Амплитуда деформации

Амплитуда деформаций определяется по известному значению КЕ, номинальным деформациям ен и напряжениям ст.,:

Точки, в которых амплитуда скорости того или иного нормального колебания обращается в нуль, — это уже знакомые нам узловые точки, или, точнее, узлы скоростей данного нормального колебания. Точки, в которых амплитуда деформаций того или иного нормального колебания обращается в нуль, называются узлами деформаций данного нормального колебания. Точки же, в которых амплитуда скоростей или деформаций того или иного нормального колебания достигает максимума, называются пучностями соответственно скоростей или деформаций данного нормального колебания.

При циклических испытаниях вид нагружения может быть жестким и мягким. Под жестким понимают такое нагружение, при котором в qpouecce испытаний амплитуда полной деформации сохраняется постоянной, а уровень напряжений — величина переменная, которая может изменяться от цикла к циклу. Под мягким нагружением понимают такой режим испытаний, при котором постоянной является амплитуда напряжений, а амплитуда деформаций может изменяться.

Расчетные значения максимальной и минимальной деформации цикла для первых четырех элементов решетки у вершины усталостной трещины различной длины, полученные в результате анализа первого знакопеременного цикла, показали, что для трещины небольшой длины минимальные деформации цикла являются сжимающими. Однако с ростом трещины они становятся растягивающими. Для каждого из четырех элементов у вершины трещины были найдены зависимости амплитуд деформаций от длины трещины, имеющие явно выраженный минимум: амплитуда деформаций в области у вершины трещины :на первой стадии ее развития уменьшается и, достигнув минимума, увеличивается с дальнейшим ростом трещины.

где A.F — амплитуда деформаций (в данном случае углов закручивания), то для такой деформации необходим момент

Как правило, в основу принципа действия испытательных машин для изучения малоцикловой усталости положен жесткий вид нагруже-ния, т.е. когда контролируемым параметром циклического нагружения является амплитуда деформаций.

В качестве примера на рис. 2 приведены осциллограммы деформаций вынужденных и собственных колебаний, записанных тен-зодатчиком 2ШР2 (осциллограммы а, б, в, г, д) и тензодатчиком ЗШР9 (осциллограмма е), при различных состояниях индуктора при токе /и=3400 а. Анализ осциллограмм показал, что в зависимости от состояния индуктора не только уменьшаются деформадии, но и изменяется их характер. В свободном состоянии индуктора (рис- 2, а) осциллограмма деформаций имеет ярко выраженный период неустановившихся колебаний, характеризуемый соотношением частот вынужденных и собственных колебаний. В результате сложения собственных и вынужденных колебаний происходит биение, частота которого равна разности частот слагаемых колебаний индуктора и составляет величину 22,5 гц. Двойная амплитуда деформаций в начальный момент после включения индуктора, обусловленная собственными колебаниями, составляет 78,5% от величины двойной амплитуды деформаций, вызываемых электродинамической нагрузкой. Время переходного процесса после включения составляет 0,49 сек. Отношение двойной амплитуды деформаций в момент включения к двойной амплитуде деформаций в установившемся .режиме работы свободного индуктора достигает 5. Сравнительно большое время переходного процесса говорит о

При повторных нагружениях постоянным пульсирующим циклом (авп = 0,7 0Т) амплитуда деформаций в процессе 4—6 циклов уменьшается на 5—7%, после чего наступает практически полная стабилизация деформированного состояния. Уровень напряжений к 5—6-му циклу нагружения возрастает примерно на 10—12% (пунктирные кривые на рис. 7.6), а затем стабилизируется. Обусловлено это тем, что материал оболочки — циклически стабилизирующаяся сталь МСт. Зсп; кроме того, пластическая зона весьма локализована и подвержена сдерживающему влиянию упругодеформированной оболочки и патрубка.

где ea — амплитуда деформаций (пластических и упругих) цикла; Afp — число циклов нагружений фланца до разрушения; \э— относительное сужение площади поперечного сечения стандартного образца из материала фланца; a_lp — предел выносливости при симметричном цикле напряжений стандартного образца из материала фланца.

Испытания на малоцикловую коррозионную усталость сварных соединений проводились на плоских образцах размером 480x38x11 мм на усталостной машине (рисунок 6) по схеме чистого изгиба. В основу принципа действия испытательной машины для изучения малоцикловой усталости положен жесткий вид нагружения - контролируемым параметром циклического нагружения является амплитуда деформаций.

Допускается проводить нагружение базовых образцов знакопеременным изгибом (г= — 1), при этом в пределах размеров готовых образцов (в месте надреза) амплитуда деформаций не должна различаться более чем на 10%. Надрез на ударном образце следует располагать в месте наибольшего значения амплитуды деформаций.

Деформация на образце создавалась усталостной машиной по схеме чистого изгиба при отнулевом цикле нагружения. наиболее полно отражающем условия работы металла труб вблизи концентраторов напряжений (сварные соединения). Амплитуда деформации - 0,23%. Выбор указанного уровня деформации связан с наличием помимо сварных соединений других концентраторов напряжений на поверхности реальных труб (вмятины, царапины, риски и др.), в которых, в соответствии с результатами проведенных исследований (см. рис. 25), наблюдается высокая механохимическая активность стали в указанной среде при напряжениях, превы-

Таким образом, нестационарность нагружения усиливает МХЭ на порядок и более. Очевидно, что чем меньше амплитуда деформации, тем ниже динамический МХЭ. При

Таким образом, нестационарность нагружения усиливает МХЭ на порядок и более. Очевидно, что чем меньше амплитуда деформации, тем ниже динамический МХЭ. При упругом деформировании - '- = 1. Однако из это-

Рис. 5. Параметры петли механического гистерезиса (а) и кривая усталости в координатах амплитуда деформации - число циклов нагружения (б)

Основным требованием к испытаниям на коррозионную усталость является проведение их в условиях, максимально приближающихся к условиям службы металла в конструкциях. Не рекомендуется для ускорения испытаний применять среды, отличающиеся большой коррозионной активностью, так как это может изменить механизм развития коррозионно-усталостных процессов. Это относится и к виду нагру-жения. при котором проводят испытания. Возможно мягкое нагружение, когда в процессе всего испытания постоянными являются действующие напряжения и жесткое нагружение, когда в течение всего испытания сохраняется неизменной амплитуда деформации.

Технологические режимы включают обычно холодную обработку, с возвратом, циклическую обработку, крип или горячую обработку с динамическим и статическим возвратом [262,275]. С увеличением степени деформации в каждом из них, исключая возврат, наблюдаются повышение плотности дислокаций и перестройка дислокационной структуры, приводящая, в конечном итоге, к образованию ячеистой структуры, изменение размеров которой имеет тенденцию к насыщению [9].. Напряжение течения обычно пропорционально \^р независимо от степени развития ячеистой структуры Более того, дислокационные ячейки (субзерна) увеличиваются, плотность дислокаций в них уменьшается^ границы ячеек (субзерен) становятся более узкими и упорядоченными,, когда изменяется любой из следующих факторов — температура и время деформации увеличиваются, а напряжение, скорость и амплитуда деформации уменьшаются [9, 275].

Рис. 106. Малоцикловая усталость трубных сталей (в — амплитуда деформации, N — число циклов до разрушения):

где во —амплитуда деформации; ее+ер—полная деформация при статическом разрушении; ?Пл — температура плавления сплава; тр — время до разрушения при стационарном действии напряжения, равного по величине термическому напряжению.

Необходимо отметить, что указанные факторы — амплитуда деформации, длительность и максимальная температура цикла—являются основными, но не единственными параметрами, определяющими вид разрушения. Не изменяя в целом вид диаграммы, границы областей, характеризующих разрушения различного вида, можно сдвигать в ту или иную сторону для учета воздействия технологических и эксплуатационных факторов (например, 'способа и режима выплавки металла, влияния среды, защитных покрытий). Так, вакуумная выплавка никелевого сплава существенно повышает прочность границ зерен, вследствие чего при одних и тех же условиях нагружения смещается область величин сре, (ft, срт, в которой разрушение происходит по границам зерен. Наоборот, пр'и активном повреждении границ зерен, например при эксплуатации в газовых средах или при склонности материала к межкристаллитной коррозии, разрушение от термической усталости почти всегда начинается по границам зерен; следовательно, в этом случае уменьшаются области А и Б на рис. 58 (по границам зерен развивалось разрушение при нагружении стали 12Х18Н9Т при imax=7500C; тв=1,5 и 10,7 мин). Изменение температуры заливки металла в форму влияет на величину зерна; уменьшение размера зер«а также создает более благоприятные условия для развития трещин по границам зерен.

Медь имеет физический предел выносливости, достигаемый на большей базе нагружений, чем сталь. Например, предел выносливости, определенный на образцах диаметром 4 мм из отожженой (850 °С, 1 ч в вакууме) меди чистотой 99,95 % (ав = 241 МПа; а0,2=23 МПа; ф = 67 %) при частоте циклов нагружения 17,7 кГц, был достигнут только после 9,8-109 циклов нагружения [19]. Амплитуда деформации, соответствующая пределу выносливости, оказалась равной 3,8-10~4. В этом случае достижение физического предела выносливости связано с деформационным упрочнением материала, обусловливающим остановку развития усталостных трещин. Действительно, испытания в тех же условиях образцов, упрочненных растяжением на 15 %, показали, что предел выносливости не достигается для них даже на базе испытаний больше 1010 циклов нагружения.

Сами по себе полученные сведения об изменении амплитуды деформации с ростом усталостной трещины в вершине концентратора напряжений еще недостаточны для определения возможности развития трещины. Необходимо ввести критерий разрушения, увеличение которого соответствовало бы условию дальнейшего роста трещины. Таким критерием может быть предельная амплитуда деформации Лепр. Эта предельная деформация должна достигаться не только у самой вершины трещины, но и на некотором расстоянии от нее. Это условие аналогично «структурному размеру», введенному Нейбером, или «характерному размеру», используемому другими исследователями. В качестве критической амплитуды деформации можно принять