12.7. МАЛОЦИКЛОВАЯ УСТАЛОСТЬ

Характер усталостного разрушения существенно зависит от уровня циклически изменяющихся напряжений. Так, при максимальных напряжениях сттах цикла, меньших предела упругости материала, усталостное разрушение имеет хрупкий характер и происходит вследствие накопления повреждений и развития магистральной трещины без заметной пластической деформации всей детали.

В тех случаях, когда максимальные напряжения цикла превосходят предел упругости, пластические деформации возникают в больших объемах материала. От цикла к циклу пластические деформации накапливаются и, наконец, при сравнительно небольшом количестве циклов достигают предельной величины, соответствующей

разрушению материала при однократном статическом нагружении. Таким образом, усталостное разрушение при достаточно высоких уровнях напряжений сопровождается заметной пластической деформацией всей детали и по своему характеру ближе к разрушению при статическом однократном нагружении. Поэтому такой тип разрушения при циклически изменяющихся напряжениях называют квазистатическим.

В связи с различными физическими процессами разрушения материала при высоких и низких уровнях максимальных напряжений цикла, принято различать два вида усталости — многоцикловую и малоцикловую.

Многоцикловая усталость — усталость материала, при которой усталостное повреждение или разрушение происходит в основном при упругом деформировании. Малоцикловая усталость — усталость материала, при которой усталостное повреждение или разрушение происходит при упругопластическом деформировании.

Точной границы между многоцикловой и малоцикловой усталостью установить, естественно, нельзя. Условно в качестве такой границы принимается циклов, и ветвь кривой усталости, расположенную левее вертикальной прямой с абсциссой , относят к малоцикловой усталости, а правую ветвь — к многоцикловой усталости.

Характер разрушения в области малоцикловой усталости существенно зависит от способности материала к накоплению пластических деформаций при циклическом нагружении.

Материалы, у которых остаточная деформация от цикла к циклу уменьшается, а суммарная пластическая деформация стремится к определенному пределу, называются циклически упрочняющимися. К таким материалам относятся, например, алюминиевые сплавы Разрушение циклически упрочняющихся материалов всегда имеет усталостный характер, связанный с накоплением повреждений, образованием трещин и их развитием. Даже при самых высоких уровнях напряжений не наблюдается квазистатический вид разрушения.

Циклически разупрочняющиеся материалы характеризуются увеличением от цикла к циклу остаточных деформаций и интенсивным ростом суммарной пластической деформации. К циклическому разупрочнению склонны некоторые стали повышенной прочности.

Для циклически стабильных материалов характерна одинаковая величина остаточной деформации во всех циклах.

В области малоцикловой усталости циклически стабильные и разупрочняющиеся материалы имеют квазистатический вид разрушения. Долговечность деталей из таких материалов существенно зависит от степени асимметрии цикла; чем больше асимметрия цикла, тем больше скорость накопления пластических дефоомаций и тем меньше потребуется циклов для разрушения.

Интенсивность процесса накопления пластических деформаций при циклическом нагружении зависит также от скорости нагружения и разгрузки и времени выдержки при и т. е. от

частоты и формы цикла, поскольку пластические деформации развиваются во времени (эффект последействия). Особенно заметно проявляется эта зависимость при повышенных температурах. Однако в области малоцикловой усталости и при нормальной температуре долговечность значительно уменьшается с уменьшением частоты изменения напряжений. Как следует из данных, приведенных в разд. 12.8, долговечность образцов из алюминиевого сплава уменьшается почти в 3,5 раза при уменьшении частоты с 2000 циклов в минуту до 15 циклов в минуту.

Малоцикловое разрушение может быть вызвано не только действием переменных нагрузок, но и повторными тепловыми воздействиями. Если температурные расширения в детали стеснены опорными устройствами или окружающими частями детали с неизменной температурой, то в такой детали возникнут температурные напряжения, которые могут достигнуть предела текучести. В результате появятся пластические деформации,

Разрушение, вызванное знакопеременной пластической деформацией, являющейся следствием циклических изменений температуры, называется термической усталостью.

В настоящее время вопросы малоцикловой и термической усталости интенсивно исследуются, накапливаются экспериментальные данные и проводится их теоретическое обобщение.

Одним из способов повышения сопротивления деталей циклическому разрушению в условиях малоцикловой усталости является изготовление их из циклически упрочняющихся металлов.