Структура и усталостное разрушение изделий

Установлено, что многократное приложение нагрузок вызывает разрушение деталей машин и элементов конструкций при напряжени­ях значительно меньших, чем в случаях их однократного разрушения. Это явление получило название усталости металлов.

Нагрузки, изменяющиеся во времени, принято называть цикли­ческими или усталостными нагрузками, а соответствующие им на­пряжения - циклическими или усталостными. Нагрузка может быть нерегулярной, хаотичной, вообще говоря, случайной или подчинять­ся определённому правилу. В этом случае говорим о неустойчивом или устойчивом характере нагружения.

Для усталости характерен транскристаллический тип трещин в отличии от межкристаллитной при длительном статическом разрыве.

Критерий, характеризующий сопротивление материала устало­стному разрушению называется пределом выносливости. Пределом выносливости называется наибольшее напряжение цикла, которое может выдержать материал без разрушения при весьма большом (ус­ловно задаваемом) числе циклов напряжений N_o, называемом базой (для сталей обычно база принимается 10⁷ циклов, а для лёгких сплавов 5-10x10⁷ циклов). Сопротивление усталости зависит от типа напря­жённого состояния и от характера нагрузок.

Зависимость = f(t) предполагается периодической с периодом равным Т; циклом напряжений называется однократная их смена, со­ответствующая полному периоду их изменения.

Сопротивление усталости при переменных напряжениях зависит от характера изменения напряжений во времени (рисунок 3.14).

Цикл напряжений характеризуется следующими величинами:

Небольшим напряжением цикла _мах или _мах, которое находит­ся как наибольшее по алгебраической величине напряжение цикла. Среднее напряжение цикла _м или _м определяются выражением:

;

а амплитуда цикла определяется выражением:

;

Кроме указанных, характерным параметром является также ко­эффициент асимметрии цикла r, определяемый отношением наи­меньшего напряжения к наибольшему

или

Рисунок 3.14 – Схема изменения напряжений во времени:

а – симметричный цикл; б – пульсирующий цикл; в – асимметричный цикл.

В расчётах используются пределы выносливости, определяемые для различной асимметрии цикла

- пределы выносливости при симметричном цикле;

- пределы выносливости при пульсирующем цикле;

- пределы выносливости при асимметричном цикле.

Разрушение металлов при базовом числе циклов 10⁶ -10⁷ носит название многоцикловой усталости. На рисунке 3.15 показана типич­ная усталостная кривая.

Известно, что если в испытаниях заданной переменной величи­ной является напряжение (мягкий пежим), то левая наклонная ветвь усталостной кривой характеризуется обычно большим разбро­дом экспериментальных результатов.

Рисунок 3.15 – Полная усталостная кривая Велера в логарифми­ческих координатах:

I – малоцикловая область; II – область ограниченной долговечности;

III – область постоянной прочности.

Это происходит потому, что в данном диапазоне максимальное напряжение цикла обычно выше предела текучести материала и в об­разце создаются нестабильные условия в следствии пластического те­чения. Область до 10⁴ циклов перемен нагрузок. Если за переменную величину взять деформацию

(жёсткий режим), то результаты испы­таний становятся значительно стабильнее. На рисунке 3.16 показаны характерные кривые малоцикловой усталости для углеродистой, с по­вышенным содержанием марганца и высоколигированных сталей. Как отмечается для двух материалов сопротивление разрушению в диапазоне малоцикловой усталости может быть противоположным по сравнению с сопротивлением усталости этих материалов при большем числе циклов.

Повышение температуры, как правило, понижает циклическую прочность металлов. Наиболее сильно влияют на прочность высокие температуры, когда происходит суммирование повреждений от усталости и ползучести.

Рисунок 3.16 – Кривые малоцикловой усталости трёх классов стали:

1 – углеродистых;2 – высоколегированных; 3 – низколегированных.

3.11.3 старение и разрушение материалов, обусловленных явлениями ползучести и релаксации.

Ранее уже указывалось на значительное влияние температурного фактора, на поведение конструкционных материалов, находящихся в напряжённом состоянии.

Напряжения и деформации, возникшие при нагружении деталей в условиях высоких температур, изменяются во времени, даже если нагрузки остаются постоянными. Это явление называется ползуче­стью материала. Изменение во времени деформаций носит название собственно ползучестью или последствием, а изменение во времени напряжений - релаксацией.

Дата добавления: 2014-01-07