5. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИ ПЕРЕМЕННЫХ (ЦИКЛИЧЕСКИХ) НАГРУЗКАХ

Длительное воздействие на металл повторно-переменных напряжений может вызвать образование трещин и разрушение даже при напряжениях ниже

Постепенное накопление повреждений в металле под действием циклических нагрузок, приводящих к образованию трещин и разрушению, называют усталостью, а свойство металлов сопротивляться усталости — выносливостью.

Усталостный излом (рис. 71) состоит из очага разрушения 1

— места зарождения разрушения, зоны стабильного развития трещины 2 и зоны долома 3 — участка развития трещины, связанного с окончательным разрушением. Очаг разрушения обычно расположен вблизи поверхности. Поверхность как наиболее нагруженная часть сечения (при изгибе, кручении) претерпевает микродеформацию, а затем в наклепанной

Рис. 71. (см. скан) Усталостный излом (а) и схема развития трещины усталости (б): 1 — очаг разрушения; 2 — зона стабильного развития трещины; 3 — зона долома; 4 — усталостные бороздки; 5 — начальная стадия образования трещины; 6 — магистральная трещина

Рис. 72. Схема испытания на усталость (а) и циклических изменений напряжений (симметричный цикл ) (б) зоне образуются подповерхностные трещины (рис. 71, б). Растет, однако, только та трещина, которая имеет достаточную длину и острую вершину (рис. 71,б) — магистральная трещина. Продвигаясь в глубь металла, усталостная трещина образует глубокий и острый надрез.

В зоне усталости нередко можно видеть полоевт, расходящиеся от очага разрушения (усталостные бороздки), отражающие последовательное положение растущей трещины (рис. 71, а). Скорость роста трещины невелика. Рост трещины продолжается до тех пор, пока сечение не окажется столь малым, что действующие в нем напряжения превысят разрушающие. Тогда происходит быстрое разрушение, что приводит к образованию зоны долома (рис. 71, а). Зона долома имеет структуру, характерную для хрупкого или вязкого (в зависимости от природы материала) разрушения при однократных нагрузках (статических или ударных).

Испытание на усталость проводят для определения предела выносливости, под которым понимают наибольшее значение максимального напряжения цикла, при действии которого не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого или заданного числа циклов нагружения. Цикл напряжения — это совокупность переменных значений напряжений за один период их изменения. За максимальное сгшах или минимальное напряжение цикла принимают наибольшее или наименьшее по алгебраической величине напряжение. Цикл характеризуется коэффициентом асимметрии: . Если то цикл называют симметричным, если и не равны по величине, то цикл асимметричный.

Предел выносливости обозначается — коэффициент асимметрии цикла), а при симметричном цикле Предел выносливости определяют на вращающемся образце (гладком или с надрезом) с приложением изгибающей нагрузки по симметричному циклу (рис. 72). Для определения используют не менее десяти образцов, чаще диаметром 7,5 мм. Каждый образец испытывают только на одном уровне напряжений до разрушения или до базового числа циклов. По результатам испытания отдельных

Рис. 73. Кривые усталости в координатах

образцов строят кривые усталости в полулогарифмических или логарифмических координатах (рис. 73), а иногда в координатах Ошах

С уменьшением агаах долговечность возрастает. Горизонтальный участок на кривой усталости, т. е. не вызывающее разрушения при бесконечном большом числе циклов соответствует пределу выносливости (рис. 73, кривая 1).

Многие металлы (обычно цветные и их сплавы) не имеют горизонтального участка на кривой усталости. В этом случае определяют ограниченный предел выносливости — наибольшее напряжение, которое выдерживает металл (сплав) в течение заданного числа циклов нагружения.

База испытания должна быть не ниже циклов для стали и циклов для легких сплавов и других цветных металлов, не имеющих горизонтального участка на кривой усталости (рис. 73, кривая 2).

Если образование трещин или полное разрушение происходит при числе циклов до , такая усталость называется малоцикловой, при большом числе циклов — многоцикловой. Малоцикловая усталость имеет большое значение для штампового инструмента, деталей самолета (шасси, фюзеляж), сосудов высокого Давления, узлов космических кораблей и т. д.

Предел выносливости снижается при наличии концентраторов напряжения (см. рис. 48). Чувствительность к концентраторам напряжений при симметричном цикле нагружения определяется эффективным коэффициентом концентрации напряжений , где — пределы выносливости образцов гладкого и с надрезом (с концентратором напряжения).

Чем больше размер образца (изделия), тем больше в нем различных дефектов (неметаллических включений, субмикроскопических трещин и т. д.) и запас упругой энергии, что облегчает

Рис. 74. Зависимость отношения от временного сопротивления стали

образование и развитие усталостных трещин и снижает (масштабный фактор).

Коррозия на и более снижает предел выносливости

Между пределом выносливости и временным сопротивлением существует определенная связь.

Для многих еталей отношение для медных сплавов — и для алюминиевых — Поэтому, зная можно ориентировочно определить Однако следует иметь в виду, что при высоком значении отношение снижается (рис. 74). С повышением прочности возрастает за счет увеличения сопротивления зарождения трещины усталости. Однако увеличением снижается пластичность, что затрудняет релаксацию напряжений у вершины трещины и ускоряет ее развитие. С повышением прочности (понижением пластичности) возрастает чувствительность к концентраторам напряжений. Поэтому высокопрочные стали могут иметь более низкий чем менее прочные стали.

Живучесть. Важной характеристикой конструктивной прочности, характеризующей надежность материала, является живучесть при циклическом нагружении. Под живучестью понимают долговечность детали от момента зарождения первой макроскопической трещины усталости размером мм до окончательного разрушения.

Количественно живучесть конструкции оценивается коэффициентом где То и Фраз — продолжительность эксплуатации конструкции до появления трещин и до разрушения соответственно. Коэффициент живучести может колебаться от 0,1 до 0,9. Ранее зарождение трещин усталости объясняется дефектами металлургического и технологического характера, а также неудачной конструкцией изделия (наличие концентраторов напряжений).

Живучесть имеет особое значение для надежности эксплуатации изделий, безаварийная работа которых поддерживается путем периодического дефектоскопирования различными физическими методами для выявления усталостных трещин. Чем меньше скорость развития трещины, тем легче ее обнаружить.