Какое свойство материала называют выносливостью

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 3 августа 2014;
проверки требуют 8 правок.

Изучение явления усталости показало, что при известных условиях разрушение материала при переменных напряжениях может и не произойти. Свойство материала выдерживать, не разрушаясь, больше число циклов переменных напряжений называют его выносливостью. Пределом выносливости (пределом усталости) называют наибольшую величину циклического напряжения, при котором материал может работать неограниченно долго без разрушения. Предел выносливости обозначается .

Усталостную прочность определяют по результатам экспериментальных исследований определенного числа образцов, подвергнутым испытаниям при различных уровнях циклических напряжений, вплоть до их разрушений. Результаты испытаний серии одинаковых образцов наносят на плоскость  или , где–  это максимальное за период цикла напряжение, а  – число циклов до полного разрушения, получая при этом так называемую диаграмму Веллера.

Опыт по определению предела выносливости производится следующим образом. Заготавливается партия образцов испытываемого материала. Выбирают ряд уровней циклических напряжений, при которых будут испытывать образцы. Первый уровень напряжений, как правило, наибольший и составляет величину равную 0,7-0,8 предела текучести материала,  остальные уровни напряжения берутся ниже. На каждом уровне напряжений испытывают 5-6 образцов. Эти образцы закладываются в машину и нагружаются. Когда произойдет излом или разрыв, машина автоматически выключается, а счетчик оборотов показывает число циклов , необходимое для разрушения образца.Эксперименты показывают, что при испытаниях образцов на одном и том же уровне напряжений наблюдается значительный разброс разрушений. В таких случаях устанавливают вероятность разрушения в течение некоторого времени t на данном уровне напряжений.

С понижением уровня напряжения долговечности испытываемых образцов возрастают настолько, что приходится назначать некоторое предельное время выдержки  , называемое базой испытаний, при которой образцы снимают с испытаний, когда часть из них не разрушилась. Напряжение, при котором 50% образцов разрушаются при , а остальные 50% проходят базу испытаний, называется ограниченным или условным пределом выносливости. 

Базы   по числам циклов составляют обычно  для черных металлов, для сплавов цветных металлов иногда до  . В настоящие время нет ясного представления о том, существует ли у материалов абсолютный предел выносливости, так как нередко образцы разрушаются после того, как они предварительно выдержали десятки и даже сотни миллионов циклов. Это можно объяснить наличием в материале технологических дефектов в виде пор, расслоений, неметаллических включений и дефектов поверхностей обработки. Наличие экспериментальных данных об испытаниях конструкционных цветных сплавов дает основание утверждать, что последние не имеют абсолютного предела выносливости. Особую область исследований представляют испытания материалов в условиях коррозионно-агрессивных сред. Многие материалы в этих условиях определенно не имеют абсолютного предела выносливости. Также кроме напряженного состояния в материале еще проявляются электрохимические явления, получившие название эффект Ребиндера.

Предел выносливости при асимметрических циклах нагружения

Наиболее опасным циклом нагружения является симметричный цикл нагружения. Однако большое количество деталей машин работает при асимметричных циклах нагружения.  Рассмотрим  диаграмму Хея-Зодерберта для  стали 45.

Диаграмма Хея-Зодерберта строится в координатах амплитуды напряжений– , постоянная составляющая цикла– . Так как  при всегда меньше предела прочности , то все возможные механические состояния материалов находятся в пределах треугольника оав, причем уравнение прямой I имеет вид:

Уравнение прямой 2 представляется так:

Кривая 3– экспериментальная кривая предела выносливости, полученная при разных амплитудах и постоянных составляющих циклах  на одной и той же базе . Ордината при абсциссе  представляет собой предел выносливости при симметричном цикле нагружения,  обозначается через .

Для кривой выносливости левее луча  можно записать эмпирическую зависимость:

,

где К – эмпирический коэффициент, для стали 45 равный 0,6; для других марок сталей около 0,4.

Правее этого луча   в некоторый момент начинается медленное развитие шейки, как это имеет место при быстром нагружении материала.

Кривая пределов выносливости продолжена в область отрицательных напряжений, где значение  меньше абсолютного значения  . В этой области амплитуды пределов выносливости быстро возрастают. Это обстоятельство дает основание утверждать, что при знакопостоянных напряжениях сжатия усталостные разрушения сталей отсутствуют.

Для сравнения с диаграммой Хея-Зодерберга для стали представим такую же диаграмму для серого чугуна. Чугун С4 12-28 представляет относительно хрупкий материал.

Кривая пределов выносливости доходит до линии I, уравнение которой так как чугун разрушается без образования шейки. В области сжимающих напряжений кривая выносливости имеет экстремум и располагается внутри треугольника оав. Это означает, что сопротивление циклическому сжатию ниже сопротивления статическому сжатию. Предел выносливости стали связан с пределом прочности материала и зависит от вида деформации.

Известны следующие эмпирические зависимости для определения предела выносливости при симметричном цикле нагружения:

при изгибе 

при растяжении 

при кручении 

В настоящее время нет достаточно чёткого объяснения того, что в условиях значительных сжимающих напряжений пластические материалы не разрушаются. По-видимому, под действием растягивающих напряжений микротрещина будет развиваться и расти, а под действием сжимающих напряжений закрываться .

Усталость и выносливость металлов

Процесс постепенного накопления повреждений в металле под
длительным
воздействием повторных или повторно-переменных напряжений, приводящий к
образованию трещин и разрушению, называют

усталостью.
Важнейшей особенностью этого процесса
является то обстоятельство, что он развивается при
напряжениях,
 
значительно
меньших (в два и более раз), чем временное сопротивление
σв, которое является мерой прочности при статическом

напряжении.
Важно также, что разрушение в результате усталости
во многих случаях не сопровождается заметной макродеформацией
образца или детали, поэтому такое разрушение чрезвычайно трудно предупредить.

Свойство металла выдерживать повторно-переменные нагрузки,
т. е. сопротивляться усталости, называют

выносливостью.

Совокупность последовательных значений переменных напряжений
за один период процесса их изменения называют

циклом

напряжений.
Период

Т
— это продолжительность одного цикла
(Рис.

1).
Напряжения цикла выражают уравнением

σ
=

σm+

σaf(τ),                                                             
(1)

где σm
— среднее напряжение цикла; σa — амплитуда цикла; f(τ)
— непрерывная периодическая функция, определяющая форму
цикла
во времени и изменяющаяся в пределах от

-1
до +1.

Максимальное напряжение цикла σмакс
— это наибольшее
по
алгебраической величине напряжение, а минимальное σмин
—
наименьшее
по алгебраической величине напряжение цикла.

Максимальное
напряжение равно алгебраической сумме среднего

напряжения
и амплитуды, а минимальное

—

их алгебраической

разности:

σмакс
=

σm

+

σa;

 σмин
=

σm

—

σa                                

(2)

Алгебраическую разность между максимальным и минимальным
напряжениями называют размахом напряжений цикла:

2σa

 =

σмакс
—

σмин
                                                      (3)         

Размах напряжений, таким образом, равен удвоенной амплитуде.

   Рис.
1. К определению понятия о цикле напряжений

 Важной характеристикой цикла является коэффициент
асимметрии

R,
который равен алгебраическому
отношению
минимального

напряжения
цикла к макси мальному:

R

=
σмин
/ σмакс                                                        
(4)

Если максимальное напряжение цикла равно по абсолютной
величине
минимальному, то цикл называют

симметричным,

a

R

=
—
1;
если
σмин

 и σмакс
не равны по величине, то цикл

асимметричный.

Функцию

f(т)
в формуле (1)
обычно аппроксимируют синусоидой,
поскольку форма цикла, как правило, практически не влияют
на результаты усталостных испытаний.

Испытание на усталость (ГОСТ 25502) проводят для определе­ния

предела выносливости,
под которым понимают наибольшее
значение
максимального напряжения цикла, при действии кото­рою не происходит усталостного
разрушения образца после произвольно
большого или заданного числа циклов нагружения

N.

Предел выносливости обозначают σR

— коэффициент асимметрии цикла, а при симметричном цикле σ-1.

Предел выносливости определяют на вращающемся образце (гладком или с надрезом) с
приложением изгибающей нагрузки по
симметричному
циклу (Рис.

2).
Для определения используют не менее десяти образцов, чаще диаметром 7,5 мм.
Каждый образец испытывают только на одном уровне напряжений до разрушения или до
базового числа циклов

N.
По результатам испытания от-
дельных
образцов строят кривые усталости в полулогарифмичес­ких или логарифмических
координатах (Рис.

3).

С уменьшением σмакс
долговечность возрастает. Горизонтальный участок на кривой усталости, отвечающий
максимальному напряжению σмакс,
не вызывающему разрушения при бесконеч­ном большом числе циклов

N,
соответствует пределу выносливости

 σR

(см.
Рис.

3,
кривая
1).

 Рис. 2. Схема испытания на усталость

(а)

и соответствующих циклических
изменений напряжений
во времени при симметричном
цикле (σмакс
= —
σмин)

(б)

Рис. 3
Вид кривых усталости в координатах «σмакc
–N»
(а) и «ln

σмакc
— ln N» (б)

 Многие металлы (обыч­но цветные
металлы 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
(см.
Рис.

3,
кривая

2).

Если образование трещин или полное разрушение происходит
при числе циклов до 5.104,
такая усталость называется

малоцикловой,
при большем числе циклов —

многоцикловой.
Малоцикловая
усталость имеет большое значение для оценки прочности

штампованного

инструмента, деталей самолета, сосудов высокого давления,
узлов космических кораблей и др.

Предел выносливости снижается при наличии концентраторов напряжений.
Чувствительность к концентраторам напряжении при симметричном цикле нагружения
определяется

эффективным
коэффициентом концентрации напряжений
кσ = σ-1
/ σ-1к,
где σ-1
и
σ-1к
—
пределы выносливости образцов гладкого и с надрезом (с
концентратором напряжений).

Чем больше размер образца (изделия), тем больше в нем [им личных дефектов
(неметаллических включений, субмикроскопических
трещин и др.) и запас упругой энергии, что облегчает

образование
и развитие усталостных трещин и снижает σR
 (влияние
масштабного фактора).

Коррозия снижает предел выносливости σ-1 
на 50…60%
и более.

Между пределом выносливости σ-1
и временным сопротивлением
σв существует определенная связь. Для многих сталей отношение σ-1
/ σb

примерно равно
0,5, для медных сплавов
—
0,3…0,5 и для алюми­ниевых
—
0,25…0,4. Поэтому, зная σв, можно ориентировочно оп­ределить σ-1,
но учитывая, что при высоком значении σв отноше­ние σ-1
/ σb
снижается.

При этом следует иметь в виду, что с повышением прочности σв
значение
σ-1
возрастает за счет увеличения сопротивления зарож­дения трещины усталости. С
увеличением предела текучести σ0,2
снижается
пластичность, что затрудняет релаксацию напряжений у вершины трещины и ускоряет
ее развитие.

В целом с повышением прочности (понижением пластичности)
возрастает
чувствительность металла к концентраторам напряже­ний. Поэтому высокопрочные
сплавы могут иметь более низкий σ-1,
чем менее прочные.