24.14. Испытания при циклических нагрузках

В практике большинство разрушений деталей и элементов конструкций, в частности сварных, происходит под действием динамических нагрузок. Подобные разрушения наступают после определенного числа циклов нагружения, причем номинальные напряжения в металлах не превышают статического предела упругости. Это явление называется усталостью, а вызванное им разрушение – усталостным. При таком виде нагружения происходят процессы, обуславливающие необратимые изменения в металле, которые и приводят к полному разрушению.

Основные термины и определения, относящиеся к методам испытаний металлов и сплавов при циклических нагрузках, приведены в ГОСТ 2320778 и 1732578 (с учетом рекомендаций ИСО/Р 373).

Усталость – процесс постепенного накопления повреждений металла под действием переменных напряжений, приводящих к изменению структуры, свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению изделия.

Сопротивление усталости (циклическая прочность, усталостная прочность) это способность металла противостоять усталостному разрушению.

Усталостная трещина  трещина, возникшая под действием переменных напряжений (циклических нагрузок).

Скорость роста усталостной трещины – отношение приращения длины усталостной трещины к интервалу времени.

Усталостное разрушение основного металла и сварного соединения происходит вследствие распространения усталостной трещины.

Усталостный излом возникает при усталостном разрушении под действием знакоперемен-ных или циклических нагрузок.

Долом в усталостном изломе – часть усталостного излома, возникшая в завершающей части разрушения из-за превышения прочности металла в оставшемся сечении.

Малоцикловая усталость это процесс постепенного накопления повреждения металла под действием высоких переменных напряжений и малого числа циклов нагружения.

Многоцикловая усталость – усталость металла, при котором усталостное повреждение или разрушение происходит в основном при упругом деформировании.

База испытаний это предварительно задаваемая наибольшая продолжительность испытаний на усталость (по числу циклов).

Предел выносливости (предел усталости) – максимальное по абсолютному значению напряжение цикла, при котором еще не происходит усталостное разрушение до базы испытания (заданного числа циклов).

Испытания на усталость проводят при растяжении–сжатии, изгибе и кручении:

- при симметричных и асимметричных циклах напряжений или деформаций;

- при наличии или отсутствии концентраторов напряжений;

- при комнатной, повышенной и пониженной температурах;

- при наличии или отсутствии агрессивной среды;

- в много- или малоцикловой упругой и упругопластической области.

Испытания на усталость (в соответствии с ГОСТ 25.50279)

Для испытаний на усталость применяются различные виды испытательных машин. По виду нагружения их разделяют на испытательные машины для циклического растяжения – сжатия, изгиба и кручения.

Эти машины должны обеспечивать нагружение образцов по одной или нескольким схемам, приведенным на рис. 24.39-24.42.

Испытания на усталость проводятся:

- на гладких образцах круглого сечения (рис.24.39);

- на гладких образцах прямоугольного сечения (рис.24.40 и 24.41);

- на образцах с V-образными надрезами (рис. 24.42).

- на плоских образцах с центральным круглым отверстием или боковыми надрезами.

Рабочая часть образцов должна иметь шероховатость в соответствии с ГОСТами 2534782 и 278973.

Методика испытаний изложена в ГОСТ 25.50279. Испытания при повышенных и пониженных температурах проводят при тех же видах деформаций и на тех же образцах, что и при комнатной температуре. Температура образцов контролируется с помощью термопар. Нагружение образцов производят после установившегося теплового режима системы образец – печь при достижении образцом заданной температуры.

Испытания в условиях агрессивной среды проводят при тех же видах деформации и на тех же образцах, что и при ее отсутствии. При этом образец непрерывно находится в указанной среде.

Рис. 24.39. Рабочая часть образцов типов I и II для испытания на усталость; Схема приложения нагрузки, а – растяжение с кручением и изгибом. d  диаметр образца в проточке, мм.

Рис. 24.40. Рабочая часть образца типа III для испытания на усталость. Схема приложения нагрузки: а – растяжение с изгибом; б – изгиб; h  толщина образца, мм; b  ширина образца в проточке, мм.

Рис.24.41. Рабочая часть образца типа IV. Схема приложения нагрузки – растяжение с изгибом; h  толщина образца, мм; b  ширина рабочей части образца, мм; l длина рабочей части образца, мм.	Рис. 24.42.Рабочая часть образца типа V. Схема приложения нагрузки – растяжение с изгибом; D  исходный диаметр образца, мм; d  диаметр образца в проточке, мм.

Испытания на малоцикловую усталость при термомеханических нагружениях в условиях повышенных температур (до 1100 С) на воздухе проводятся в соответствии с ГОСТ 25.50585.

В качестве основных приняты методы испытания при независимом нагружении и нагревании (термомеханическая усталость), а также при нагружении в сочетании с тепловыми деформациями (термоусталость).

Малоцикловая усталость при термомеханическом нагружении – разрушение в результате циклического упругопластического деформирования, сопровождаемого изменением температуры.

Малоцикловая усталость – частный случай малоцикловой термомеханической усталости, при которой нагружение обусловлено стеснением тепловых деформаций при циклическом нагреве – охлаждении.

Машины и аппаратура для испытаний при малоцикловом термомеханическом нагружении должны соответствовать ГОСТ 965184 и ГОСТ 28840-90. Температура рабочей зоны образцов изменяется термопарами или пирометрами.

Испытания проводятся на гладких образцах с рабочей частью круглого сечения:

- трубчато-цилиндрических (рис. 24.43, а) по ГОСТ 25.50585;

- сплошных цилиндрических (рис. 24.43, б);

- трубчатых корсетных (рис. 24.44, а);

- сплошных корсетных (рис. 24.44, б).

Образцы изготавливают в соответствии с требованиями ГОСТ 25.50279.

Проведение испытаний на малоцикловую усталость при термомеханическом нагружении и обработка результатов испытаний изложены в ГОСТ 25.50585.

Рис. 24.43. Рабочая часть образцов для испытания на малоцикловую усталость:

а – трубчато-цилиндрический образец; б – сплошной цилиндрический образец; d  диаметр рабочей части образца, мм; d₁  внутренний диаметр трубы, мм; l  длина рабочей части образца, мм.

Рис. 24.44. Рабочая часть образцов для испытания на малоцикловую усталость:

а – трубчато-корсетный образец; б – сплошной корсетный образец; d  диаметр образца в проточке, мм; d₁  внутренний диаметр образца, мм.