Механические свойства, определяемые при переменных (циклических) нагрузках

Многие детали машин (валы, шатуны, зубчатые колеса) испытывают во время работы повторяющиеся циклические нагружения. Цикл напряжения— совокупность изменения напряжений между двумя его предельными значениями s_max и s_min в течение периода Т. При экспериментальном исследовании сопротивления усталости материала за основной принят синусоидальный цикл изменения напряжения (рис. 4.13). Он характеризуется коэффициентом асимметрии цикла R = s_min /s_max , aмплитудой напряжения s_а= (s_max- s_min)/2, средним напряжением цикла s_m= (s_max + s_min)/2.

Рис. 4.13. Синусоидальный цикл изменения напряжений

Различают симметричные (R=-1) и асимметричные (R изменяется в широких пределах) циклы. Различные виды циклов характеризуют различные режимы работы деталей машин.

Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, свойство противостоять усталости − выносливостью(ГОСТ 23207-78).

Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической нагрузки имеет ряд особенностей.

1. Оно происходит при напряжениях, меньших, чем при статической
нагрузке (меньше предела текучести или временного сопротивления).

2. Разрушение начинается на поверхности (или вблизи от неё) локально, в местах концентрации напряжений (деформации). Локальную концентрацию напряжений создают повреждения поверхности в результате циклического нагружения либо надрезы в виде следов обработки, воздействия среды.

3. Разрушение протекает в несколько стадий, характеризующих процессы накопления повреждений в материале, образования трещин усталости, постепенное развитие и слияние некоторых из них в одну магистральную трещину и быстрое окончательное разрушение.

4. Разрушение имеет характерное строение излома, отража­ющее последовательность процес­сов усталости. Излом состоит из очага разрушения (места образо­вания микротрещин) и двух зон — усталости и долома. Очаг разрушения примыкает к поверхности и имеет небольшие размеры и гладкую поверхность. Зону усталости формирует последовательное развитие трещины усталости. В этой зоне вид­ны характерные бороздки, которые имеют кон­фигурацию колец, что свидетельствует о скачко­образном продвижении трещины усталости. Зо­на усталости развивается до тех пор, пока в уменьшающемся рабочем сечении напряжения возрастут настолько, что вызовут его мгновен­ное разрушение. Эту последнюю стадию разру­шения характеризует зона долома.

О способности материала работать в усло­виях циклического нагружения судят по резуль­татам испытаний образцов на усталость (ГОСТ 25.502-79). Их проводят на специальных машинах, создающих в образцах многократное нагружение (растяжение-сжатие, изгиб, кручение). Образцы (не менее 15 шт.) испытывают последовательно на разных уровнях напряжений, определяя число ци­клов до разрушения. Результаты испытаний изображают в виде кри­вой усталости, которая в логарифмических координатах: максималь­ное напряжение цикла s_max (или s_а)− число циклов нагружений N − состоит из участков прямых линий (рис. 4.14). Горизонтальный уча­сток определяет напряжение, которое не вызывает усталостного разру­шения после неограниченно большого или заданного (базового N_s) числа циклов.

Рис. 4.14. Кривые усталости

Это напряжение представляет собой физический предел выносливости s_R (R − коэффициент асимметрии цикла), при симметричном цикле − s_-1. Наклонный уча­сток кривой ус­талости характеризует огра­ниченный предел выносливо­сти, равный напряжению s_К, которое может выдержать ма­териал в течение определенного числа циклов(N_К).

Кривые с горизонтальным участком типичны для сталей при невысоких температурах испытаний. Кривые без горизонтального участка (кривая 2 на рис. 4.14) характерны для цветных металлов, а также для всех материалов, работающих при высоких тем­пературах или в коррозионной среде. Та­кие материалы имеют только ограниченный предел выносливости.

Кривые усталости позволяют опреде­лить следующие критерии выносливости:

1) циклическая прочность— физиче­ский или ограниченный предел выносливо­сти. Она характеризует несущую способ­ность материала, т.е. то наибольшее напряжение, которое он способен выдержать за определенное время работы;

2) циклическая долговечность— число циклов (или эксплуатационных часов), которые выдерживают материал до образования усталостной трещины определенной протяженности или до усталостного разрушения при заданном напряже­нии.

Кривые выносливости в области ограниченной долговечности определяют на основе статистической обработки результатов испытаний. Это связано со значительным разбросом долговечности из-за её высокой чувствительности к состоянию поверхности образцов.

Кроме определения рассмотренных выше критериев многоцикловой выносливости, для некоторых специальных случаев применяют испыта­ния на малоцикловую усталость.Их проводят при высоких напряже­ниях (выше s_0,2) и малой частоте нагружения (обычно не более 5 Гц). Эти испытания имитируют условия работы конструкций (например, са­молетных), которые воспринимают редкие, но значительные циклические нагрузки. База таких испытаний не превышает 5 × 10⁴ циклов, поэтому малоцикловую усталость материала характеризует левая верхняя ветвь кривой усталости (см. рис. 4.14).

Дополнительные кри­терии выносливости. Из них наиболее важное значение имеет живучесть, определяемая скоростью роста трещины усталости (СРТУ). Живучестьхарактеризует способность материала работать в поврежденном состоя­нии после образования трещины. При высокой живучести можно своевременно путем дефектоскопии обнаружить тре­щину, заменить деталь и обеспечить безаварийную работу конструкции.