Свойства усталости стали и S–N-кривые

Что на самом деле описывают характеристики усталости стали

Усталость представляет собой прогрессирующее повреждение, вызванное повторяющимися или переменными нагрузками. Деталь из стали может выдерживать статическую нагрузку, меньшую её предельной прочности при растяжении, и при этом разрушиться после тысяч, миллионов или миллиардов циклов. Каждый цикл может вызывать лишь незначительное приращение пластической деформации, скольжения, роста трещины или повреждения на поверхности, в надрезе, включении или у края сварного шва. Накопленный эффект приводит к усталостному разрушению.

Усталостная долговечность, усталостная прочность и определение разрушения

Усталостная долговечность — это число циклов нагружения, соответствующее заранее определённому событию. Это событие необходимо указывать, поскольку «разрушение» не всегда означает одно и то же при усталостных испытаниях или в расчётах конструкции. В одних испытаниях считают число циклов до полного разрушения. В других испытание прекращают, когда трещина достигает заданной длины, жёсткость снижается на установленный процент или образец больше не способен воспринимать приложенную силу.

Полезно различать три стадии:

1. Долговечность до зарождения трещины: число циклов, необходимое для образования трещины заданного размера, обычно на поверхности или в зоне концентрации напряжений. 2. Долговечность до обнаруживаемого роста трещины: число циклов от этого состояния до момента, когда при контроле трещину можно надёжно обнаружить, либо до достижения ею заданной длины. 3. Долговечность до окончательного разрушения: число циклов от обнаружения трещины до неустойчивого разрушения или утраты требуемой несущей способности.

Полированный лабораторный образец может не содержать специально введённой трещины, поэтому указанная для него долговечность может включать зарождение и распространение трещины. Оценка на основе механики разрушения может начинаться с предполагаемого дефекта и учитывать только распространение трещины. Эти результаты нельзя считать взаимозаменяемыми.

Усталостная прочность — это уровень напряжений, соответствующий заданной усталостной долговечности и критерию разрушения. Например, в отчёте об испытании может быть указано значение диапазона напряжений, вызывающего разрушение при ${10}^6$ циклах. Предел выносливости — более узкое понятие: это уровень напряжений, ниже которого выбранный образец, как ожидается, не разрушится в пределах испытанного или установленного диапазона долговечности. Он не является автоматически постоянным свойством каждой детали, изготовленной из данной стали.

[1][1] ASTM E466-21: Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials. ASTM International. 2021.

Метод «напряжение–долговечность» выражает зависимость амплитуды напряжений или диапазона напряжений от числа циклов до разрушения, обычно с использованием степенного закона типа Басквина. Федеральное управление автомобильных дорог США описывает кривые S–N для стали как графики зависимости диапазона напряжений от числа циклов до разрушения в логарифмических координатах. ISO 1099:2017 устанавливает проведение испытаний при температуре окружающей среды, постоянной амплитуде и управлении осевой силой при заданных коэффициентах асимметрии цикла. ASTM E466-21 распространяется на испытания металлических образцов без надрезов и с надрезами в воздухе при комнатной температуре при осевом нагружении с постоянной амплитудой и управлением силой. Именно эти условия определяют результат.

Коэффициент асимметрии цикла имеет значение, поскольку минимальные и максимальные напряжения влияют на раскрытие трещины, пластичность и эффекты среднего напряжения. Цикл от нулевого напряжения до растяжения не эквивалентен полностью симметричному циклу, даже если амплитуда напряжений одинакова. На измеренную долговечность также могут влиять частота нагружения, температура, коррозия и форма волны.

Чем циклическое напряжение отличается от статической прочности

Предел текучести и предел прочности при растяжении описывают сопротивление при определённых условиях монотонного нагружения. Сами по себе они не определяют усталостные характеристики. Две стали с близкими значениями предела текучести могут иметь разные кривые S–N из-за различий в чистоте металла, включениях, термической обработке, зеренной структуре, остаточных напряжениях, состоянии поверхности или характере роста трещины. И наоборот, повышение прочности не гарантирует пропорционального увеличения усталостной долговечности, если определяющим дефектом является край сварного шва, коррозионная язва, след механической обработки или другой надрез.

Обозначения марок показывают ограниченность такого подхода. Сталь ASTM A36, сталь ASTM A572/A572M Grade 50 и термически упрочнённый лист ASTM A514/A514M имеют разные установленные уровни прочности и металлургические состояния, однако для сварного элемента определяющими могут оказаться профиль сварного шва и остаточные напряжения, а не номинальный предел текучести основного металла. В сварном соединении категория усталостной прочности обычно связана с конфигурацией элемента, геометрией сварного шва, направлением напряжений и предполагаемым местом зарождения трещины.

При малом и среднем числе циклов может преобладать циклическая пластическая деформация, поэтому метод «деформация–долговечность» может быть более подходящим, чем кривая «напряжение–долговечность». При большом числе циклов номинальное напряжение может оставаться ниже предела текучести, тогда как локальное напряжение у надреза превышает значение, рассчитанное в упругом приближении. Поэтому усталость связана с повторяющимся локальным повреждением, а не просто с тем, произошла ли однократная текучесть всего поперечного сечения.

Кажущийся предел выносливости также зависит от исследованного диапазона числа циклов. В обзоре 2019 года The gigacycle fatigue strength of steels: a review of structural and operating factors сообщается, что для низкопрочных сталей часто наблюдается приблизительно горизонтальная асимптота кривой S–N, тогда как для высокопрочных сталей после примерно ${10}^7$ циклов может наблюдаться вторичное снижение. Кривую, которая выглядит горизонтальной вплоть до ${10}^7$ циклов, не следует автоматически продолжать до ${10}^9$ циклов.

Данные о материале и данные о детали или элементе

Кривая S–N материала представляет собой исходные данные для образца, изготовленного при заданном технологическом состоянии, с определённой геометрией, в конкретной среде, при определённом типе нагружения, коэффициенте асимметрии цикла и критерии разрушения. Это условные данные, а не неизменная константа, общая для всей марки стали. ASTM E466-21 допускает использование образцов без надрезов и с надрезами, однако полученные кривые описывают именно испытанные конфигурации.

Реальная деталь дополнительно характеризуется масштабным эффектом, качеством обработки поверхности, остаточными напряжениями, отверстиями, резьбой, контактными нагрузками, несоосностью, локальной концентрацией напряжений, температурой и коррозией. Гладкий полированный образец, испытанный в лабораторном воздухе, нельзя без соответствующего обоснования переносить на корродировавший вал, механически обработанный надрез или мостовое крепление с краем сварного шва.

Расчётные данные часто относятся к конкретным конструктивным элементам. В техническом обзоре NSC Technical Digest, опубликованном Steel Construction Institute в 2018 году, описывается оценка усталости с использованием кривых для элементов из обычной стали, сварных соединений и сварных присоединений; при этом для заданного элемента накопленное повреждение при определённом спектре нагружения суммируется линейно. Для сварных элементов из стали руководство AISC по усталости мостов размещает расчётные кривые S–N на два стандартных отклонения ниже логарифмического среднего значения данных об усталостной долговечности, что соответствует примерно 97,5 % выживаемости. Эта статистическая нижняя граница является расчётным выбором, а не новым металлургическим свойством.

Переменная по амплитуде эксплуатационная нагрузка вносит ещё одно различие. Деталь может испытывать редкие циклы с большими диапазонами напряжений среди множества циклов меньшей амплитуды, поэтому её расчётная долговечность зависит от полного спектра и используемого правила накопления повреждений, обычно линейной оценки накопленного повреждения. Поэтому релевантный вопрос звучит не так: «Каков предел выносливости этой марки стали?», а так: «Какая испытательная или расчётная кривая описывает данный элемент, историю нагружения, окружающую среду и требуемый критерий разрушения?»

Как строятся и читаются кривые S–N

Кривая S–N описывает связь между циклическим напряжением и усталостной долговечностью. «S» может обозначать амплитуду напряжения, номинальное напряжение или размах напряжений, тогда как «N» обозначает число циклов, соответствующее определённому событию разрушения. Это не универсальное свойство стали. Кривая относится к конкретному образцу, коэффициенту асимметрии цикла, режиму нагружения, состоянию поверхности, температуре и способу статистической обработки.

Метод «напряжение — долговечность» и зависимости типа Басквина

Метод «напряжение — долговечность», или метод S–N, основан на испытании образцов при повторном нагружении до их разрушения или достижения заданного условия неразрушения до установленного числа циклов. В стандартном эксперименте испытательная машина прикладывает осевую нагрузку с постоянной амплитудой в силовом режиме. Несколько образцов испытывают при различных уровнях напряжения, и каждый результат даёт одну точку, связывающую приложенное напряжение с числом циклов до разрушения.

Для циклического напряжения, изменяющегося между максимальным напряжением ${\sigma }_{\max }$ и минимальным напряжением ${\sigma }_{\min }$, размах напряжений равен

$$\Delta \sigma ={\sigma }_{\max }-{\sigma }_{\min }$$

Амплитуда напряжения составляет половину размаха:

$${\sigma }_a=\frac{\Delta \sigma }{2}$$

Среднее напряжение равно

$${\sigma }_m=\frac{{\sigma }_{\max }+{\sigma }_{\min }}{2}$$

а коэффициент асимметрии цикла определяется как

$$R=\frac{{\sigma }_{\min }}{{\sigma }_{\max }}$$

Эти величины описывают различные характеристики одного и того же цикла. Испытание при $R=-1$ соответствует полностью симметричному циклу напряжений с одинаковыми пиковыми растягивающими и сжимающими напряжениями и нулевым средним напряжением. Положительный коэффициент асимметрии означает, что оба предельных значения могут оставаться растягивающими. Два испытания с одинаковым размахом напряжений могут дать различную долговечность, если их средние напряжения и, следовательно, коэффициенты асимметрии различаются.

Распространённой аппроксимацией является степенной закон типа Басквина:

$${\sigma }_a=C{N}^b$$

или, если используется размах напряжений,

$$\Delta \sigma =C\prime N^b$$

где $C$ или $C\prime$ — аппроксимирующая константа, а $b$ обычно имеет отрицательное значение. Логарифмирование даёт линейную зависимость:

$$\log {\sigma }_a=\log C+b\log N$$

Это уравнение является моделью измеренного диапазона данных, а не физическим законом, применимым к любому состоянию любой стали. Его коэффициенты зависят от марки стали, термической обработки, геометрии образца, коэффициента асимметрии цикла, качества поверхности и выбранного критерия разрушения. В обзоре 2024 года Fatigue Life Assessment of Steel Structure, A State-Of-The-Art-Review это представление «напряжение — долговечность» определяется как обычная степенная форма; при этом отдельно рассматриваются усталостная прочность, усталостная долговечность, зарождение трещины и её распространение. Испытание S–N обычно фиксирует долговечность до установленного условия разрушения; оно не разделяет автоматически число циклов, затраченных на зарождение трещины, и число циклов, затраченных на её рост.

Таким образом, гладкий образец без надреза может дать базовую характеристику материала, не представляя при этом реальную конструкцию. Механически обработанный надрез повышает локальное напряжение, а приваренная деталь создаёт зону у края шва, корень шва, остаточные напряжения, локальную геометрию и возможные дефекты. Коррозия, окалина, шероховатость, размер образца, температура и тип нагружения также могут изменить результат. Для деталей из обычной стали, сварных соединений и приваренных элементов необходимы собственные данные по усталости или обоснованные поправки.

Логарифмические оси, размах напряжений и число циклов до разрушения

На обычном графике S–N напряжение или размах напряжений откладывают по одной логарифмической оси, а число циклов до разрушения — по другой. Федеральное управление автомобильных дорог США описывает сопротивление стали усталости с помощью кривых, на которых размах напряжений представлен в зависимости от числа циклов до разрушения на логарифмических осях. Равные расстояния по любой из осей соответствуют равным отношениям, а не равным числовым приращениям. Горизонтальное перемещение от ${10}^4$ до ${10}^5$ циклов занимает такое же визуальное расстояние, как перемещение от ${10}^6$ до ${10}^7$ циклов.

Такой масштаб необходим, поскольку усталостная долговечность обычно охватывает многие порядки величины, тогда как уровни напряжений могут изменяться относительно незначительно. Нисходящая линия означает, что небольшое снижение циклического напряжения может соответствовать значительному увеличению долговечности. Однако обозначение на графике необходимо интерпретировать с учётом его определения: кривую, построенную по $\Delta \sigma$, нельзя напрямую сравнивать с кривой, построенной по ${\sigma }_a$, если не учтены множитель два и условия по коэффициенту асимметрии цикла.

Некоторые стали демонстрируют приблизительно горизонтальную асимптоту кривой S–N при большой долговечности. В обзоре 2019 года The gigacycle fatigue strength of steels: a review of structural and operating factors отмечается, что такое поведение характерно для низкопрочных сталей, тогда как у высокопрочных сталей после примерно ${10}^7$ циклов может наблюдаться второе снижение кривой. Поэтому небезопасно приписывать единственный предел выносливости каждой марке стали. Кажущийся предел может отражать исследованный диапазон долговечности, наличие внутренних включений, состояние поверхности или статистическое разрешение испытания.

Испытание до заданного числа циклов без разрушенияИспытание до заданного числа циклов без разрушения Результат испытания, при котором образец выдерживает запланированное число циклов, не достигая установленного критерия разрушения. Такие результаты являются цензурированными наблюдениями, а не доказательством бесконечной усталостной долговечности.

Результат, обозначенный как неразрушение до заданного числа циклов, означает, что образец не достиг критерия разрушения испытания к установленному числу циклов. Это не доказывает, что разрушение никогда не может произойти. Такие результаты являются цензурированными наблюдениями и влияют на аппроксимацию кривой, особенно когда многие образцы выдерживают запланированную продолжительность испытания. Повторные испытания имеют значение, поскольку номинально одинаковые образцы разрушаются после различного числа циклов. Средняя тенденция, полоса рассеяния и нижняя граница для проектирования отвечают на разные вопросы.

Расчётные кривые S–N для сварных соединений могут располагаться на два стандартных отклонения ниже логарифмического среднего данных об усталостной долговечности, что при указанных предположениях соответствует приблизительно 97,5% выживаемости. Strong evidence

Для сварных стальных деталей в руководстве AISC Manual for Repair and Retrofit of Fatigue Cracks in Steel Bridges указано, что расчётные кривые S–N располагаются на два стандартных отклонения ниже логарифмического среднего значений усталостной долговечности, что при приведённых статистических предпосылках соответствует примерно 97,5 % выживаемости. Такая нижняя граничная кривая является расчётной условностью для категории детали, а не универсальным свойством основного листа.

Условия испытаний по ISO 1099:2017 и ASTM E466-21[2][2] ISO 1099:2017: Metallic materials — Fatigue testing — Axial force-controlled method. International Organization for Standardization. 2017.

ISO 1099:2017 устанавливает проведение усталостных испытаний металлических образцов при температуре окружающей среды, постоянной амплитуде и осевой нагрузке в силовом режиме для получения зависимостей между приложенным напряжением и числом циклов до разрушения при заданных коэффициентах асимметрии цикла. Стандарт определяет методику испытания; полученная кривая по-прежнему относится к использованному образцу и условиям. «Температура окружающей среды» не означает, что температура несущественна. В отчёте об испытании следует указывать фактическую среду испытания и любые значимые изменения температуры.

ASTM E466-21 распространяется на осевые усталостные испытания металлических образцов с надрезом и без надреза в воздухе при комнатной температуре, проводимые при постоянной амплитуде и в силовом режиме. Поэтому стандарт допускает сравнение различных форм образцов, однако результат для образца с надрезом не следует считать взаимозаменяемым с кривой материала, полученной для образца без надреза. Геометрия надреза изменяет локальное поле напряжений и может влиять на зарождение трещины.

Ни один из этих стандартов сам по себе не превращает испытание в квалификацию компонента. Правильная центровка имеет существенное значение, поскольку изгиб, накладывающийся на осевую силу, может изменить локальное напряжение и нарушить предусмотренное условие нагружения. Частоту нагружения необходимо указывать и контролировать, поскольку нагрев, взаимодействие с окружающей средой, динамика испытательной машины и эффекты, зависящие от скорости, могут влиять на долговечность; нельзя предполагать наличие какой-либо одной частоты только на основании существования стандарта. Размеры образца, направление механической обработки, качество поверхности, способ захвата, марка стали и история её обработки, коэффициент асимметрии цикла и определение разрушения также являются частью результата.

При оценке работы конструкции инженеры выбирают кривую, соответствующую конкретной гладкой или сварной детали, и преобразуют приложенный спектр нагружения в циклы напряжений. В техническом обзоре NSC Technical Digest Института стальных конструкций 2018 года описывается оценка накопленного повреждения, при которой повреждение для заданной детали суммируется линейно. Такой расчёт имеет смысл только в том случае, если определения номинального или локального напряжения, геометрия детали, число циклов и кривая S–N основаны на совместимых предпосылках. Лабораторная кривая является свидетельством. Сама по себе она не даёт оснований игнорировать приваренный элемент, надрез, сварной шов, поверхность или спектр нагружения в конструкции.

Почему одна лишь марка стали не позволяет предсказать усталостный ресурс

Марка стали определяет установленный диапазон химического состава, прочности и требований к производству; однако она не определяет единственные показатели усталостной долговечности при любых условиях эксплуатации. Например, ASTM A36, ASTM A572 Grade 50 и ASTM A514 существенно различаются по пределу текучести и пределу прочности при растяжении, но ранжировать их по усталостному ресурсу только на основании прочности при растяжении невозможно. Усталостное разрушение определяется циклическим напряжением в локальной особенности, зарождением трещины и ее распространением. Эти особенности могут в большей степени определяться переходом у сварного шва, следом механической обработки, включением или коррозионной язвой, чем номинальной прочностью основного металла.

Поэтому кривая S–N материала является исходным набором данных для образца с определенными характеристиками, способом обработки, геометрией, режимом нагружения, коэффициентом асимметрии цикла и условиями окружающей среды. Она не является универсальной заменой испытаниям компонента или данным по конструктивным деталям.

Уровень прочности, микроструктура и гигацикловый режим

Повышение предела текучести может увеличить усталостную прочность гладких полированных образцов, особенно когда разрушение определяется зарождением трещины. Однако это повышение не является пропорциональным. Термическая обработка изменяет размер зерна, содержание мартенсита или бейнита, распределение карбидов, градиенты твердости и чувствительность к включениям. Поэтому две плавки, соответствующие обозначению одной и той же марки, могут давать различный разброс результатов усталостных испытаний. Холодная деформация способна повысить поверхностную твердость, одновременно сохраняя растягивающие остаточные напряжения или снижая пластичность в критическом месте.

При больших долговечностях обычное допущение становится особенно ненадежным. В обзоре 2019 года The gigacycle fatigue strength of steels: a review of structural and operating factors сообщается, что низкопрочные стали обычно формируют приблизительно горизонтальную асимптоту кривой S–N. В этом диапазоне дальнейшее увеличение числа циклов не требует постоянного снижения напряжения простым образом, который предполагается непрерывным степенным законом Басквина. Высокопрочные стали могут вести себя иначе: в обзоре описывается возможное второе снижение кривой S–N после примерно ${10}^7$ циклов. Одним из объяснений такой сверхмногоцикловой реакции является зарождение внутренних трещин в неметаллических включениях, часто расположенных под поверхностью.

Это различие имеет значение для вращающихся машин, пружин, железнодорожных компонентов и других деталей, рассчитанных на выдерживание сотен миллионов или миллиардов циклов. Испытание, остановленное на ${10}^6$ или ${10}^7$ циклах, может не выявить механизм разрушения, проявляющийся позднее. И наоборот, горизонтальный «предел выносливости», выведенный по одному набору данных, не следует переносить на другую сталь, состояние поверхности или совокупность включений.

ISO 1099:2017 устанавливает требования к испытаниям на усталость при комнатной температуре, с постоянной амплитудой и осевой силой, управляемой по нагрузке, при выбранных коэффициентах асимметрии цикла. ASTM E466-21 распространяется на испытания металлических образцов без надрезов и с надрезами в воздухе при комнатной температуре, с осевой нагрузкой постоянной амплитуды, управляемой по силе. Эти условия определяют смысл получаемой кривой. Они не воспроизводят все эксплуатационные нагрузки. Коэффициент асимметрии цикла, растяжение–сжатие по сравнению с изгибом или кручением, среднее напряжение, последовательность нагружения и повреждение при переменной амплитуде могут изменять измеряемую зависимость.

Надрезы, масштабные эффекты и локальная концентрация напряжений

Номинальное напряжение часто не является подходящим напряжением для прогнозирования зарождения трещины. В области отверстия, шпоночного паза, основания резьбы, острого галтелевого перехода, зоны у конца сварного шва или канавки после механической обработки упругая концентрация напряжений повышает локальное переменное напряжение по сравнению со средним по сечению значением. При развитии пластичности ресурс может определяться историей локальной деформации, а не номинальным упругим напряжением. Поэтому сталь высокой прочности может утратить значительную часть преимущества, наблюдаемого на гладких образцах: чувствительность к надрезам и пониженная пластичность делают небольшой дефект более значимым.

Размер компонента также изменяет результат. Больший объем содержит больше включений и потенциальных мест зарождения трещин; большая поверхность предоставляет большую площадь для появления царапин, язв и непроваров. В крупной детали градиенты напряжений могут быть менее благоприятными, а объем, подвергающийся высоким напряжениям, может значительно превышать объем лабораторного образца. Это статистические и механические масштабные эффекты, а не просто геометрическое масштабирование.

Различие между обычной сталью и конструктивной деталью прямо отражено в проектной практике. Федеральное управление автомобильных дорог США описывает сопротивление усталости стали с помощью кривых S–N, на которых диапазон напряжений сопоставляется с числом циклов до разрушения по логарифмическим осям. В техническом дайджесте NSC Technical Digest Института стальных конструкций за 2018 год описаны кривые, разработанные для конкретных деталей из обычной стали, сварных соединений и сварных прикреплений; накопленное повреждение оценивается для соответствующей детали. Для сварной стали руководство AISC по усталости мостов располагает расчетные кривые S–N на два стандартных отклонения ниже логарифмического среднего по данным об усталостной долговечности, что соответствует примерно 97,5% выживаемости. Эта статистическая нижняя граница не является свойством одной лишь стальной плиты. Она включает качество и геометрию детали, представленной данными испытаний.

Следовательно, гладкий образец ASTM не может без дополнительных оговорок заменять сварное прикрепление моста. Радиус перехода у конца сварного шва, подрез, остаточные напряжения, деформация, профиль сварного шва и возможный непровар формируют совершенно иную усталостную задачу.

Состояние поверхности, остаточные напряжения, температура и окружающая среда

Состояние поверхности часто определяет начальную стадию усталости. Полирование может удалить канавки после механической обработки и снизить эффективную остроту надреза; токарная обработка, прижоги после шлифования, окалина и грубое фрезерование могут оставить направленные следы, служащие инициаторами трещин. Дробеструйная обработка или иная обработка поверхности способны создать сжимающие остаточные напряжения и отсрочить зарождение трещины. Напротив, сварка, правка, механическая обработка и запрессовка могут создавать растягивающие остаточные напряжения, уменьшающие положительный эффект благоприятного номинального среднего напряжения. Остаточные напряжения также могут релаксировать при циклическом нагружении или повышенной температуре, поэтому их воздействие нельзя учитывать как постоянную поправку на марку стали.

Температура изменяет прочность, пластичность, окисление и характер роста трещины. При низкой температуре снижение трещиностойкости может уменьшить способность материала терпимо относиться к дефекту. При высокой температуре взаимодействие с ползучестью, разупрочнение, окисление и термическое циклирование могут изменить характер кривой S–N. Коррозия еще более усугубляет ситуацию: язва создает локальный надрез, а коррозионная усталость многократно подвергает свежую вершину трещины воздействию окружающей среды. Лакокрасочное покрытие, катодная защита, водоотвод и воздействие хлоридов могут изменять ресурс, не меняя обозначения стали.

Тип нагрузки и спектр нагружения завершают картину. Данные для осевого нагружения постоянной амплитуды не описывают непосредственно изгиб, кручение, контактное нагружение, термические напряжения или последовательность перегрузок и малых циклов. При проектной оценке могут применяться зависящие от конкретной детали кривые S–N с расчетом накопленного повреждения по линейному правилу, однако выбранная кривая, диапазон напряжений, учет коэффициента асимметрии цикла и гистограмма циклов должны соответствовать реальному компоненту. Прочность марки стали является лишь одним из исходных параметров. Геометрия, технология изготовления, состояние поверхности, окружающая среда и статистическая основа проектирования часто определяют конечный результат.

Для сварных стальных узлов требуются собственные кривые усталости

Концы швов, корни, приварные элементы и геометрические нарушения сплошности

Сварное соединение ведёт себя не так, как отполированный образец, вырезанный из основного листа. Его сопротивление усталости определяется всем узлом в совокупности: геометрией шва, радиусом перехода у конца шва, профилем корня, формой приварного элемента, толщиной листа, соосностью, остаточными напряжениями, деформациями и любыми трещиноподобными несовершенствами, оставшимися после изготовления или возникшими в процессе эксплуатации. Марка стали по-прежнему имеет значение, но является лишь одной из составляющих механизма разрушения.

В зоне конца шва лицевая поверхность шва сопрягается с основным листом посредством геометрического перехода. Малый радиус перехода, чрезмерная выпуклость, подрез, натёк или резкое окончание шва повышают местное напряжение. Корень шва может быть ещё более опасным. Непровар корня, несплавление, пористость, шлаковые включения и неблагоприятная форма корневого надреза создают короткие трещиноподобные дефекты ещё до начала эксплуатационного нагружения. Усталостные трещины обычно зарождаются в этих местах или рядом с ними, а не на неповреждённом участке листа.

Приварные элементы создают дополнительные концентрации напряжений. Поперечное ребро жёсткости, приваренное к поясу балки, нарушает передачу усилия через пояс, тогда как шов между ребром и настилом ортотропной плиты моста передаёт нагрузку через короткую линию шва, подвергающуюся циклам напряжений от воздействия колёс. Продольные приварные элементы, косынки, кронштейны, накладки и сварные ремонтные участки создают собственные сочетания мембранных и изгибных напряжений, а также вторичных деформаций. Сварочные деформации могут также вызвать остаточный изгиб и нарушение соосности, поэтому номинальная расчётная геометрия может не описывать фактическое поле напряжений.

Остаточные растягивающие напряжения влияют на рост трещины и эффективный коэффициент асимметрии напряжений у вершины трещины. В сильно стеснённом соединении сварка может оставить растягивающие остаточные напряжения, близкие к пределу текучести материала. Это не означает, что любой сварной узел имеет одинаковую прочность при усталости независимо от приложенного среднего напряжения, но объясняет, почему благоприятный эффект сжимающего номинального среднего напряжения для сварных соединений часто меньше, чем для отполированных несварных образцов. Поверхностная коррозия, фреттинг, ударные повреждения и предшествующий ремонт усталостной трещины могут ещё больше снизить сопротивление.

Поэтому марку основного металла нельзя использовать как замену характеристикам узла. Сварное соединение, выполненное из стали ASTM A36, стали ASTM A572/A572M Grade 50 или стали ASTM A709/A709M Grade 50, может относиться к аналогичной категории по усталости, если определяющими факторами являются конфигурация шва и место разрушения. Повышение предела текучести не приводит к пропорциональному увеличению прочности при усталости в зоне конца шва, содержащего такой же надрез и такое же технологическое несовершенство.

Номинальное напряжение, напряжение в горячей точке и местное напряжение

Кривая S–N имеет смысл только тогда, когда используемое в ней определение напряжения соответствует определению, применённому при её построении. Федеральное управление автомобильных дорог США описывает сопротивление стали усталости с помощью кривых, на которых диапазон напряжений откладывается по отношению к числу циклов до разрушения на логарифмических осях. В формулировке «напряжение–ресурс», часто представляемой степенным законом типа Баскина, выбранный диапазон напряжений связывается с числом циклов, необходимым для достижения указанного критерия разрушения.

Номинальное напряжение — это среднее осевое, изгибное или сдвиговое напряжение, рассчитанное на удалении от нарушения сплошности. Оно удобно для призматической пластины или классифицированного сварного узла, для которого результаты испытаний были представлены с использованием той же величины. Кривую по номинальным напряжениям нельзя безоговорочно сопоставлять с пиковым значением, полученным методом конечных элементов в зоне конца шва: эти два значения учитывают различные физические эффекты.

Напряжение в горячей точке, также называемое во многих методиках конструкционным напряжением, оценивает напряжение у конца шва посредством экстраполяции напряжений из точек, расположенных на небольшом расстоянии от острого надреза. Оно учитывает конструктивную концентрацию напряжений, вызванную приварным элементом и геометрией листа, но исключает сугубо местный эффект надреза, обусловленный профилем шва. Такой подход полезен, когда точный радиус перехода у конца шва различается у разных образцов или не может надёжно воспроизводиться в оболочечной модели.

Местное напряжение включает эффект надреза у конца или корня шва. Его можно получить с помощью уточнённой объёмной конечно-элементной модели, метода расчёта напряжений в надрезе или измеренного профиля шва. Поскольку теоретический пик в идеально остром геометрическом углу может быть сингулярным, расчётчик должен задать конечное опорное напряжение или радиус надреза. Данные S–N для местных напряжений нельзя напрямую взаимозаменять с данными для номинальных напряжений или напряжений в горячей точке.

Это различие имеет практическое значение. Гладкий осевой образец, испытанный в условиях ISO 1099:2017, имеет однородное силовое поле напряжений, управляемое нагрузкой. Стандарт ASTM E466-21 распространяется на осевое нагружение металлических образцов с постоянной амплитудой, без надрезов и с надрезами, в воздушной среде при комнатной температуре. Ни один из этих стандартов не делает гладкий образец эквивалентным приварному элементу мостовой конструкции. На результат влияют коэффициент асимметрии напряжений, тип нагружения, состояние поверхности, размер, температура и технология изготовления образца.

Классификация узлов и ограничения данных по основному металлу

Поэтому при проектировании на усталость используются кривые, относящиеся к конкретным узлам. В NSC Technical Digest Института стальных конструкций указано, что повреждение стальных конструкций оценивают с помощью кривых S–N, разработанных для конкретных узлов из обычной стали, сварных соединений или сварных приварных элементов; при этом повреждение от циклов для выбранного узла при заданном спектре суммируют линейно. Кривая для гладкой пластины не даёт основания применять тот же допустимый диапазон напряжений к шву между ребром и настилом, окончанию ребра жёсткости, болтовому соединению или отремонтированному узлу моста.

Классификация узлов объединяет детали с сопоставимым характером зарождения трещин и указывает величину напряжения, к которой применяется кривая. Определяющей категорией могут быть поперечный стыковой шов, конец шва, корень шва, конец приварного элемента, вырез, соединение пояса или иной элемент. Руководства FHWA по мостам и положения AISC по расчёту на усталость используют этот подход, основанный на характеристиках узла, а не присваивают единственный универсальный предел выносливости марке стали.

Статистическая основа имеет не меньшее значение, чем геометрия. В Manual for Repair and Retrofit of Fatigue Cracks in Steel Bridges AISC указано, что расчётные кривые S–N для сварных узлов являются нижними доверительными границами, расположенными на два стандартных отклонения ниже логарифмического среднего значения данных по ресурсу до разрушения; при выполнении указанных статистических предпосылок это соответствует примерно 97,5 % вероятности безотказной работы. Такая кривая является расчётной границей, а не средним показателем для каждого образца.

Данные по обычной стали могут установить исходный материальный уровень, однако их перенос требует обоснованного метода учёта концентрации напряжений и соответствующих поправок. В гладком отполированном образце трещина может зародиться лишь после многих циклов местного проскальзывания, тогда как конец шва может изначально содержать подрез или неполное сплавление. Корродированная пластина имеет иное состояние поверхности; отремонтированный узел моста может содержать остаточные деформации и новое окончание шва; спектр транспортных нагрузок с переменной амплитудой приводит к эффектам последовательности и случайным перегрузкам, отсутствующим при испытаниях с постоянной амплитудой.

Заявленный предел выносливости также требует осторожного подхода. В обзоре 2019 года The Gigacycle Fatigue Strength of Steels: A Review of Structural and Operating Factors сообщается, что у низкопрочных сталей часто наблюдается приблизительно горизонтальная асимптота кривой S–N, тогда как у высокопрочных сталей после примерно ${10}^7$ циклов может проявляться её второй нисходящий участок. Для сварного узла может не наблюдаться кажущееся плато основного металла, поскольку результат определяется дефектами шва, остаточными напряжениями, коррозией и повторным ростом трещины. Поэтому правильной является не самая высокая доступная кривая для данной марки листа, а кривая, соответствующая геометрии сварного узла, определению напряжения, спектру нагружения и требуемой надёжности.

Кривые статистического проектирования и основа по вероятности выживания

Разброс данных об усталости

Усталостная долговечность характеризуется разбросом даже при строгом контроле номинальной марки стали, геометрии образца, качества поверхности и истории нагружения. Два внешне идентичных образца могут разрушиться после существенно разного числа циклов. Небольшие различия в составе неметаллических включений, зеренной структуре, следах механической обработки, остаточных напряжениях, соосности или местах зарождения трещин могут изменить результат. На уровне детали дополнительный разброс вносят профиль сварного шва, подрезы, пористость, качество сборки, жёсткость присоединения, коррозия и история контроля.

Поэтому S–N-кривая описывает совокупность результатов, а не даёт точного прогноза долговечности одной детали. Метод «напряжение—долговечность» связывает напряжение или размах напряжений с числом циклов до разрушения, часто с помощью степенного закона типа Баскина. Федеральное управление автомобильных дорог описывает усталостную прочность стали посредством зависимости размаха напряжений от числа циклов до разрушения, представленной на логарифмических осях. Такое представление полезно, поскольку усталостная долговечность может охватывать несколько порядков величины, однако оно не устраняет исходный разброс.

Определение условий испытания имеет существенное значение. ISO 1099:2017 устанавливает испытания при температуре окружающей среды, с постоянной амплитудой и управлением осевой силой, при заданных коэффициентах асимметрии цикла. ASTM E466-21 охватывает испытания металлических образцов без надреза и с надрезом в воздухе при комнатной температуре, с постоянной амплитудой и управлением осевой силой. Результаты любого из этих методов не следует без дополнительных обоснований переносить на элемент моста при переменной амплитуде, сварное присоединение или деталь, работающую при другой температуре и другом коэффициенте асимметрии цикла.

Полированный образец без надреза в основном характеризует усталостную реакцию указанного материала при заданной геометрии испытания. Он автоматически не представляет механически обработанный надрез, болтовое соединение, сварную диафрагму или повреждённый коррозией пояс. Поэтому в проектной практике применяются кривые, специфичные для конкретного типа детали: для обычной стали, сварных соединений и сварных присоединений. В техническом дайджесте NSC Technical Digest Института стальных конструкций за 2018 год описывается оценка усталости посредством выбора S–N-кривой для соответствующего типа детали и линейного суммирования повреждений по действующему спектру напряжений.

Нижние огибающие и вероятность выживания около 97,5 %

Для сварных стальных деталей в руководстве AISC Manual for Repair and Retrofit of Fatigue Cracks in Steel Bridges (2013) проектные S–N-кривые описываются как нижние огибающие, расположенные на два стандартных отклонения ниже среднего значения логарифма данных по усталостной долговечности. При статистических допущениях, использованных для этого набора данных, это соответствует вероятности выживания приблизительно 97,5 %. Важное значение имеет логарифмическая шкала: стандартные отклонения относятся к логарифму числа циклов до разрушения, а не непосредственно к числу циклов в арифметической шкале.

Такая конвенция обеспечивает практический запас между наблюдаемым средним поведением и кривой, используемой при проектировании. Она не гарантирует, что 97,5 % каждой изготовленной детали выдержат указанное число циклов. Этот процент относится к семейству испытанных деталей, условиям испытания, использованной статистической модели и принятому определению разрушения. Сварной шов с другим профилем, иным состоянием остаточных напряжений, другим качеством контроля, воздействием коррозии или иным спектром нагрузок может не принадлежать к той же совокупности.

Нижняя огибающая также не означает, что разрушение ниже неё невозможно. Статистические хвосты распределения сохраняются, а ошибка модели может быть столь же существенной, как и разброс между образцами. Кроме того, кривая относится к выбранному критерию усталости — часто к зарождению трещины или полному разрушению в определении, принятом при испытании, — и не обязательно характеризует эксплуатационную пригодность, обнаруживаемость трещин, герметичность или остаточную несущую способность.

Средние кривые, проектные кривые и неопределённость

Средняя регрессионная линия оценивает среднюю логарифмическую усталостную долговечность при каждом размахе напряжений. Приблизительно половина соответствующей совокупности, как ожидается, разрушилась бы до достижения этой линии, а половина — после неё, хотя точная интерпретация зависит от принятого распределения и цензурирования результатов неприведших к разрушению испытаний. Это оценка центральной тенденции, а не безопасная граница проектирования.

Нижняя проектная кривая смещает установленную зависимость вниз на заданную статистическую величину, например на два стандартных отклонения в соответствии с основой AISC. Доверительный предел отвечает на другой вопрос: насколько неопределённа оценка средней кривой вследствие того, что было проведено лишь конечное число испытаний? Предсказательный предел показывает, где может оказаться отдельный будущий результат или заданная доля будущих результатов. Доверительные пределы относятся к оценённому среднему значению совокупности; предсказательные пределы учитывают как разброс между образцами, так и неопределённость оценённого среднего.

Эти различия имеют значение при сравнении опубликованных кривых. Узкий доверительный интервал вокруг средней кривой не означает малого разброса характеристик деталей. И наоборот, консервативная проектная кривая может учитывать заданную долю выживших образцов, но не компенсировать ошибки, вызванные выбором неправильной категории сварного шва или неправильного определения напряжения. Номинальное напряжение, локальное напряжение у надреза, размах напряжений и коэффициент асимметрии цикла должны соответствовать основе построения кривой.

Форма кривой в области большой долговечности также требует инженерного суждения. В обзоре 2019 года по гигацикловой усталости сообщается, что низкопрочные стали обычно приближаются к почти горизонтальной асимптоте S–N-кривой, тогда как у высокопрочных сталей после примерно ${10}^7$ циклов может наблюдаться второе снижение. Поэтому считать каждую видимую площадку универсальным пределом выносливости может быть небезопасно. Указанная основа по вероятности выживания имеет смысл только тогда, когда материал, тип детали, спектр нагружения, окружающая среда и статистическая совокупность остаются сопоставимыми.

От испытаний при постоянной амплитуде к оценке срока службы

Лабораторные данные S–N обычно получают в испытаниях при постоянной амплитуде, а не при нерегулярных историях нагружения, характерных для эксплуатации. Стандарт ISO 1099:2017 устанавливает требования к усталостным испытаниям при температуре окружающей среды, осевом нагружении с управлением по силе, постоянной амплитуде и заданных значениях коэффициента асимметрии цикла. Стандарт ASTM E466-21 аналогичным образом распространяется на гладкие и надрезанные металлические образцы, подвергаемые осевому нагружению постоянной амплитуды на воздухе при комнатной температуре. Эти методы ценны тем, что позволяют изолированно исследовать связь между приложенным напряжением и числом циклов до разрушения, однако такая изоляция одновременно является их ограничением.

Метод «напряжение–долговечность» выражает усталостное поведение как зависимость напряжения или диапазона напряжений от числа циклов до разрушения. На логарифмических осях часто аппроксимируют зависимостью типа Басквина, а Федеральное управление автомобильных дорог США описывает усталостную стойкость стали с помощью кривых S–N, на которых диапазон напряжений сопоставляется с числом циклов до разрушения. Такая кривая соответствует условиям испытаний, в которых она была получена. Существенное значение имеют геометрия образца, состояние поверхности, технология обработки материала, коэффициент асимметрии цикла, тип нагружения, температура и критерий разрушения.

Полированный гладкий образец, изготовленный из листа стали S275JR, нельзя напрямую использовать для оценки сварного мостового узла. Такой узел содержит переходную зону или корень сварного шва, локальные геометрические неоднородности и остаточные напряжения; поэтому применимой расчётной кривой является кривая для сварной конструктивной детали, а не просто кривая для основного металла. Механически обработанный надрез, корродированная балка крана и патрубок корпуса давления требуют самостоятельного рассмотрения. Это различие имеет принципиальное значение: усталостная прочность характеризует сопротивление при заданной долговечности, усталостная долговечность описывает число циклов при заданном напряжённом состоянии, и ни одна из этих величин сама по себе не описывает распространение трещины после её образования.

Нагружение переменной амплитуды и подсчёт циклов

Мосты испытывают различные диапазоны напряжений, когда транспортные средства пересекают их с разными скоростями и массами. Конструкции кранов подвергаются пускам, остановкам, подъёму грузов и перемещениям тележки. Транспортные средства испытывают ускорение, торможение, неровности дороги и изменения полезной нагрузки. Оборудование, работающее под давлением, может циклически переходить между различными рабочими состояниями, тогда как вращающиеся машины сочетают переходные процессы при запуске с продолжительными периодами установившейся работы. В результате история напряжений изменяется как по диапазону, так и по среднему напряжению.

Подсчёт циклов методом дождевого потокаПодсчёт циклов методом дождевого потока Метод подсчёта циклов, преобразующий нерегулярную историю изменения напряжения во времени в замкнутые и полуциклы с соответствующими диапазонами напряжений, что позволяет выполнять расчёты усталости при переменной амплитуде.

Поэтому эксплуатационные данные или рассчитанную модель нагрузки преобразуют в спектр напряжений. Один из практических подходов заключается в разделении спектра на блоки: например, определённое число циклов при высоком диапазоне напряжений, большее число циклов при промежуточном диапазоне и множество циклов при низком диапазоне. Для сведения измеренной или смоделированной зависимости напряжение–время к замкнутым циклам и полуциклам обычно используют подсчёт методом дождевого потока; каждому циклу присваивают диапазон напряжений и, как правило, среднее напряжение или коэффициент асимметрии цикла. Затем подсчитанные циклы необходимо связать с соответствующей структурной характеристикой: номинальным напряжением для классифицированной сварной детали, напряжением в горячей точке для соответствующей сварной геометрии или локальным напряжением в концентраторе, если это допускается применяемым методом и имеющимися данными.

Коэффициент асимметрии цикла $R={\sigma }_{\min }/{\sigma }_{\max }$ может влиять на усталостную долговечность, особенно для несварного материала. Поправки на среднее напряжение могут потребоваться, если значения $R$ в данных испытаний и в эксплуатационных условиях различаются. Классификации сварных деталей часто учитывают предположения об остаточных напряжениях и не могут быть взаимозаменяемыми с данными, полученными на полированных образцах. Двойное применение поправки или применение поправки за пределами области её валидации может привести к недостоверной оценке долговечности.

Линейное суммирование повреждений для усталостных деталей

Для каждого блока диапазона напряжений оценщик выбирает зависимость S–N, соответствующую фактической детали: обычной стальной детали, болтовому соединению, категории сварного соединения, сварной конструкции или другому классифицированному элементу. Если при диапазоне напряжений $\Delta {\sigma }_i$ происходит $n_i$ циклов, а $N_i$ — число циклов до разрушения, предсказываемое этой зависимостью, то доля повреждения составляет $n_i/N_i$. Согласно правилу линейного суммирования накопленных повреждений,

$$D={\sum }_i\frac{n_i}{N_i}.$$

В техническом дайджесте NSC Института стальных конструкций (2018) указано, что для заданной усталостной детали накопленное повреждение суммируется линейно. В простейшей оценке разрушение связывают с достижением $D$ единицы. Это инженерная расчётная схема, а не универсальный закон поведения стали. Она предполагает, что доли повреждения при различных уровнях напряжений можно складывать без явного учёта влияния последовательности нагружения, взаимодействия трещин, изменения остаточных напряжений или эволюции жёсткости.

Такие предположения могут быть приемлемыми, если категория детали, спектр и метод анализа соответствуют доказательной базе, использованной при построении расчётной кривой. Для сварных стальных деталей руководство AISC по усталости мостов описывает расчётные кривые S–N как нижние доверительные границы, расположенные на два стандартных отклонения ниже среднего значения логарифма данных по усталостной долговечности, что соответствует приблизительно 97,5 % вероятности безотказной работы. Такая статистическая основа не означает, что каждый образец, компонент или эксплуатационная история достигнут одного и того же предельного значения накопленного повреждения.

В расчёте срока службы также следует указать, означает ли разрушение видимое зарождение трещины, образование сквозной трещины, потерю сечения или достижение заданного предела разрушения. Для низкопрочных сталей часто наблюдается приблизительно горизонтальная асимптота кривой S–N, однако в обзоре 2019 года The gigacycle fatigue strength of steels: a review of structural and operating factors сообщается, что для высокопрочных сталей после примерно ${10}^7$ циклов может наблюдаться повторное снижение. Поэтому предположение о наличии обычного предела выносливости может быть небезопасным для машин, работающих в области очень большого числа циклов.

Когда анализа S–N недостаточно

Анализ S–N представляет собой главным образом метод проектирования по зарождению трещины или по общей долговечности, откалиброванный для заданной конструктивной детали. Он становится недостаточным, если наличие трещины уже установлено или если при обследовании выявлен дефект, размеры и местоположение которого можно измерить. В этот момент основной вопрос меняется с «Сколько циклов предшествует разрушению детали без трещины?» на «Как эта трещина будет расти под воздействием будущего спектра нагрузок и когда достигнет критического размера?»

Для известных трещин, результатов инспекционного контроля, значительной коррозии и ремонтных участков с неопределённым остаточным сечением требуется анализ механики разрушения или распространения трещин. В таких анализах для расчёта развития трещины между обследованиями могут использоваться коэффициенты интенсивности напряжений, законы роста трещины и предположения о закрытии трещины. Остаточные напряжения особенно существенны вблизи сварных соединений и могут изменять поведение при распространении трещины даже тогда, когда номинальное эксплуатационное напряжение кажется небольшим.

Кривая S–N также может быть непригодной при сложном многоосном нагружении, значительной пластической деформации, выраженных локальных эффектах концентрации напряжений, термическом циклировании или историях нагружения, содержащих значительные перегрузки. Ещё одним тревожным признаком является эксплуатация при очень большом числе циклов, поскольку внутренние неметаллические включения, устойчивые полосы скольжения и зарождение подповерхностных трещин могут определять поведение за пределами диапазона, представленного обычными испытаниями. В таких случаях оценка должна выявлять определяющий механизм разрушения, а не принудительно сводить любую историю напряжений к одной материальной кривой.

Практическое руководство по чтению данных об усталости стали

Вопросы, которые следует задать перед использованием кривой S–N

Кривая S–N не является универсальным свойством «стали». Она описывает определённый эксперимент или совокупность проектных данных: напряжение (или диапазон напряжений) по одной оси и число циклов до разрушения по другой; обычно обе оси имеют логарифмический масштаб. Федеральное управление автомобильных дорог описывает этот формат для усталостной прочности стали, тогда как метод «напряжение — долговечность» обычно аппроксимирует данные степенным законом типа Басквина.

Сначала определите, что именно испытывалось. ASTM A36, ASTM A572 Grade 50 и EN 10025-2 S355 могут иметь различные пределы текучести, неметаллические включения, режимы термической обработки и историю изготовления, однако одного обозначения марки всё равно недостаточно для определения усталостных характеристик. Толщина листа, направление прокатки, нормализованное состояние, термическая обработка с закалкой и отпуском, остаточные напряжения и термический цикл сварки могут изменить результат. Уточните, представляет ли кривая основной металл без концентратора напряжений, механически обработанный надрез, сварное соединение или определённый тип присоединяемой детали.

Затем определите условия нагружения. ISO 1099:2017 устанавливает требования к испытаниям при температуре окружающей среды, постоянной амплитуде, осевом нагружении и управлении усилием при заданных коэффициентах асимметрии цикла. ASTM E466-21 распространяется на гладкие и надрезанные металлические образцы при периодическом нагружении постоянной амплитуды в воздухе при комнатной температуре. Ни один из этих стандартов не делает полученные данные автоматически применимыми к изгибу, кручению, контактному нагружению, термическим циклам, коррозии или эксплуатации при переменной амплитуде.

Имеют значение диапазон напряжений, максимальное и минимальное напряжения, коэффициент асимметрии цикла, номинальное и местное напряжения, режим нагружения, размер образца, состояние поверхности, температура и окружающая среда. Полированный образец с тщательно контролируемой геометрией не представляет корродировавший компонент или сварное присоединение моста, если допущения при переносе результатов не сформулированы и не обоснованы.

Распространённые ошибки интерпретации

Наиболее распространённая ошибка — воспринимать горизонтальный участок кривой как гарантированный предел выносливости. Кратковременное испытание могло просто завершиться до того, как стал заметен последующий спад. В обзоре 2019 года The Gigacycle Fatigue Strength of Steels: A Review of Structural and Operating Factors сообщается, что стали низкой прочности часто демонстрируют приблизительно горизонтальную асимптоту кривой S–N, тогда как стали высокой прочности могут показывать второй спад за пределами примерно 10^7 циклов.

Кривые также становятся вводящими в заблуждение, когда их определения напряжения различаются. В одной может использоваться номинальный диапазон напряжений, в другой — напряжение в горячей точке, напряжение у основания надреза или структурное напряжение. Их положение нельзя сравнивать напрямую. Также не следует переносить данные для полированного основного металла на сварные конструктивные элементы. Геометрия сварного шва в зоне перехода к основному металлу, подрезы, пористость, остаточные растягивающие напряжения и качество ремонта часто сильнее определяют результат, чем марка основного металла.

Нижняя граница, используемая при проектировании, не является непосредственным свойством материала. Для сварных конструктивных элементов руководство AISC по усталости мостов описывает кривые, расположенные на два стандартных отклонения ниже логарифмического среднего значения данных по усталостной долговечности, что соответствует примерно 97,5 % вероятности сохранения работоспособности. Эта кривая учитывает статистический запас и влияние особенностей конструктивного элемента. Она не представляет собой собственную усталостную прочность самой стали.

Наконец, нельзя считать, что долговечность при постоянной амплитуде применима к эксплуатации, включающей перегрузки, изменяющиеся амплитуды или эффекты последовательности нагружения. Технический дайджест NSC Института стальных конструкций рассматривает повреждение с использованием кривых S–N, специфичных для каждого конструктивного элемента, и линейной оценки накопления повреждений; выбранный спектр нагрузок остаётся частью расчёта.

Минимальный перечень сведений для отчётности

Перед использованием кривой зафиксируйте:

• обозначение стали, вид продукции, толщину, термическую обработку и состояние после изготовления;
• относится ли она к материалу без концентратора напряжений, надрезу, сварному соединению или определённому типу присоединяемой детали;
• диапазон напряжений и коэффициент асимметрии цикла, а также определение номинального, местного, возникающего в горячей точке или структурного напряжения;
• осевое, изгибное, крутильное или смешанное нагружение; температуру и окружающую среду;
• состояние поверхности, геометрию и качество сварного соединения, масштаб образца и критерий разрушения;
• означает ли разрушение зарождение трещины, обнаруживаемый рост трещины или окончательное разрушение;
• количество образцов, результаты испытаний без разрушения, модель рассеяния, основу для доверительной вероятности или вероятности сохранения работоспособности и проектные поправки;
• является ли эксплуатационный спектр постоянной или переменной амплитуды и каким образом оценивается накопление повреждений.

Источники

1. [1]ASTM International. ASTM E466-21: Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials. 2021. https://store.astm.org/e0466-21.html
2. [2]International Organization for Standardization. ISO 1099:2017: Metallic materials — Fatigue testing — Axial force-controlled method. 2017. https://www.iso.org/standard/67847.html