Явление усталости металлов в конструкциях

Явление усталости заключается в постепенном разви­тии повреждения в металле при его циклическом много­кратном нагружении напряжениями, максимальное зна­чение которых превышает некоторый пороговый уровень, но остается ниже временного сопротивления. При этом скорость развития повреждения и пороговый уровень за­висят от параметров нагружения, свойств материала, гео­метрических характеристик изделия и условий эксплуа­тации или испытаний.

Процесс развития усталостного повреждения проходит ряд стадий, каждая из которых имеет свой механизм и особенности. На первом этапе цикли­ческого нагружения никаких видимых повреждений на уровне структуры материала обнаружить невозможно. На втором этапе в отдельных зернах металла появляются линии сдвига, количество которых увеличивается с ростом числа циклов нагружения. В результате этих пластичес­ких сдвигов формируются очаги повреждения, зародыши трещин, возникающие в тех зернах, в которых количество сдвигов было наибольшим. На третьей стадии происходит развитие этих субмикротрещин за счет их слияния и рас­пространения на соседние зерна. При этом образуется мик­ротрещина, которая ориентирована вдоль линии действия наибольшего касательного напряжения. Четвертая стадия связана с превращением микротрещины в макротрещину, видимую невооруженным глазом. Макротрещина меняет направление и развивается перпендикулярно к действию главного растягивающего напряжения. После достижения трещиной некоторого критического размера происходит долом, т. е. разрушение элемента в течение одного нагру­жения. Этот акт можно считать пятой стадией процесса повреждения. Относительная длительность первых четы­рех стадий не постоянна и зависит от многих факторов.

Рассмотренная выше пятиэтапная структура процесса повреждения в основном используется для разработки уточ­ненных физико-технических методик прогнозирования дол­говечности изделий. Однако для решения инже­нерных проблем удобнее весь процесс разделить на три стадии: накопление скрытого повреждения, развитие мак­ротрещины и долом. Каждая из них имеет свои существен­ные особенности и специфический аппарат описания.

Первая стадия включает период от начала нагружения до образования малой начальной макротрещины с харак­терным размером 5-10 мм. До окончания этой стадии усталостное повреждение в натурной конструкции обна­ружить практически невозможно. Исследованию этой ста­дии повреждения посвящены многочисленные эксперимен­тальные исследования, выполненные на образцах и свар­ных моделях. Эту стадию описы­вает аппарат «классической» теории усталости, базирую­щийся на уравнении усталостной кривой, диаграмме предельных напряжений и гипотезе линейного суммиро­вания повреждений. Именно этот аппарат лежит в основе всех инженерных методов расчета конструкций. Несущая конструкция должна быть спроектиро­вана таким образом, чтобы длительность первой стадии усталостного повреждения при нормальном режиме экс­плуатационного нагружения была гарантированно больше установленного (нормативного) ресурса.

Вторая стадия — развитие трещины от начального раз­мера до критического, т. е. размера, при котором наруша­ется несущая способность изделия. На этой стадии уста­лостное повреждение можно наблюдать, и известны много­численные случаи, когда конструкции продолжали рабо­тать с трещинами достаточно больших размеров (правда, иногда это заканчивалось трагически). При нормальной эксплуатации конструкции в ней не должны появляться трещины. Однако длительность второй стадии, т. е. пери­од развития безопасной трещины, можно трактовать как определенный запас живучести конструкции. Процесс раз­вития трещины достаточно хорошо изучен и описывается с использованием аппарата механики разрушения, однако до сих пор сохраняет­ся существенный дефицит данных по характеристикам трещиностойкости сталей и информации о влиянии кон­структивно-технологических факторов сварной конструк­ции на процесс развития усталостной трещины.

Третья стадия — катастрофическое развитие трещины при очередном нагружении. Это повреждение может иметь вязкий или хрупкий характер и приводит к потере несу­щей способности конструкции.

Рассмотрим результаты ис­следований и методы прогнозирования долговечности кон­струкций в пределах первой стадии усталостного повреж­дения.