Испытание на усталостную прочность. Предел выносливости

Так как усталостное разрушение связано с образованием трещин, то гипотеза сплошного тела неприменима, что не дает использовать аппарат гладкого математического анализа. По этой причине трудно построить удовлетворительную теорию и при проектировании конструкций приходится опираться на экспериментальные результаты.

Основным видом испытаний является испытание образца в условиях симметричного цикла. Образец круглого поперечного сечения с диаметром рабочей части мм имеет концевые части большего диаметра. Переход от большего диаметра к меньшему осуществляется по плавным галтелям, чтобы избежать концентраций напряжений. Поверхность образца полируется. Образец зажимается в цангах испытательной машины, нагружается и приводится во вращение. Рабочая часть образца испытывает чистый изгиб, а напряжения в нем меняются по симметричному циклу.

Испытательная машина имеет счетчик числа оборотов, позволяющий фиксировать число циклов, которое образец выдержит до разрушения. Вначале нагрузку подбирают так, чтобы максимальное напряжение цикла было равно примерно 0,7 предела прочности. Затем напряжения постепенно понижают. При этом число циклов, выдерживаемых образцами, увеличивается. Результаты испытаний можно отобразить на графике. По оси абсцисс откладывают число циклов, которое выдерживает образец, а по оси ординат — максимальные напряжения цикла. По полученным точкам можно провести кривую, называемую кривой выносливости. Эксперименты показывают, что если образец выдерживает 10⁷ циклов, то он вообще не разрушается. Тогда кривая имеет горизонтальную асимптоту. Асимптотическое значение напряжения может быть принято за основную механическую характеристику, называемую пределом выносливости при симметричном цикле и обозначаемую

Определение. Пределом выносливости образца при симметричном цикле называется наибольшее максимальное напряжение, которое образец выдерживает, не разрушаясь, заданное базовое число циклов.

Бывают материалы (цветные металлы, некоторые легированные стали), у которых нет подобной асимптоты. Точнее асимптотой является ось В этом случае за базу испытаний принимается число циклов

Для многих материалов результаты испытаний приводятся в литературе. Для грубой оценки можно использовать следующую связь между пределом выносливости и пределом прочности:

• углеродистые стали:

• легированные стали: МПа.

Помимо предела выносливости при изгибе имеется понятие предела выносливости при кручении, которому может быть дана следующая оценка:

• углеродистые стали:

• легированные стали:

Растягивая или сжимая испытуемый образец, можно определить предел выносливости для любого цикла и построить диаграмму предельных амплитуд.

В диаграмме предельных амплитуд по оси абсцисс откладываются средние напряжения цикла, а по оси ординат — амплитудные напряжения. Одна точка диаграммы соответствует симметричному циклу при определении предела выносливости, а другая — постоянному циклу статических испытаний, из которых определяется предел прочности. Остальную часть диаграммы мы аппроксимируем двумя отрезками прямых. Первый из отрезков выходит из точки под углом Величина ( ) представляет собой тангенс угла наклона касательной к диаграмме в точке Она может быть определена, если известна хотя бы еще одна точка. Значения ее изменяются в пределах:

• углеродистые стали:

• легированные стали:

Второй ограничительный отрезок, выходящий из точки, имеет простой смысл:

Имея заданный цикл с характеристиками можно нанести на диаграмму эту точку. По степени близости точки к границам диаграммы можно судить о запасе усталостной прочности образца.