Характеристики материала, определяемые при циклическом нагружении (усталость и выносливость)

Порог хладноломкости

Порог хладноломкости – температурный интервал (t _н – t _в) (рис. 4.5), в котором происходит изменение работы распространения трещины материала от начального значения КС _р0до 0.

R, мм  

КС,  

Дж/м²  

КС _р  

КС _з  

Рис. 4.4. Определение КС _р и КС _з

0 t _н t ₅₀ t _в t _экс t _, ºС

КС _{р 50}  

КС _р0  

Дж/м²  

КС _р,  

Рис. 4.5. Зависимость работы распространения трещины от температуры

Если t > t _в, то КС _р= КС _р0 и материал разрушается вязко, если t < t _н, то КС _р= 0, а разрушение материала имеет хрупкий характер. В интервале температур (t _н – t _в) в изломе присутствуют как вязкая, так и хрупкая составляющие.

Температура полухрупкости (t ₅₀) – температура, при которой работа распространения трещины КС _р0 уменьшается на 50 %.

Для надежной работы материал должен эксплуатироваться при t > t ₅₀ . Разница между температурой эксплуатации и t ₅₀ называется запасом вязкости. Эксплуатация материала при t < t _н недопустима ввиду низкой надежности, обусловленной хрупким разрушением.

Процесс разрушения материала под действием циклических нагрузок, называются усталостью, а свойство противостоять усталости – выносливостью.

Усталость материала оценивают при циклическом нагружении, когда нагрузка на исследуемый образец периодически изменяется по величине или по величине и направлению.

Схема циклического нагружения детали приведена на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Схема циклического нагружения вала

Изменение нагрузки характеризуют (рис. 4.7):

- коэффициентом ассиметрии цикла R = σ_min/σ_max;

- периодом цикла Т;

- амплитудой цикла - σ_а = (σ_max - σ_min)/2.

где σ_min - минимальное напряжение цикла, σ_max – максимальное напряжение цикла. Различают симметричный цикл, когда |σ_min| = |σ_max| и
R = - σ_min/σ_max = - 1 и ассиметричный цикл, когда |σ_min| ≠ |σ_max|.

σ _max  

σ _max  

σ _min  

σ _min  

-σ  

-σ  

+σ  

+σ  

а) б)

Рис. 4.7. Типы циклов: а) – симметричный, б) – асимметричный

Разрушение от усталости происходит при напряжениях меньших σ_у, определенного при статических испытаниях.

В процессе усталостного разрушения выделяют три стадии (рис. 4.8).

1. Зарождение трещины. Зарождение трещины начинается на поверхности детали в местах концентрации напряжений на дефектах поверхности (микротрещины, следы коррозии, дефекты механической обработки).

2. Стадия усталости – относительно медленное распространение трещины по сечению детали.

3. Стадия долома. Происходит мгновенное разрушение детали.

Стадиям усталостного разрушения соответствуют три зоны разрушения: зона зарождение трещины, зона распространения трещины и зона долома (рис. 4.8).

Параметры усталости определяют по экспериментальным зависимостям σ_max = f (N), где N – число циклов до разрушения (рис. 4.9).

По кривым σ_max = f (N) определяют следующие параметры:

- физический предел выносливости σ _R – напряжение, которое не вызывает усталостное разрушение материала после неограниченного числа циклов; обычно число циклов ограничивают так называемым базовым числом N _б. Для стали принимают N _б = 10⁷;

- ограниченный предел выносливости σ _к - напряжение, которое выдерживает материал в течение ограниченного числа циклов N_к, при этом σ _к называют критерием малоцикловой выносливости, N_к – циклической долговечностью.

Рис. 4.8. Зоны разрушения: 1 – зона зарождения трещины,

2 – зона усталости, 3 – зона долома

N_к N_б = 10⁷ N `  

σ _к  

σ _R  

σ _max  

1

Рис. 4.9. Зависимость числа циклов до разрушения N от максимального напряжения σ_max цикла

Кривая 1 описывает поведение сталей при относительно невысоких температурах испытаний. Для сталей при высоких температурах и при работе в коррозиоактивных средах, а также для цветных металлов процесс усталости описывается кривой 2. В данном случае усталость материала оценивают только параметром σ _к.

Дата добавления: 2017-01-13