Механические свойства при переменных (циклических) нагрузках

Длительное воздействие на металл повторно-переменных напряжений может вызвать образование трещин и раз­рушение даже при напряжениях ниже s_0,2.

Рис. 42. Усталостный излом (а) и схема развития трещины усталости (б):

1 - очаг разрушения; 2 - зона стабильного развития трещины; 3 - зона долома; 4 - усталостные бороздки;

5 - начальная стадия образования трещины; 6 - магистральная трещина

Постепенное накопление повреждений в металле под дейст­вием циклических нагрузок, приводящих к образованию трещин и разрушению, называют усталостью, а свойство металлов со­противляться усталости - выносливостью.

Усталостный излом (рис. 42, а) состоит из очага разрушения 1 - места зарождения разрушения, зоны стабильного развития трещины 2 и зоны долома 3 - участка развития трещины, свя­занного с окончательным разрушением. Очаг разрушения обычно расположен вблизи поверхности. Поверхность как наиболее нагруженная часть сечения (при из­гибе, кручении) претерпевает микродеформацию, а затем в наклепанной зоне образуются подповерхностные трещины (рис. 42, б). Растет, однако, только та трещина, которая имеет достаточную длину и острую вершину (рис. 42, б) - магистральная трещина. Продвигаясь в глубь металла, усталостная трещина образует глубокий и острый надрез.

В зоне усталости нередко можно видеть полосы, расходящиеся от очага разрушения (усталостные бороздки), отражающие по­следовательное положение растущей трещины (рис. 42, а). Ско­рость роста трещины невелика. Рост трещины продолжается до тех пор, пока сечение не окажется столь малым, что действующие в нем напряжения превысят разрушающие. Тогда происходит быстрое разрушение, что приводит к образованию зоны долома (рис. 42, а). Зона долома имеет структуру, характерную для хрупкого или вязкого (в зависимости от природы материала) раз­рушения при однократных нагрузках (статических или ударных).

Испытание на усталость (ГОСТ 25502-79) проводят для оп­ределения предела выносливости, под которым понимают наибольшее значение максимального напряжения цикла, при действии которого не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого или заданного числа циклов нагружения.

Цикл напряжения - это совокупность переменных значений напряжений за один период их изменения. За максимальное s_max или минимальное s_min напряжение цикла принимают наибольшее или наименьшее по алгебраической величине напряжение. Цикл характеризуется коэффициентом асимметрии: R = s_min/s_max. Ес­ли R = -1, то цикл называют симметричным, если s_min и s_max не равны по величине, то цикл асимметричный.

Рис. 43. Схема испытания на усталость (а) и циклических изменений напряже­ний

(симметричный цикл s_max = - s_min) (б)

Предел выносливости обозначается s_R (R - коэффициент асимметрии цикла), а при симметричном цикле s_-1. Предел вы­носливости определяют на вращающемся образце (гладком или с надрезом) с приложением изгибающей нагрузки по симметрич­ному циклу (рис. 43).

По результатам испытания отдельных образцов строят кривые усталости в полулогарифмических или логарифмических координатах (рис. 44), а иногда в координатах s_max - 1/N.

С уменьшением s_max долговечность возрастает. Горизонталь­ный участок на кривой усталости, т. е. s_max, не вызывающее раз­рушения при бесконечном большом числе циклов N, соответ­ствует пределу выносливости s_R (рис. 44, кривая 1).

Рис. 44. Кривые усталости в координатах s_max - N (а) и lns_max - In N (б)

Многие металлы (обычно цветные и их сплавы) не имеют го­ризонтального участка на кривой усталости. В этом случае определяют ограниченный предел выносливости - наибольшее на­пряжение, которое выдерживает металл (сплав) в течение заданного числа циклов нагружения.

База испытания N должна быть не ниже 10 ^. 10⁶ циклов для стали и 100 ^. 10⁶ циклов для легких сплавов и других цветных металлов, не имеющих горизонтального участка на кривой усталости (рис. 44, кривая 2).

Если образование трещин или полное разрушение происходит при числе циклов до 5^. 10⁴, такая усталость называется мало­цикловой, при большом числе циклов - многоцикловой.

Мало­цикловая усталость имеет большое значение для штампового ин­струмента, деталей самолета (шасси, фюзеляж), сосудов высокого давления, узлов космических кораблей и т. д.

Предел выносливости снижается при наличии концентраторов напряжения.

Чувствительность к концентраторам напряжений при симметричном цикле нагружения определяется эффективным коэффициентом концентрации напряжений K_s = s_-1/s_-1к - пределы выносливости образцов гладкого и с надрезом (с концентратором напряжения).

Чем больше размер образца (изделия), тем больше в нем раз­личных дефектов (неметаллических включений, субмикроскопи­ческих трещин и т. д.) и запас упругой энергии, что облегчает образование и развитие усталостных трещин и снижает s_R (мас­штабный фактор).

Коррозия на 60…80 % и бо­лее снижает предел выносливости s_-1.

Между пределом выносливости s_-1 и временным сопротивлением s_В существует определенная связь.

Для многих сталей отноше­ние s_-1 / s_В» 0,5, для медных сплавов - 0,3…0,5 и для алюминиевых - 0,25…0,4. Поэтому, зная s_В, можно ориентировочно определить s_-1. Однако следует иметь в виду, что при высоком значении s_В (s_0,2) отношение s_-1 / s_В, снижается. С повышением прочности (s_В, s_0,2) возрастает s_-1 за счет увеличения сопротивления зарождения трещины усталости. Однако с увеличением s_0,2 снижается пла­стичность, что затрудняет релаксацию напряжений у вершины трещины и ускоряет ее развитие. С повышением прочности (по­нижением пластичности) возрастает чувствительность к концен­траторам напряжений. Поэтому высокопрочные стали могут иметь более низкий s_-1, чем менее прочные стали.

Дата добавления: 2014-01-05