§10. Міцність матеріалів при повторно-змінних навантаженнях

Елементи конструкцій і машин часто працюють при напруженнях, що змінюються не тільки за величиною, але й за знаком. В подібних умовах перебувають, наприклад, осі вагонів, рейки, ресори, поршневі штоки, вали і інші деталі машин. Як показує практика, такі деталі можуть руйнуватися при напруженнях, менших не лише за границю міцності, а й навіть за границю пружності.

Зниження міцності матеріалу при дії на нього повторно-змінних навантажень називається втомленістю матеріалу, а властивість витриму­вати, не руйнуючись, багатократну дію змінних напружень — витриваліс­тю матеріалу.

10.1. Фізичні основи руйнування матеріалу від втомленості. Дослідження процесу руйнування при змінних напруженнях показали, що при цьому в матеріалі виникає мікротріщинка, яка поступово проникає в глибину деталі. Поява тріщини зумовлена кристалічною будовою матеріалу і повторно-змінними навантаженнями.

Зерна-кристаліти, з яких складається метал, мають анізотропію фізичних і механічних властивостей. Оскільки вони орієнтовані по різ­ному, то при дії навантаження в окремих найменш сприятливо орієнтова­них зернах можуть виникнути перенапруження (пластичні деформації), а отже і явище наклепу. Внаслідок цього, частинки (зерна), що зазнали наклепу, стануть більш жорсткими і при наступних навантаженнях сприйматимуть на себе більшу його частину. Сусідні зерна при цьому дещо розвантажуються, а наклепані знову перевантажуються. Це відбувається до того часу, поки напруження в них не досягне границі міцності і в зерні появиться надрив, його цілісність порушиться і виникне мікротріщина.

Тріщини, що виникають з окремих зернах, загрози не становлять, бо їх розміри одного порядку із зернами. Якщо поряд виявиться кілька зерен з мікротріщинами, то виникає велика тріщина (макротріщина). Змінні навантаження сприяють швидкому її розвитку, бо під час дефор­мації стержня її краї то зближуються, то віддаляються. У міру розвит­ку тріщини втомленості поперечний переріз стержня ослаблюється все більше і в деякий момент ослаблення досягає такого значення, що ви­падковий удар або поштовх викликає миттєве крихке руйнування.

Тріщини втомленості в деталі, як правило, мають місцевий харак­тер і не впливають на властивості матеріалу в цілому. Наклеп у мікрооб'ємах і супроводжуючі його безпечні мікротріщини з окремих розріз­нених зернах виникають лише до появи мікротріщини, після чого їх дальший розвиток припиняється. Це пояснюється тим, що значно частина енергії зовнішнього навантаження витрачається на розширення тріщини, яка утворилась.

Отже, втомленість матеріалу — це процес поступового виникнення і розвитку тріщин під дією повторно-змінних силових навантажень.

10.2. Цикли напружень. Визначення границі витривалості. Зміна напружень від одного крайнього значення до іншого і навпаки називається циклом напружень. Кожен цикл - це замкнута однократна зміна напружень, які дістають ряд неперервних значень. В залежності від співвідношення крайніх значень напружень розрізняють симетричні і асиметричні цикли (мал.2.67). У випадку симетричного циклу крайні значення напружень , однакові за величиною і протилежні за знаком (мал.2.67а). .

Асиметричний цикл (мал. 2.67б) можна розглядати як симетричний цикл, на який накладено постійне напруження. Якщо або дорівнюють нулю, то цикл називається пульсуючим.

Основними характеристиками циклу напружень являються і , середнє напруження циклу , (а)

а також амплітуда напру­жень циклу

. (б)

Середнє напруження циклу може бути додатнім, від'ємним або дорівнювати нулю, а амплітуда циклу — завжди додання величина.

Для характеристики ступеня асиметрії, циклу вводиться коефіцієнт асиметрії циклу

.

При симетричному циклі , при пульсуючому .

Не всякі змінні за величиною напруження викликають втомне руйнування. Найбільше змінне напруження, при якому матеріал не руйнується при довільному числі циклів навантаження, називається границею витривалості . Це напруження суттєво залежите як від виду деформації, так і від характеру циклу напружень. Границя витривалості для кожного матеріалу визначається дослідним способом на спеціальних випробувальних машинах. Для цього вибирають 6-12 чисто оброблених (відполірованих) з плавними, обрисами зразків. Першому зразку надають напруження , які дорівнюють . Пропрацювавши невелике число циклів , зразок руйнується.

Другому зразку надають напруження менші при тому ж . Природно, що число циклів до руйнування буде більше, ніж . Напруження для кожного наступного зразка зменшують доти, доки черговому зразку буде задане таке напруження, при якому він працюватиме нескінченно довго. Де напруження і є границею витривалості .

Дані випробувань для кожного зразка у координатах (, ) зображуємо дочками і з'єднуємо плавною лінією, яка називається кривою витривалості (мал. 2.68). Якщо цю криву продовжити вліво, то на осі на­пружень вона відсіче від­різок, рівний границі міц­ності. Знаючи, які напру­ження виникають в деталі, за кривою витривалості можна визначити строк служ­би деталі, тобто число циклів, яке може витримати деталь, не руйнуючись.

Це число циклів називається довговічністю.