Влияние перегрузок на скорость роста усталостных трещин

30 декабря 2009 года был принят Федеральный закон № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений». Согласно его требованиям в проектной документации на здания или сооружения необходимо указывать информацию о сроках эксплуатации здания или сооружения и их частей, минимальной периодичности осуществления проверок, осмотров и освидетельствований состояния строительных конструкций и (или) необходимости проведения мониторинга состояния строительных конструкций в процессе эксплуатации здания или сооружения. Поэтому разработка метода оценки срока службы конструкций является неотъемлемой частью общей проблемы обеспечения долговечности и механической безопасности зданий и сооружений.

При расчетах долговечности элементов металлических конструкций, работающих в условиях циклического нагружения, случайный эксплуатационный процесс схематизируется и заменяется блочным. Рост усталостной трещины при этом определяют путем линейного суммирования приращений длины от каждой ступени блока нагружения. Между тем в литературе имеется значительное число исследований, посвященных изучению влияния взаимодействия амплитуд нагружения разного уровня на скорость роста усталостных трещин, и предложены модели, объясняющие эффект замедления скорости роста трещины после перегрузки [1, 2, 4-9].

Анализ опубликованных работ показывает, что накопленные экспериментальные данные и теоретические модели роста трещин посвящены в основном проблеме влияния однократных или многократных (снижение циклической нагрузки) растягивающих выбросов на скорость роста усталостной трещины.

Для реального процесса нагружения характерно периодическое появление растягивающих выбросов. Имеющиеся в литературе ограниченные данные показывают, что уменьшение периода воздействия растягивающих выбросов снижает эффект задержки в развитии трещины [3].

В настоящей работе для изучения эффектов влияния интервала между перегрузками растяжения на скорость усталостных трещин были проведены усталостные испытания на внецентренно растянутых компактных образцах, изготовленных из стали ВСтЗсп. С целью ускорения зарождения усталостной трещины в вершине бокового пропила выполнялся тонкий надрез при помощи остро заточенной пилки. Регистрация приращений длины трещины в процессе циклического нагружения осуществлялась с помощью оптического микроскопа МПБ-2 с 24-кратным увеличением и ценой деления 0,05 мм. Участки боковых поверхностей образцов с обеих сторон вдоль предполагаемой траектории распространения трещины зачищались и тщательно полировались до получения зеркальной поверхности. На полированные участки боко- вых поверхностей перпендикулярно траектории роста трещины наносились тонкие индикаторные риски с шагом 5 мм. Для удобства визуального контроля роста трещины использовалась красящая жидкость. Текущая длина усталостной трещины вычислялась как среднее значение замеров с обеих сторон образца.

Нагружение образцов осуществлялось на универсальной испытательной машине ЦДМ Пу-10т. Частота нагружения составляла 7 Гц. Коэффициент асимметрии цикла регулярного нагружения R = 0,125; уровень перегрузки Ктахо1/Ктах= 1,5. Начальная длина трещины во всех образцах со ставляла 31 мм. Было испытано семь серий образцов: при регулярном нагружении, с однократной перегрузкой и повторяющимися перегрузками с периодами 30 000, 20 000, 15 000, 10 000, 5000 циклов нагружения.

На рис. 1 приведены зависимости между длинами трещин и числом циклов нагружения для всех испытанных серий образцов. Представленные результаты показывают, что минимальное число циклов до разрушения имеет место при регулярном нагружении, максимальное - в случае однократной перегрузки.

На рис. 2 показано снижение относительной

Рис. 1. График зависимости роста трещины от количества циклов нагружения при различных режимах нагружения

Рис. 2. Зависимость относительной величины задержки в развитии трещины N _p /N _t от относительной величины интервала между перегрузками N _ol /N _t

Емельянов О.В., Пелипенко М.П.

величины задержки N p /N в развитии трещины от относительной величины интервала между перегрузками N_ol/N (где N p - число циклов задержки в развитии трещины при повторении перегрузок через n циклов, N - число циклов задержки в случае однократной перегрузки, N_ol - интервал между перегрузками). Наблюдается снижение эффекта задержки с уменьшением интервала между перегрузками растяжения.

Изменение длины (а) и скорости роста трещины (б) после воздействия однократной перегрузки показано на рис. 3. В пределах зоны задержки рос

Влияние перегрузок на скорость роста усталостных трещин та трещины можно выделить несколько участков. Сразу после воздействия растягивающего выброса наблюдается резкое кратковременное ускорение в развитии трещины (участок 1-2). Затем скорость роста трещины постепенно снижается (участок 2-3), достигая минимума в точке 3. На участке 3-4 трещина развивается с постоянной скоростью. С точки 4 скорость роста трещины постепенно повышается до уровня (точка 5), который имел бы место в случае отсутствия перегрузки.

Протяженность отдельных участков в пределах зоны замедления роста трещины зависит от уровня перегрузки. Наибольший вклад в задержку

а)

б)

Рис. 3. Изменение длины (а) и скорости роста трещины (б) в пределах зоны замедления после однократной перегрузки

Рис. 4. Фрагмент зависимости длины трещины от числа циклов нагружения при воздействии перегрузок с периодом равным 10 000 циклов

роста трещины вносит участок 3-4, на котором скорость роста трещины минимальна.

При периодическом следовании выбросов, как правило, полностью реализуются участки 1-2 и 2-3. На рис. 4 показан фрагмент зависимости длины трещины от числа циклов нагружения при воздействии перегрузок с периодом равным 10 000 циклов. Штриховой линией на рисунке показано изменение длины трещины в случае воздействия однократной перегрузки. Из графика видно: чем меньше интервал между выбросами, тем выше скорость развития трещины. В случае следования выбросов с периодом меньшим чем протяженность участков 1-2 и 2-3, скорость роста трещины может оказаться выше, чем при регулярном нагружении, и эффект задержки в развитии трещины не проявится.

Выводы

• 1.    Величина интервала между растягивающими перегрузками оказывает существенное влияние на процесс развития усталостной трещины.

• 2.    Использование в расчетах долговечности моделей роста трещины, не учитывающих особенности развития трещины после воздействия перегрузок (участки 1-2 и 2-3), приводит к завышенной оценке долговечности элементов металлических конструкций.