ГЛАВА 12. РАСЧЕТЫ НА ПРОЧНОСТЬ ПРИ НАПРЯЖЕНИЯХ, ПЕРЕМЕННЫХ ВО ВРЕМЕНИ
12.1. ЯВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ
В процессе эксплуатации различного рода конструкций и машин напряжения во многих их деталях многократно изменяются как по величине, так и по знаку.
Опыт показывает, что детали, подвергнутые воздействию переменных напряжений, разрушаются при напряжениях, значительно меньших предела прочности, а иногда и предела пропорциональности материала.
Явление прогрессивного разрушения под действием переменных напряжений носит название усталости материала
Термин усталость не отражает сущности явления, но он был введен еще в прошлом веке и является общепринятым.
В настоящее время в связи с увеличением скоростей движения летательных аппаратов и деталей машин и связанным с этим возрастанием частот изменения напряжений при одновременном росте их уровня (вследствие стремления уменьшить массу конструкции) именно усталость в подавляющем большинстве случаев является причиной разрушения.
Усталостное разрушение начинается с образования в наиболее слабом месте детали сначала микро-, а затем макротрещины, которая при переменной нагрузке имеет тенденцию прогрессивно развиваться. Развитие трещин идет особенно интенсивно, если напряжения изменяются не только по величине, но и по знаку.
Чаще всего усталостные трещины возникают у поверхности детали, но иногда и в толще материала.
Образование и развитие усталостной трещины постепенно уменьшает рабочую часть сечения и в конце концов настолько ослабляет его, что наступает внезапное разрушение детали.
Поверхность усталостного излома детали имеет две совершенно различные зоны (рис. 22.1). Одна из них — зона распространения трещины А в результате взаимного трения и наклепа от повторяющегося нажатия поверхностей трещины друг на друга имеет гладкую, притертую поверхность. Другая зона Б даже в случае пластичного материала имеет крунозернистую структуру, такую же, как и поверхность разрушения образца из чугуна, при одноосном статическом растяжении.
Именно поэтому вначале разрушение при переменных напряжениях приписывали «перерождению» или «кристаллизации»
Рис. 12.1
(усталости) материала, делающей его хрупким. Дальнейшие исследования показали, что механические свойства и микроструктура материала около места усталостного разрушения такие же, как и до нагружения детали.
С хрупким характером разрушения пластичного материала в зоне шейки мы уже встречались при испытании образцов на одноосное растяжение в условиях статического нагружения (см. разд. 11.1). Хрупкий характер разрушения, по виду очень похожий на усталостный в его крупнозернистой зоне, получается при статическом изгибе образца из пластичного материала с острым надрезом. В вершине надреза возникает объемное напряженное состояние, и поэтому развитие пластических деформаций здесь затруднено. Роль такого надреза при переменных напряжениях выполняет первоначальная трещина. Таким образом, по-видимому, одной из главных причин хрупкого характера разрушения в зоне В является трехосное напряженное состояние материала, возникающее на границе трещины.
Усталостное разрушение происходит, как правило, без заметной пластической деформации детали.
