9,2 Механические свойства при переменных (циклических) нагрузках

Длительное воздействие на металл повторно-переменных напряжений может вызвать образование трещин и разрушение даже при напряжении ниже 0,2.

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

Усталостный излом (рис. 39) состоит из очага разрушения 1 – места зарождения раз-рушения, зоны стабильного развития трещины 2 и зона долома 3 – участка развития трещи-ны, связанного с окончательным разрушением. Очаг разрушения обычно расположен вблизи поверхности. Поверхность как более нагруженная часть сечения (при изгибе и кручении) претерпевает микродеформацию, а затем в наклепанной зоне образуется подповерхностные

трещины. Растет только та трещина, которая имеет достаточную длину и острую вершину - магистральная трещина. Продвигаясь в глубь металла, усталостная трещина образует глубо-кий и острый надрез (рис.39 б).

Испытание на усталость проводят для определения предела выносливости, под кото-рым понимают наибольшее значение максимального напряжения цикла, при действии кото-рого не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого или за-данного числа циклов нагружения.

Цикл напряжения - это совокупность переменных значений напряжений за один пе-риод их изменения. За максимальное max или минимальное min напряжение принимают наибольшее и наименьшее по алгебраической величине напряжение.

Цикл характеризуется коэффициентом асимметрии:

R = min / max .

Если R = -1, то цикл называется симметричным, если min и max не равны по величи-не, то цикл асимметричный.

Предел выносливости обозначается R , а при симметричном цикле -1. Предел вы-носливости определяют на вращающемся образце (гладком или с надрезом) с приложением изгибающей нагрузки по симметричному циклу (рис.40).

По результатам испытания отдельных образцов строят кривые усталости (рис. 41). С уменьшением max долговечность возрастает. Горизонтальный участок на кривой усталости, т.е. max, не вызывающее разрушения при бесконечно большом числе циклов N , соответст-вует пределу выносливости R.

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.

Если образование трещин или полное разрушение происходит при числе циклов до 5*104, такая усталость называется малоцикловой, при большем числе циклов - многоцикловой. Предел выносливости снижается при наличии концентраторов напряжений. Чувствительность к концентраторам напряжений при симметричном цикле нагружения определяется эффективным коэффициентом концентрации напряжений

К = -1 /  -1к,

где  -1 и  -1к, - пределы выносливости образцов гладкого и с надрезом

(с концентратором напряжения).

Чем больше размер образца, тем больше в нем дефектов и запас упругой энергии, что облегчает образование и развитие усталостных трещин и снижает R (масштабный фактор). Коррозия на 50 - 60% и более снижает предел выносливости  -1.

Между пределом выносливости и временным сопротивлением существует определенная связь:

• для многих сталей отношение  -1/В  0,5

• для медных  -1/В  0,3 - 0,5

• для алюминиевых  -1/В  0,25 - 0,4

Однако следует иметь в виду, что при высоком значении В данное отношение сни-жается.

Живучесть. Важной характеристикой конструктивной прочности, характеризующей надежность материала, является живучесть при циклическом нагружении. Под живучестью понимают долговечность детали от момента зарождения первой макроскопической трещины усталости размером 0,5 - 1,0 мм до окончательного разрушения.

Количественно живучесть конструкции оценивается коэффициентом

 = 1 - 0 /  раз,

где 0 и  раз - продолжительность эксплуатации конструкции до появления трещин и до разрушения соответственно.

Живучесть имеет особое значение для надежности эксплуатации изделий, безава-рийная работа которых поддерживается путем периодического дефектоскопирования раз-личными физическими методами для выявления усталостных трещин. Чем меньше скорость развития трещины, тем легче ее обнаружить.