрушения одного образца (из однотипных) при заданной величине σmaxцикла нагружения, тип которого выбран заранее и который выдерживается неизменным при испытании всей серии (R = const).

Усталостные испытания проводят с постепенным понижением величины σmaxдля каждого очередного образца, которые испытываются до разрушения. Когда последние образцы серии выдерживают, не разрушаясь, определенное, наперед заданное количество циклов нагружения, испытания прекращают. Это заданное количество циклов называют базой испытаний. Для стальных образцов (элементов, соединений) база принимается равной (в среднем) 2·10⁶ циклов. Эта величина базы выбрана не случайно. Специальными усталостными испытаниями установлено, что стальные образцы (элементы, соединения), выдержавшие 2·10⁶ циклов нагрузки без появления трещины усталости, могут работать и дальше, сохраняя свою несущую способность и целостность при воздействии сколько угодно большого (предположительно) числа циклов нагрузки. Обращаем внимание, что такими удивительными свойствами обладают не все конструкционные материалы, а только стали и титановые сплавы.

Величину максимального напряжения цикла σmax, ниже которой образец (элемент, соединение) может работать, не разрушаясь, сколько угодно долго, т.е. при воздействии любого числа циклов нагрузки (от 2·10⁶ и выше), принято называть истинным пределом выносливости и обозначать символом σ_R, где R - коэффициент асимметрии цикла.

Предел усталости σ_R является единственной объективной мерой оценки сопротивления материала (элемента, соединения) усталостному разрушению.

При построении кривой усталости по оси ординат откладывают величину σmax, по оси абсцисс - количество циклов нагрузки N, которое образец выдержал до разрушения. Сама кривая усталости занимает среднее положение в поле экспериментальных точек, очерчивая только корреляционную зависимость величин σmaxи Ni.

Как видно на рис. 4.16, правый участок кривой усталости выходит на горизонтальную прямую, ордината которой равна среднему значению предела выносливости σ_R. Выход на горизонтальную прямую происходит, как уже отмечено, при N = 2·10⁶ циклов.

При графическом изображении в логарифмических (lg σ, lg N) или полулога­рифмических координатах (σ, lg N) кривые усталости сварных соединений могут быть представлены в виде двух прямых: одной — круто падающей и другой — горизонтальной. После перелома происходит некоторое дальнейшее понижение долговечности с возрастанием числа циклов, но для практических целей им обычно пренебрегают. В качестве примера на рис. 4.17 приведены кривые усталости сварных образцов сечением 200 X 26 мм со стыковыми и с фланговыми швами. Испытания соединений проводились на базе 100 млн. циклов.

Рис. 4.17. Кривые усталости в полулогарифмических координатах сварных соединений на базе 100 млн циклов; 1 – нахлесточное с фланговыми швами; 2 - стыковое

Долговечность. N - число циклов нагружения, которое образец выдержал до разрушения (при заданных условиях испытания).