Механические свойства при переменных (циклических) нагрузках

        Длительное воздействие на металл повторно-переменных напряжений может вызвать образование трещин и разрушение даже при напряжении ниже σ^0,2.         Постепенное накопление повреждений в металле под действием циклических нагрузок, 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 разрушения, зоны стабильного развития трещины 2 и зона долома 3 – участка развития трещины, 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 глубокий и острый надрез (рис.39 в?).         Испытание на усталость проводят для определения предела выносливости, под которым понимают наибольшее значение максимального напряжения цикла, при действии которого не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого или заданного числа циклов нагружения.         Цикл напряжения - это совокупность переменных значений напряжений за один период их изменения. За максимальное σ ^max или минимальное

σ^min напряжение принимают наибольшее и наименьшее по алгебраической величине напряжение.         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.  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 снижается. 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, безаварийная работа которых поддерживается путем периодического дефектоскопирования различными физическими методами для выявления усталостных трещин. Чем меньше скорость развития трещины, тем легче ее обнаружить.

Изнашивание металлов

При трении сопряженных поверхностей имеет место изнашивание, под которым понимают процесс отделения материала с поверхности твердого тела и увеличения его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и формы тела.         Свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания, принято называть износостойкостью. В результате изнашивания изменяются размеры детали, увеличиваются зазоры между трущимися поверхностями, вызывающие биение и стук. Все это вызывает отказ машины.         При относительном перемещении контактирующих материалов возникает сила трения F, препятствующая взаимному перемещению. Сила трения F = P f,         где P - нормальная составляющая внешней силы, действующая на контактную поверхность, а f - коэффициент трения.         Обычно между трущимися поверхностями имеется тонкая пленка оксидов, которая изолирует поверхности соприкасающихся металлов. Механизм изнашивания и величина их износа зависят как от свойств материала пар трения, так и от характера их движения (трение скольжения, качения и т.д.), величины P , скорости перемещения v, и физико-химического действия среды.         При постоянных условиях трения имеет три стадии изнашивания (рис. 42):

Рис. 3.9.

1 - период приработки, при которой происходит интенсивное изнашивание, изменяется микрогеометрия поверхности и материал наклепывается; 2 - период установившегося износа, в течении которого интенсивность износа минимальная для заданных условиях трения; 3 - период катастрофического износа.         Виды изнашивания. Различают следующие виды изнашивания: механическое, коррозионно- механическое и электроэрозийное.         К механическому изнашиванию относят абразивное, гидроабразивное, газо-абразивное, эрозионное, кавитационное, усталостное, изнашивание при фреттинге и изнашивание при заедании.         Абразивное изнашивание материала происходит в результате режущего и царапающего действия твердых тел или абразивных частиц. Эти частицы попадают между контактирующими поверхностями со смазочным материалом или из воздуха. Абразивное изнашивание является типичным для многих деталей горных, буровых, строительных, дорожных, сельскохозяйственных и других машин, работающих в технологических средах, содержащих абразивные частицы ( грунт, разбуриваемые породы).         Изнашивание, происходящее в результате воздействия частиц, увлекаемых потоком жидкости, называют гидроабразивным изнашиванием. Оно имеет место, например, в мешалках и пропеллерах реакторов, в колесах и корпусах насосов, в шнеках и т.д.         Если абразивные частицы увлекаются потоком газа (например, в дымоходах и воздуходувках), то вызванное ими изнашивание называется газо-абразивным изнашиванием.         Под кавитационным изнашиванием понимают изнашиванием поверхности при относительном движении твердого тела в жидкости. В условиях кавитации работают гребные винты, гидротурбины, детали машин, подвергающиеся принудительному водяному охлаждению, трубопроводы.         Усталостное изнашивание (контактная усталость) происходит в результате накопления повреждений и разрушений поверхности под влияние циклических контактных нагрузок, вызывающих появления "ямок" выкрашивания. Усталостное изнашивание проявляется при трении, качении или реже качении с проскальзыванием, когда контакт деталей является сосредоточенным.         Так, контактную усталость можно наблюдать в тяжело нагруженных зубчатых и червячных передачах, подшипниках качения, рельсах и бандажах подвижного состава железнодорожного транспорта и т.д.         Изнашивание при фреттинг-коррозии происходит в болтовых и заклепочных соединениях, посадочных поверхностях подшипников качения, шестерен, муфт и других деталей, находящихся в подвижном контакте.         Причиной изнашивания является непрерывное разрушение защитной оксидной пленки в точках подвижного контакта, Коэффициент трения 0,1 - 1,0.         Изнашивание при заедании, при котором имеет место задир, что приводит к катастрофическим видам износа. При этом происходит разрушение поверхности , и трущиеся детали выходят из строя. Различают схватывание I рода (холодный задир) и II рода (горячий задир). Холодный задир происходит при трении с небольшими скоростями относительного перемещения ( до 0,5- 0,6 м/с) и удельными нагрузками, превышающими _ при отсутствии смазочного материала и защитной пленки оксидов. Горячий задир, имеет место при трении скольжения с большими скоростями (> 0,6 м/с) и нагрузками, когда в зоне контакта температура резко повышается (до 500- 1500⁰С). При схватывании I рода коэффициент трения 0,5 – 0,4 и толщина разрушающегося слоя до 3 - 4 мм, а при схватывании II соответственно 0,10 – 1,0 и до 1,0 мм.         Электроэррозийное изнашивание происходит в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока.         Допустимые виды изнашивания: окислительное и окислительная форма абразивного изнашивания, недопустимые разрушения при трении: схватывание I и II рода, фретинг – процесс, резание и царапанье (механическая форма абразивного изнашивания), усталость при качении и другие виды повреждения ( коррозия, эрозия и др.)

Временная зависимость прочности.

С увеличением времени действия нагрузки сопротивление пластической деформации и сопротивление разрушению понижаются. При комнатной температуре у металлов это становится особенно заметным при воздействии коррозионной (коррозия под напряжением) или др. активной (эффект Ребиндера) среды. При высоких температурах наблюдается явление ползучести, т. е. прироста пластической деформации с течением времени

при постоянном напряжении (рис. 3.10, а). Сопротивление металлов ползучести оценивают условным пределом ползучести - чаще всего напряжением, при котором пластическая деформация за 100 ч достигает 0,2 %, и обозначают его σ ^{0,2 / 100}.. Чем выше температура t , тем сильнее выражено явление ползучести и тем больше снижается во времени сопротивление разрушению металла {рис. 3.10, б). Последнее свойство характеризуют т. н. пределом длительной прочности, т. е. напряжением, которое при данной температуре вызывает разрушение материала за заданное время (например, σ ^{t 100} , σ ^{t 1000} и т. д.).

У полимерных материалов температурно-временная зависимость прочности и деформации выражена сильнее, чем у металлов. При нагреве пластмасс наблюдается высокоэластическая обратимая деформация; начиная с некоторой более высокой температуры развивается необратимая деформация, связанная с переходом материала в вязкотекучее состояние.

С ползучестью связано и др. важное механическое свойство материалов — склонность к релаксации напряжений, т. е. к постепенному падению напряжения в условиях, когда общая (упругая и пластическая) деформация сохраняет постоянную заданную величину (например, в затянутых болтах). Релаксация напряжений обусловлена увеличением доли пластической составляющей общей деформации и уменьшением её упругой части.

Рис. 3.10, Изменение механических свойств конструкционных материалов в функции времени (или числа циклов).

Если на металл действует нагрузка, периодически меняющаяся по какому-либо закону (например, синусоидальному), то с увеличением числа циклов N нагрузки его прочность уменьшается {рис. 3.10, в) - металл «устаёт». Для конструкционной стали такое падение прочности наблюдается до N = (2—5) 10⁶ циклов. В соответствии с этим говорят о пределе усталости конструкционной стали, понимая под ним обычно амплитуду напряжения

σ_макс - σ_мин / 2

ниже которой сталь при повторно-переменной нагрузки не разрушается.

Кривые усталости алюминиевых, титановых и магниевых сплавов обычно не имеют горизонтального участка, поэтому сопротивление усталости этих сплавов характеризуют т. н. ограниченными (соответствующими заданному АО пределами усталости. Сопротивление усталости зависит также от частоты приложения нагрузки. Сопротивление материалов в условиях низкой частоты и высоких значений повторной нагрузки (медленная, или малоцикловая, усталость) не связано однозначно с пределами усталости. В отличие от статической нагрузки, при повторно-переменных нагрузках всегда проявляется чувствительность к надрезу, т. е. предел усталости при наличии надреза ниже предела усталости гладкого образца.

Различают сопротивление термической усталости, когда появляющиеся в материале напряжения обусловлены тем, что в силу тех или иных причин, например из-за формы детали или условий её закрепления, возникающие при циклическом изменении температуры тепловые перемещения не могут быть реализованы. Сопротивление термической усталости зависит и от многих других свойств материала — коэффициентов линейного расширения и температуропроводности,, модуля упругости, предела упругости и др.