К.т.н.
Вольчев А.В.
Одесский
национальный морской университет
Суммирование коррозионно-усталостных повреждений
В настоящее время установлено, что в
реальной области долговечностей материалы и детали машин, работающие в
коррозионных средах, не имеют физического предела выносливости. Оценку
сопротивления деталей машин совместному действию циклических напряжений и
коррозионной среды осуществляют по левой ветви кривой усталости, которая в
логарифмических координатах 
может быть описана
уравнением прямой, соответствующей степенному уравнению
, (1)
где σ и
N —
соответственно текущие напряжение и долговечность (число циклов) до разрушения;
m и С —
параметры (угловой коэффициент и начальная абсцисса в координатах ).
Время разрушения циклически нагружаемых
деталей определяется уровнем и частотой нагружения. Однако в эксплуатации
нагрузка и частота ее приложения не остаются постоянными, поэтому возникает
вопрос об оценке суммирования повреждений как в связи с колебанием уровня
нагрузки (нерегулярностью нагрузки), так и в связи с изменяющейся частотой ее
приложения (нерегулярностью частоты приложения нагрузки), а зачастую в связи с
тем и другим (нерегулярностью нагружения по интенсивности и частоте).
Сумму a накопленных
повреждений от нагрузок разного уровня в общем случае вычисляют как
(2)
де
— суммарная долговечность (число циклов за весь срок службы
или наработка) при нерегулярном нагружении; dn — элементарная наработка при действии
напряжения 
, закон изменения которого принимается заданным или известным;
N — долговечность при напряжении регулярного режима
нагружения, определяется по уравнению N() средневероятной кривой усталости.
При испытаниях в воздухе (считается, что
воздух – инертная среда, материал имеет предел выносливости) необходимо [2 - 4] разделить спектр нагрузок на повреждающие и неповреждающие нагрузки.
Уравнение коррозионной усталости (1) в связи с отсутствием
физического предела выносливости охватывают весь интервал напряжений, что дает
право при суммировании коррозионно-усталостных повреждений исключить ограничения,
связанные с делением спектра напряжений (нагрузок) на повреждающие и неповреждающие.
части.
То или иное распределение напряжений от
внешних нагрузок можно свести к дискретному закону с k ступенями подобно тому как гистограмму
опытных наблюдений, имеющих k интервалов, можно описать математическим выражением. Это
позволяет условие (2) свести к сумме относительных долговечностей
(3)
где 
— наработка на уровне 
, а 
— долговечность на том же уровне регулярного режима (по
кривой усталости).
Сумма a как мера предельного
повреждения не поддается строгому экспериментальному определению: нельзя один и
тот же объект испытать много раз (при нерегулярном режиме и на k уровнях регулярного режима нагружения).
Однако при многократном повторении опытов (большом числе наблюдений) и
стабильности усталостных свойств испытываемых объектов удается получить
достаточно устойчивую оценку этой величины [3. 5. 7]. При известном значении
суммы a подсчитать среднюю долговечность при
нерегулярном нагружении можно по приближенной формуле (3), введя в ее числитель
в качестве множителя сумму a.
(4)
где C и m – параметры кривой коррозионной усталости, 
и 
Формула (4)
является приближенной прежде всего потому, что математическое ожидание 
долговечности как случайной величины связано с рассеянием долговечностей N.
[2, 6]. Сама же величина a может принимать различные значения [1, 5], хотя обычно ее полагают равной единице,
как и принято в формуле (4).
Исследованию меры предельного повреждения
посвящены многие исследования. Однако применительно к коррозионной усталости
исследования ограничены. Поэтому представляло интерес проверить
экспериментально, сколь существенно могут отклоняться от единицы ее значения
при разной коррозионной стойкости материала детали. Для этого были проведены
испытания образцов из стали 45 и 08Х18Н10Т, подвергавшимися регулярному и
блочному нерегулярному нагружению в морской воде при симметричном изгибе с
частотой 47 Гц. Нерегулярный режим был двухступенчатым с объемом блока 
циклов и отношениями 
, от 0,57 до
0,80 и 
от 0,05 до 0,5.
По результатам испытаний образцов при
регулярном и нерегулярном нагружениях пользуясь методом наименьших квадратов, строили
кривые усталости согласно уравнению (1), т.е. находили параметры m и С линейной зависимости между 
и 
и 
и 
. Полученные
таким образом уравнения рассматривали
как уравнения средневероятных кривых усталости. По уравнениям 
и определяли долговечности . По уравнениям 
вычисляли суммарные долговечности и их доли, приходящиеся на максимальное
и минимальное 
напряжения спектра: 
и 
. По относительным долговечностям 
находили суммы в
соответствии с формулой (3). Так как при построении кривых усталости на каждом
уровне напряжения испытывали несколько
образцов, то суммы a оценивали еще и для каждого образца. Пределы
изменения сумм a, в наихудших случаях отклоняются от
единицы в ту или иную сторону не более чем в два раза, что, в общем, заметно
меньше тех отклонений, которые наблюдаются при испытании материалов и конструкций
в нейтральных средах [3, 4]. Иными словами, результаты проведенных опытов подтверждают ранее
наблюденные закономерности, состоящие в том, что при переходе от менее
агрессивной среды к более агрессивной рассеяние долговечностей проявляет
тенденцию к уменьшению [1, 2 , 6].Колебания сумм a, (средних
по уровням напряжений) существенно меньше, чем отдельных их значений. Эти суммы
отклоняются от единицы менее чем в 1,4 раза. Такие отклонения справедливо
признаются недостаточными для непринятия в инженерных расчетах линейной
гипотезы суммирования повреждений [1, 5, 6, 7]. Тем более, что положительные и
отрицательные отклонения сумм от единицы удовлетворительно чередуются и мало
отличаются друг от друга по абсолютной
величине. В среднем суммы a, близки к единице. При усреднении сумм по
всему массиву наблюдений отмечено более чем удовлетворительное подтверждение
приемлемости линейной гипотезы суммирования повреждений: суммы a почти не
отличаются от единицы. Тот факт, что суммы a нередко
несколько превосходили единицу, тем с большим основанием позволяют принимать их
в расчетах равными единице.
Литература
1. Олейник Н. В. Несущая способность элементов
конструкций при циклическом нагружении. — К.: Наук. думка, 1986. — 240 с.
2. Олейник Н. В. Сопротивление усталости морских
инженерных сооружений // Вопросы портовой гидротехники и механизации
перегрузочных работ: Сб. научн. трудов ОИИМФ. — М.: Мортехинформреклама, 1990.
— С. 55 — 57.
3. Олейник Н. В. Суммирование усталостных
повреждений в элементах конструкций, эксплуатируемых в морской воде //
Судостроение и судоремонт: Сб. научн. трудов ОИИМФ. — М.: Мортехинформреклама,
1990. — С. 110 — 118.
4. Олейник Н. В., Курочкин Л. Я.. Лапин Б. Н.
Накопление коррозионно-усталостных повреждение при меняющихся скоростях деформирования
/ Одесса, ин-т инж. мор. флота. —
Одесса, 1989. — 21с. — Деп. в объед. Мортехинформреклама 28.09.89, N 1028-мф.
5. Олійник М. В. Про лінійну гіпотезу
підсумування втомленісних пошкоджень / Одес. держ. мор. ун-т. — Одеса, 1996. — 16 с. — Деп. в ДНТБ України 21.05.96, N 1250-Ук96.
6. Расчет деталей машин на коррозионную усталость / Н.
В. Олейник, А.В.Вольчев, С. В. Бершак, Н. Р. Васильев. — К.: Техніка, 1990.—152с.
7. Dijkstra
O.D.. Vaessen G. The fatique behaviour of joints on jacken constructions //
Proc. 9 th Ann. Offshor. Technol. Conf.
In