5. Влияние фактора времени на механическое поведение материала

Твёрдые тела обнаруживают достаточно сложную зависимость деформации от времени. После начала действия силы и появления напряжения деформация в образце в полной мере устанавливается не сразу, а после прекращения действия этих факторов она пропадает тоже не целиком: часть ее сохраняется и медленно спадает со временем. Схематически зависимость упругой деформации от времени представлена на рисунке 5.

Е

Рис. 5 Зависимость упругой деформации от времени

Если в момент времени t₀ в твердом теле возникает определенное напряжение σ, которое сохраняется до времени t₁, то в теле быстро устанавливается начальная упругая деформация АВ, которая затем продолжает медленно возрастать по кривой ВС'С (явление ползучести).

Ползучесть – непрерывное увеличение деформации под действием постоянного напряжения.

Когда в момент времени t₁ напряжение σ становится равным нулю, то деформация вначале спадает быстро на величину СD, равную АВ, а затем постепенно уменьшается по кривой DЕЕ' (см. рис. 5). Таким образом, после прекращения действия напряжения сохраняется остаточная деформация А'D, спадающая лишь постепенно: тело медленно восстанавливает свою форму. Это явление называется упругим последействием. Оно характеризуется рековери: R = h₁ – h₂, где h₁ – величина образца на 30-й секунде после приложения нагрузки, h₂ – величина образца через 2 часа после снятия нагрузки.

6. Понятие об усталостной прочности материала

Усталость материала – явление разрушения материала при действии переменных напряжений меньших, чем предел прочности (_max < _пр).

Выносливость или усталостная прочность – способность материалов выдерживать, не разрушаясь, большое число циклов изменяющихся во времени напряжений (сопротивляться усталости).

В процессе любого усталостного испытания на образец действуют циклические напряжения, непрерывно изменяющиеся по величине и часто – по знаку. Цикл напряжений – это совокупность их переменных значений за один период измерения.

Типичный пример используемых циклов напряжения приведен на рис. 6

Рис. 6 Циклы напряжения при усталостных испытаниях

Предел усталости (выносливости) σ_уст – максимальное напряжение цикла, при котором образец выдерживает, не разрушаясь, неограниченное число циклов. График, показывающий зависимость максимального напряжения σ_max, при котором происходит разрушение образца, от числа циклов (N), называется кривой выносливости или кривой усталости (рис. 7).

Рис. 7 Кривая выносливости (усталости) образца

Между пределами выносливости σ_уст и прочности σ_пр металлов существует приближённая зависимость:

σ_уст ≈ 0,43 σ_пр при изгибе;

σ_уст ≈ 0,36 σ_пр при растяжении-сжатии.

Условие прочности: наибольшие действующие напряжения должны быть меньше предела усталости, т.е. σ_max <, где к_уст – коэффициент запаса при циклических испытаниях.

Предел усталости зависит от типа деформаций (изгиб, кручение, сложная деформация и т.д.) и соотношения крайних значений меняющегося напряжения. Например, предел усталости стальных протезов при переменных деформациях растяжения и сжатия на 30% ниже, чем при деформациях изгиба, при кручении – примерно вдвое ниже, чем при изгибе. Предел усталости золотых протезов и протезов из цветных металлов в 2-4 раза меньше предела прочности.