Глава 12. ПРОЧНОСТЬ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКИ ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ НАПРЯЖЕНИЯХ
12.1. Понятие об усталости материалов
Многие детали машин в процессе работы испытывают напряжения, циклически меняющиеся во времени. Например, детали кривошипно-шатунного механизма двигателя внутреннего сгорания (рис. 12.1) находятся под действием периодически меняющихся сил. Закон их изменения определяется видом индикаторной диаграммы и кинематическими особенностями механизма.
Ось вагона, вращающаяся вместе с колесами (рис. 12.2), также испытывает циклически изменяющиеся напряжения, хотя внешние силы остаются неизменными. Происходит это в результате того, что
Рис. 12.1
частицы вращающейся оси оказываются попеременно то в растянутой, то в сжатой зонах.
Рис. 12.2
Для оси вагона на рис. 12.2 показана эпюра изгибающих моментов. В точке А поперечного сечения (рис. 12.3, а) имеем 
Расстояние у от точки А до нейтральной оси меняется во времени по закону 
где 
- угловая скорость вращения колеса. Следовательно,
Таким образом, нормальное напряжение в сечениях оси меняется по синусоиде с амплитудой (рис. 12.3, 6)
Рис. 12.3
Опыт показывает, что при переменных напряжениях после некоторого числа циклов может наступить разрушение детали, в то время как при том же неизменном во времени напряжении разрушения не происходит.
Число циклов до момента разрушения зависит от 
и изменяется в весьма широких пределах. При больших напряжениях для разрушения бывает достаточно 
циклов. Это хорошо видно хотя бы на примере многократного изгиба куска проволоки (рис. 12.4). При меньших напряжениях деталь выдерживает миллионы и миллиарды циклов, а при еще меньших - способна работать неограниченно долго.
Рис. 12.4
После разрушения на поверхности излома детали обнаруживаются обычно две ярко выраженные зоны (рис. 12.5 и 12.6). В одной зоне кристаллы можно различать невооруженным глазом с большим трудом. Микроповерхность излома сглажена. В другой зоне явно выступают признаки свежего хрупкого разрушения, кристаллы имеют острую огранку и блестящую чистую поверхность.
Рис. 12.5 (см. скан)
Рис. 12.6 (см. скан)
В целом создается впечатление, что подобного рода разрушение связано с изменением кристаллической структуры металла. Именно этим и объясняли в свое время разрушение при циклических напряжениях.
В настоящее время установлено, что структура металла при циклических нагрузках не меняется. Разрушению предшествует многократно сменяющаяся прямая и обратная пластическая деформация в наиболее слабых плоскостях наименее удачно расположенных кристаллов. Это приводит к тому, что кристаллическое зерно, сохраняя в основном свою форму и связь с соседними зернами, постепенно разделяется на части полуразрушенными разрыхленными прослойками, имеющими определенную кристаллографическую ориентацию.
Из рис. 12.5 видно, что разрушение вала произошло в результате развития трещины, образовавшейся у края сечения. Разрушение рельса (см. рис. 12.6) обусловлено развитием трещины, образовавшейся внутри сечения в зоне местного порока. По характеру излома можно судить о направлении развития трещины. Обычно хорошо видны линии торможения (“отдыха”) трещины, связанные как с изменением режима работы детали, так и с особенностями структуры материала в сечении.
В настоящее время, однако, физические основы теории твердого тела не находятся еще на такой стадии развития, чтобы на их базе можно было создать методы расчета на выносливость. Поэтому приходится, сохраняя все предпосылки механики сплошной среды, идти по пути накопления экспериментальных фактов, из совокупности которых можно было бы выбрать подходящие правила как руководство для расчета. Объединение и систематика экспериментальных данных и представляют собой в настоящее время содержание теории сопротивления усталости.
