Глава XII. Усталость материалов и элементов конструкций

12.1. Явление усталости

Усталостью материалов называется процесс образования и развития трещин под действием периодически меняющейся нагрузки.

Различают малоцикловую усталость, при которой наблюдаются заметные пластические деформации, а число циклов до разрушения не превышает 50 000 циклов, и многоцикловую усталость, при которой уровень напряжений может быть значительно ниже пределов упругости или текучести, а число циклов до разрушения составляет от сотен тысяч до десятков миллионов циклов. Но и в этом случае из-за существенной микронеоднородности современных конструкционных материалов зарождение трещины усталости связано с локальными повторными пластическими деформациями, протекающими в отдельных структурных элементах материала.

В дальнейшем речь пойдет, в основном, о многоцикловой усталости, при которой разрушение протекает без заметных пластических деформаций на макроуровне и имеет специфический характер. Трещина зарождается, как правило, с поверхности детали в наиболее нагруженных местах (выточках, галтелях, переходах, отверстиях и т.д.) и постепенно распространяется, как бы перерезывая деталь, уменьшая площадь ее рабочего сечения. В процессе развития трещины ее обнаружение крайне затруднительно, так как сама трещина обычно закрыта, а деталь долго сохраняет свою несущую способность. И только когда оставшееся сечение не сможет нести нагрузку, происходит катастрофическое, почти мгновенное разрушение детали.

Статистикой установлено, что боль- ше половины катастроф (без учета террористических актов) связано с этим грозным явлением.

При усталостном разрушении на поверхности излома можно выделить три характерные зоны (рис. 12.1): зону зарождения трещины 1, имеющую вид темного пятна, зону ее развития 2, занимающую, как правило, большую часть площади излома и представляющую гладкую поверхность, и так называемую зону долома 3 с зернистой структурой. Соотношение между размерами зон и их конфигурация зависят от вида и уровня нагружения и конструкции детали. Тонкие линии на рис. 12.1 показывают последовательное положение фронта трещины по мере ее распространения.

12.2. Характеристики цикла

Под действием периодически меняющихся нагрузок в опасной точке возникают так же периодически меняющиеся напряжения. Пусть в некоторой детали реализуется линейное напряженное состояние, а нормальные напряжения в опасном сечении во времени меняются по закону, показанному на рис. 12.2. Время, через которое значения напряжений полностью повторяются, называется периодом Т. Совокупность значений напряжений за период составляет цикл напряжений. С точки зрения усталости в большинстве случаев для характеристики цикла достаточно знать максимальное σ_max и минимальное σ_min значения напряжений в цикле.

С другой стороны, цикл можно представить как совокупность действия статического напряжения, равного среднему между максимальным и минимальным напряжениями цикла , и периодически меняющихся напряжений с амплитудой. Эти величины так и называются: σ_m – среднее напряжение, σ_a – амплитуда цикла. Кроме того, для характеристики цикла часто используют коэффициент асимметрии цикла .

В зависимости от знака и значения коэффициента асимметрии циклы подразделяются на знакопостоянные (R > 0) и знакопеременные (R < 0). Если R = 0, цикл называется положительным отнулевым, если R = ∞ – отрицательным отнулевым, при R = –1 цикл называется симметричным, а при R = 1 цикл вырождается в постоянно действующее напряжение. Примеры различных видов цикла приведены на рис. 12.3.