Понятие об усталости материалов. Циклы напряжений

Уже более 100 лет назад было замечено, что части машин и сооружений, подвергающиеся длительное время переменным напряжениям, могут разрушаться внезапно без заметных остаточных деформаций при напряжениях, значительно меньших предела прочности материалов. Причины этого явления были выявлены позже.

В настоящее время установлено, что структура материала при действии переменных нагрузок не меняется. Природа усталостного разрушения обусловлена особенностями молекулярного и кристаллического строений вещества. По-видимому, она кроется в неоднородности строения материалов. Например, отдельные кристаллы металла обладают различной прочностью в разных направлениях. Поэтому при определенных напряжениях в отдельных кристаллах возникают пластические деформации.

Опытами установлено, что если переменные напряжения становятся больше определенной величины для данного материала, то после некоторого числа перемен напряжений в материале появляются трещины. Возникшая трещина сама становится сильным концентратором напряжений.

Процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений, приводящий к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению называют усталостью материала.

При установившемся режиме изменение напряжений во времени носит повторяющийся (периодический) характер. Совокупность последовательных значений напряжений за один период их изменения при регулярной нагрузке называют циклом напряжений. Опыты показывают, что, как правило, изменение напряжений во времени происходит по закону, близкому к синусоиде (рисунок 16.1).

Рисунок 16.1

Цикл переменных напряжений в таком случае характеризуется:

1) максимальным по алгебраическому значению напряжением цикла ; ;

2) минимальным по алгебраическому значению напряжением цикла ; ;

3) средним напряжением цикла ; :

; (16.1)

4) амплитудой напряжений цикла ; :

; (16.2)

5) коэффициентом асимметрии цикла (16.3)

Циклы, имеющие одинаковые коэффициенты асимметрии R, называют подобными.

В случае, если , имеет место симметричный цикл напряжений. При этом ; ; (см. рисунок 16.1, б).

Цикл напряжений, показанный на рисунке 16.1, в, называется обнуленным (пульсационным). Для этого случая ; ; ; .

Постоянное статическое напряжение (см. рисунок 16.1, г) можно рассматривать как частный случай переменного с характеристиками; ; ; ; .

Любой симметричный цикл напряжений можно представить как сумму симметричного цикла с максимальным напряжением, равным амплитуде заданного цикла , и постоянного напряжения, равного среднему напряжению заданного цикла (см. рисунок 16.1, а).

В случае переменных касательных напряжений остаются в силе все приведенные здесь термины и соотношения с заменой σ на t.