Амплитуды деформации

В области концентраторов напряжений и участках с разными механическими свойствами реализуется объемное напряженное состояние. Анализ литературных данных показывает, что долговечность при малоцикловой усталости существенно зависит от схемы напряженного состояния. При переходе от одноосного к двухосному напряженному состоянию долговечность снижается до 30%. Долговечность металла при тст = 1,0 (сферические сосуды) примерно в два раза меньше долговечности металла при ma = 0. Однако при использовании, вместо главных деформаций sa - 89 (89 - окружная деформация сосуда) интенсивности деформации EI (при расчете амплитуды деформаций) кривые долговечности практически совпадают.

получается наибольшая амплитуда, если же знак меняется, то амплитуда падает до нуля. В рассматриваемом случае стержня со свободными концами, как следует из сказанного, импульсы скоростей на концах будут иметь наибольшую величину по сравнению с импульсами во всех других сечениях (так как скорости, отражаясь, не изменяют направления), а импульсы деформаций на концах будут обращаться в нуль (так как деформации при отражении меняют свой характер — из сжатия превращаются в растяжение и наоборот). Поэтому и амплитуды всех гармоник скоростей на концах стержня должны достигать максимума, а амплитуды всех гармоник деформаций на концах стержня должны падать до нуля. Эти требования будут выполнены, если амплитуды скоростей распределяются по косинусу, а амплитуды деформаций — по синусу и в выражении (18.8) ф„ = 0.

Виброустойчивость. Увеличение рабочих скоростей в различных машинах приводит к появлению вибраций. Под в и б р о у с -тойчивостью понимают способность машины или прибсра работать в заданном режиме вибрации. Поэтому увеличение жесткости деталей и конструкции механизма с целью уменьшения деформаций должно осуществляться с учетом явления вибрации. Вибрации влияют на точность механизма, вызывают «размыв» стрелки приборов, изменяют величину потерь на трение, а иногда приводят к усталостным поломкам деталей. Особую опасность представляют случаи резонанса, когда частота внешних периодических сил совпадает с собственной частотой свободных колебаний механизма, и амплитуды деформаций значительно возрастают.

Изменение амплитуды напряжений при жестком нагружении, как и изменение амплитуды деформаций при мягком нагружении, в процессе циклических испытаний определяется свойствами материала. Для одних материалов (алюминиевые сплавы, титан и низкопрочныг а-сплавы на его основе, некоторые конструкционные стали) ширина петли гистерезиса при мягком деформировании по мере нарастания количества циклов уменьшается, а амплитуда напряжений при жестком нагружении увеличивается. Для этой группы материалов характерно повышение предела пропорциональности с увеличением количества циклов нагружения, в связи с чем такие материалы относят к группе циклически упрочняющихся. Для других материалов (например, теплостойкие стали, чугуны, высокопрочные титановые а и (ос + 0) -сплавы) наблюдается обратная картина: при мягком нагружении ширина петли гистерезиса увеличивается, а при жестком нагружении амплитуда напряжения снижается. Сопротивление деформированию для этой группы материалов с увеличением количества циклов уменьшается, а вся группа материалов относится к типу циклически разупрочняющихся. И, наконец, ряд материалов (аусте-нитные стали, конструкционные стали средней прочности, некоторые титановые сплавы) не изменяют сопротивления деформированию при циклическом нагружении, форма диаграмм деформирования остается практически неизменной, а сами материалы относятся к циклически стабильным. На рис. 47 приведен характер изменения диаграмм при жестком и мягком нагружении описанных групп материалов.

Накопление деформаций при том или ином виде нагружения зависит от степени жесткости нагружения. При жестком цикле нагружения накопление регистрируемых пластических деформаций ограничено самими условиями проведения испытаний. Различные виды нагружения определяют и отличающиеся типы разрушений, возникающие при знакопеременном упругопластическом деформировании. При мягком нагружении с высоким уровнем напряжений возникает квазистатическое разрушение, близкое по характеру к статическому. При жестком нагружении независимо от уровня амплитуды, деформаций разрушение начинается с образования поверхностных трещин при последующем их подрастании до критической длины. В реальных условиях накопление деформаций и изменение напряжений могут занимать промежуточное положение между мягким и жестким видами нагружении, а разрушение может носить смешанный характер. Анализ условий эксплуатации и случаев разрушения различных конструкций показывает, что основной причиной, вызывающей возникновение трещины, является циклическое изменение напряже-

Наиболее распространены и более соответствуют массовым условиям службы деталей конструкций в эксплуатации испытания с заданным размахом нагрузки. Однако имеются практически важные случаи, когда процесс усталостного разрушения определяется условиями постоянства амплитуды деформаций (шатунно-кривошип-ные механизмы, подкладки рельсовых скреплений, деформация которых ограничена высотой пазухи в железобетонной шпале, термические напряжения в защемленных деталях тепловых агрегатов и др.). Также возможен промежуточный тип нагружения, когда ограничение деформации наступает после более или менее длительной работы при заданном размахе нагрузки, например после появления трещины, или же при непостоянном циклическом режиме, когда имеются ограничители деформаций (например, ограничители деформаций в автомобильных рессорах и др.).

Примечание. SE — значение среднего квадратичного отклонения случайной амплитуды деформаций; х —параметр иррегулярности, равен отношению среднего числа нулей процесса к среднему числу экстремумов.

В работе [108] сообщается о результатах испытаний цилиндрических сосудов из низколегированных сталей марок А-201, А-302 и Т-1. Диаметр сосудов 900мм, толщина стенки 50 мм. В процессе повторных нагружении внутренним давлением на внутренней поверхности цилиндрической оболочки и около патрубков измерялись деформации. Было обнаружено перераспределение амплитуды деформаций в зонах концентрации напряжений, которое происходило в течение только первых десяти циклов нагружения, что-связано с изменением циклических упругопластических свойств материалов. В дальнейшем деформирование в зоне концентрации соответствовало жесткому типу нагружения. Разрушение происходило, как правило, в местах наибольшей концентрации напряжений в диапазоне от 3000 до 90 000 циклов нагружения с образованием трещин, через которые возникла течь, давление в сосуде при этом падало.

Принято считать, что коррозионная усталость при высоких уровнях амплитуды деформаций и напряжений (область ограниченной выносливости) обусловлена главным образом механическими процессами, а при низких уровнях — коррозионными. Следовательно, при высоких уровнях деформаций и напряжений действие коррозионной среды будет проявляться в той мере,в какой она влияет на развитие механических процессов.

В этих формулах еа и уа — амплитуды деформаций; Ден и Дун — неупругие деформации за цикл; D — удельная энергия, необратимо рассеянная за цикл; &ф — коэффициент формы петли гистерезиса. В случае неоднородного напряженного состояния в приведенных выше формулах, как уже отмечалось, использовались действительные значения напряжений и неупругих деформаций.

По величинам деформаций и напряжений в /с-полуцикле устанавливаются амплитуды деформаций и напряжений

Согласно [64], расчет коррозионно-усталостной долговечности магистральных нефтепроводов проводился в рамках модели Коф-фина — Мэнсона в виде (5.1) с учетом поправки на упругую составляющую амплитуды деформации (<т.,/Е, где ст., - предел выносливости, который в соответствие с известными эмпирическими соотношениями был принят равным 0,5 ств). При этом рассчитанное число циклов до разрушения трубы составило N = 6 254. Следует отметить, что, согласно современным представлениям о долговечности магистральных нефтепроводов, эксплуатирующихся в условиях коррозионно-усталостного нагружения, расчетное число циклов до разрушения должно составить около 12 000 циклов (при среднестатистической частоте малоциклового усталостного нагружения, равной около одного цикла в сутки, и нормативном сроке эксплуатации нефтепровода, равном 33 годам) [64]. По данным Урало-Сибирского управления магистральных трубопроводов такая, по порядку величины, цикличность сохраняется и в настоящее время, несмотря на изменение режимов перекачки (часть трубопроводов эксплуатируется в режиме недогрузки). При расчете на прочность, как это отмечено выше, СНиП 2.05.06-85 не оговаривает меру использования несущей способности трубопроводов в условиях коррозионной усталости. Другими словами, в действующем СНиП 2.05.06-85 наряду с отсутствием расчета магистральных трубопроводов, эксплуатирующихся в условиях усталости, не приводится величина максимально допустимого уровня кольцевых растягивающих напряжений, определяемого в мировой практике как отношение напряжения в стенке трубы к пределу текучести стали. Исходя из полученного выше результата возникает необходимость в определении максимально допустимого значения этого отношения для реализации установленного ресурса нефтепровода в условиях коррозионно-усталостного нагружения. Это может быть достигнуто на практике путем снижения давления в трубопроводе, увеличением толщины стенки трубы или. применением стали с более высокой группой прочности. Однако в практике эксплуатации действующих трубопроводов для уменьшения упругопластических деформаций до определенного уровня, обеспечивающего реальную коррозионно-усталостную долговечность нефтепровода с учетом

амплитуды деформации,

Циклическое упругопластическое деформирование приводит к накоплению пластических деформаций, зависящему от количества циклов нагружения и амплитуды деформации в каждом цикле. Это накопление может быть односторонним, монотонно нарастающим по мере увеличения количества циклов или не приводящим к однонаправленному росту деформаций. Характер протекания пластических деформаций зависит от условий передачи нагрузки на деформируемый элемент, жесткости сопрягаемых деталей, а также от свойств материала. Накопление деформации при упруголластич'еском деформировании металлов с низкой частотой приводит к появлению трещин и, в конечном счете, к разрушению конструкций при малоцикловом (несколько сотен или тысяч циклов) и при многоцикловом (107 — 10' циклов) нагружении. Закономерности деформирования и разрушения металлов при малоцикловых и многоцикловых испытаниях имеют ряд различий.

В исследованиях армко-железа была показана зависимость стадийности роста трещины от уровня полной амплитуды деформации et [ИЗ]. Скорость деформации 5-Ю"3с"1 была реализована на круглых образцах диаметром 8 мм с концентратором глубиной 0,4 мм. Были исследованы два уровня полной деформации: (а) — 6-Ю"3 и (б) — 10~3. Общая закономерность

тока I типа П-11 с независимым возбуждением. На вал двигателя насажен кривошип 2 с втулкой 3, которая позволяет путем поворота ее относительно эксцентрика регулировать величину амплитуды деформации от 0 до 4 мм. Гайка * и болт 5 служат для фиксации и выпрессовки втулки при регулировке эксцентрика. В зависимости от вида испытания (растяжение или изгиб) движение кривошипа через шатун 6 передается либо1 на планшайбу 7, к которой крепится подвижной захват 8 приспособления для изгиба образца 9, либо на 'захват 10 приспособления для растяжения образца //. Неподвижные захваты 12 и 13 соответственно крепятся к кронштейнам 14 и 15, установленным на плите 16. Предварительное растяжение образца осуществляется при помощи тяги 17 гайкой 18. Датчиком силоизме-рителя служат резисторы, наклеенные на шатун. Для создания трещин в хрупких материалах пользуются микрометрическим винтом 19, предотвращающим спонтанное разрушение образца.

Для стабилизации амплитуды деформации используют задающие генераторы, а также создают автоколебательные системы с электромагнитными или электромеханическими датчиками обратной связи.

ния образца, включают систему стабилизации и периодически контролируют амплитуду деформации в процессе испытания. Для сохранения постоянства амплитуды деформации в процессе усталостных испытаний автоматически изменяют электрические параметры машины.

Машина112 для испытания на усталость с электромагнитным возбуждением колебаний характеризуется тем, что создает высокие значения амплитуды деформации при обеспечении стабилизации заданной амплитуды колебаний до разрушения образца.

В зависимости от типа материала, вида напряженного состояния, характера нагружения и уровня деформаций разрушение может быть обусловлено накопленным усталостным повреждением, накопленной деформацией или их совокупностью. В связи с этим необходимо измерять как величину суммарной односторонней накопленной деформации, так и изменение амплитуды деформации при каждом цикле нагружения i[83]. Для исследования циклически упрочняющихся материалов наиболее эффективен метод оптически чувствительных покрытий, а также метод тензометрии (при величине деформации в первом полуцикле ^ 1 %). Для измерения перемещений в зоне вершины трещины рекомендуется метод оптической интерференции, причем величина исходной деформации должна быть ^ 1 %.

испытаниях. В зависимости от размаха амплитуды деформации разрушение образцов при испытании в режиме высокотемпературной малоцикловой усталости происходит по разным механизмам.

где еэ и аэ — эквивалентные амплитуды деформации термоцикла и напряжение ползучести по теории прочности [111]; с, A, k, n —постоянные, определяемые по стандартным испытаниям на термическую усталость и длительную прочность; ас — экспериментально определяемый коэффициент суммирования.