Показатели механических свойств, определяемые при циклических испытаниях

Большинство разрушений деталей и конструкций при эксплуатации происходит в результате циклического (знакопеременного) нагружения.

Разрушение металла под действием знакопеременных нагрузок называют усталостью. Усталостному разрушению предшествует процесс постепенного накопления повреждений и образование трещин в материале. Особенности усталостного разрушения:

- разрушение под действием знакопеременных нагрузок происходит при напряжениях, меньших, чем при статической нагрузке (меньше σ_в и σ_т);

- разрушение начинается с микродеформаций и локального зарождения трещины на поверхности или вблизи от нее в местах максимальной концентрации напряжений и протекает в несколько стадий;

- образуется излом с характерным строением, отражающим последовательность процессов усталости (рис.1.8).

 

 

Рис. 1.8. Усталостный излом: а) - общий вид, б) – схема строения

 

Свойство материалов противостоять усталости называют выносливостью. Предел выносливости – это максимальное напряжение, при котором образец не разрушается после бесконечного или заданного числа циклов нагружения. Под циклом напряжений понимают совокупность переменных значений напряжений за один период Т их изменения (рис. 1.9).

 

 

Рис. 1.9. Схема циклического нагружения

 

Предел выносливости обозначается σ_R, где R=σ_min/σ_max – коэффициент ассиметрии цикла. При симметричном цикле (σ_min=–σ_max) R=–1, и предел выносливости обозначается σ_-1.

Предел выносливости определяют при циклических испытаниях (испытаниях на усталость - ГОСТ 25502-79) (рис. 1.10).

 

 

Рис. 1.10. Построение кривой усталости

 

Образец закрепляют в подшипнике, задают знакопеременную нагрузку, соответствующую σ₁=0,6σ_В, и определяют число циклов до разрушения N₁. Проводят серию таких испытаний при последовательно уменьшающихся нагрузках (соответствующих напряжениям σ₂, σ₃, и т.д.) и по полученным данным (N₂, N₃ и т.д.) строят кривую усталости σ(N). С уменьшением амплитуды напряжения количество циклов до разрушения возрастает, напряжение, которое соответствует бесконечно большому числу циклов (горизонтальный участок кривой усталости), принимают за предел выносливости.

Для многих металлов (например, для цветных сплавов) нагрузка плавно снижается при увеличении числа циклов, т.е. кривая усталости не имеет горизонтального участка. В таких случаях определяют ограниченный предел выносливости, соответствующий заданному базовому числу циклов. База циклов для стали должна быть не ниже N=10⁷, для цветных металлов - N=10⁸ циклов.

Предел выносливости зависит от:

_- размера детали – чем крупнее деталь, тем ниже σ_-1;

- чистоты обработки поверхности и наличия концентраторов напряжений – надрезы, царапины, коррозия резко снижают σ_-1;

- вида термической обработки материала.

Для повышенияпредела выносливости детали подвергают поверхностной обработке: закалке ТВЧ, химико-термической обработке, поверхностной пластической деформации, которая создает дополнительные остаточные сжимающие напряжения в поверхностном слое.

Усталостью называется разрушение конструкции под действием циклических нагрузок. Когда деталь изгибается то в одну, то в другую сторону, ее поверхности поочередно подвергаются то сжатию, то растяжению. При достаточно большом числе циклов нагружения разрушение могут вызывать напряжения, значительно более низкие, чем те, при которых происходит разрушение в случае однократного нагружения. Знакопеременные напряжения вызывают локализованные пластическую деформацию и деформационное упрочнение материала, в результате чего с течением времени возникают малые трещины. Концентрация напряжений вблизи концов таких трещин заставляет их расти. Сначала трещины растут медленно, но по мере уменьшения поперечного сечения, на которое приходится нагрузка, напряжения у концов трещин увеличиваются. При этом трещины растут все быстрее и, наконец, мгновенно распространяются на все сечение детали.

Усталость, несомненно, является самой распространенной причиной выхода конструкций из строя в условиях эксплуатации. Особенно подвержены этому детали машин, работающие в условиях циклического нагружения. В авиастроении усталость оказывается очень важной проблемой из-за вибрации. Во избежание усталостного разрушения приходится часто проверять и заменять детали самолетов и вертолетов.