Предел выносливости материалов

Для расчетов на прочность при повторно – переменных напряжениях требуется знание механических характеристик материала. Их определяют испытанием на сопротивление усталости серии стандартных тщательно отполированных образцов на специальных машинах. Наиболее простым является испытание на изгиб при симметрическом цикле напряжений.

Задавая образцам различные значения напряжений , определяют число циклов N, при котором произошло их разрушение. По полученным данным строят кривую - N, называемую кривой усталости. Если данную кривую построить в логарифмических координатах, то приобретает вид прямой (рис.6). Как видно из рис.6, а при малых напряжениях образец, не разрушаясь, может выдержать очень большое число циклов нагружения.

Условным пределом выносливости или пределом ограниченной выносливости называется наибольшее максимальное напряжение, при котором не происходит разрушение, когда осуществляется определенное число циклов, принятое за базу - .

Для конструкционной и легированной стали предел выносливости находится в точке пересечения левой и правой ветви выносливости (рис.6, а). При этом предполагалось, что переменные напряжения меньше ограниченного предела выносливости не оказывают влияние. Поэтому правая ветвь выносливости параллельна к оси абсцисс. Однако согласно ГОСТ 21354-87 на контактную выносливость оказывает влияние напряжение больше , а на изгибную прочность - напряжения больше _. Следовательно, правая ветвь не горизонтальна, а имеет некоторый наклон.

Вообще допущение о горизонтальности правой ветви выносливости противоречит физической сущности явления усталости, если рассматривать усталость как результат потерь на гистерезис при нагружении и разгрузке детали переменного режима работы. Оно также не согласуется с дислокационной теорией разрушения Тейлора, Оравана и Полани, которая подтверждает процесс постепенного искажения кристаллической решетки и структуры вследствие движения дислокаций и скопления вакансий под действием внутренних напряжений, в результате происходит образование очагов микротрещины даже в идеальных условиях. рое на некоторых материалах проявляется в виде микроскопических бугор-

ков и впадинок – экструзий и интрузий);затем происходит развитие сдвигов в микротрещины, их рост и слияние; на последнем этапе появляется одна или несколько макротрещин, которая достаточно интенсивно развивается (растет). Края трещины под действием переменной нагрузки притираются друг об друга, и поэтому зона роста трещины отличается гладкой (полированной) поверхностью. По мерероста трещины поперечное сечение детали все больше ослабляется, и наконец происходит внезапное хрупкое разрушение детали, при этом зона хрупкого долома имеет грубозернистую кристаллическую структуру (как при хрупком разрушении).

22.2. Основные характеристики циклического нагружения.

Виды циклов нагружения

Усталостная прочность материалов при повторно-переменном нагружении во многом зависит от характера изменения напряжений во времени. При этом далее будем изучать периодические нагрузки.

Периодическая нагрузка – переменная нагрузка с установившимся во времени характером изменения, значения которой повторяются через определенный промежуток (период) времени.

Цикл напряжений – совокупность всех значений переменных напряжений за время одного периода изменения нагрузки. Цикл напряжений может описываться любым периодическим законом, чаще всего – синусоидальным. Однако прочность материала при циклическом нагружении зависит не от закона изменения напряжений во времени, а в основном от значений наибольшего (максимального, σmax) и наименьшего (минимального, σmin) напряжений в цикле.Обычно цикл напряжений характеризуется двумя независимыми из следующих

основных характеристик (параметров цикла):

σmax – максимальное напряжение цикла

(наибольшее в алгебраическом смысле напряжение цикла);

σmin – минимальное напряжение цикла

(наименьшее в алгебраическом смысле напряжение цикла);

σm – среднее напряжение цикла (полусумма наибольшего и наименьшего напряжений цикла)

σa – амплитудное напряжение цикла (полуразность наибольшего и наименьшего напряжений цикла)

R – коэффициент асимметрии цикла напряжений (отношение наименьшего и наибольшего напряжений цикла)

В зависимости от величины перечисленных характеристик циклы напряжений могут быть подразделены на следующие основные типы:

симметричный цикл – максимальное и минимальное напряжения равны по абсолютной величине и противоположны по знаку

асимметричный цикл – максимальное и минимальное напряжения не равны по абсолютной величине, при этом асимметричный цикл может быть знакопеременным или знак постоянным;

знакопеременный цикл – максимальное и минимальное напряжения не равны по абсолютной величине и противоположны по знаку (R<0, R≠-1);

знакопостоянный цикл – максимальное и минимальное напряжения не равны по абсолютной величине и имеют одинаковый знак (R>0, R≠1);

отнулевой (пульсирующий) цикл – максимальное или минимальное напряжения равны нулю (σmin=0

или σmax=0, R=0 или R=∞); Циклы с одинаковым коэффициентом асимметрии R называют подобными. R меняется от +∞ до –1.

Предел выносливости (усталости) σR – наибольшее (предельное) напряжение цикла, при котором не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого числа циклов. Обозначение предела выносливости для симметричного цикла – σ–1, для отнулевого – σ0.

Так как испытания нельзя проводить бесконечно большое время, то число циклов ограничивают некоторым пределом, который называют базовым числом циклов. В этом случае, если образец выдерживает базовое число циклов, то считается, что напряжение в нем не выше предела выносливости.

Для черных металлов базовое число циклов Nб=107. Кривые усталости для цветных металлов

не имеют горизонтальных участков. По этому для них база испытаний увеличивается до Nб=108 и устанавливается предел ограниченной выносливости (σ–1N) для данной базы испытаний.

22.5. Факторы, влияющие на усталостную прочность материалов

На величину предела выносливости образцов и деталей, изготовленных из одного и того же материала, кроме характеристик цикла нагружения влияет целый ряд различных факторов. Многочисленные эксперименты, проведенные с образцами различных форм и размеров, а также практика эксплуатации деталей машин показывают, что предел выносливости конкретной детали в значительной степени зависит от ее формы и размеров, от со материала, будет заметно отличаться от предела выносливости лаборасти и отражает влияние основных фак-

торов на сопротивление усталости: стояния поверхности и других обстоятельств. Стандартные испытания на выносливость проводят на специальных лабораторных образцах диаметром 5...10 мм, имеющих строго цилиндрическую форму рабочей части и высокую чистоту поверхности. Очевидно, что предел выносливости реальной детали, изготовленной из того же торного образца.

Падение предела выносливости конкретной детали (σ-1д) по сравнению с пределом выносливости лабораторного образца (σ-1) учитывается в расчетах при помощи коэффициента K, который называется коэффициентом снижения предела выносливости