47.Испытание материалов на усталость. Предел выносливости. Влияние на величину предела выносливости различных факторов.

Способность материала противостоять действию переменных нагрузок оценивают пределом выносливости, значение которого определяют экспериментальным путем. Для проведения испытаний изготавливают серию образцов: гладких, цилиндрических, полированных, определенного диаметра (d = 5 … 12 мм).

Целью испытаний является определение числа циклов  , при котором разрушается каждый образец при заданном напряжении. Первый образец нагружают симметричным циклом с амплитудой напряжения   и доводят его до разрушения. Снижая нагрузку, испытывают следующие образцы. По данным эксперимента строят диаграмму:    ,   которую   называют   кривой   усталости  (выносливости) (рис. 2.33).

Практикой установлено, что для многих машиностроительных материалов характерной особенностью кривой усталости является наличие горизонтальной асимптоты. Это означает, что при некотором значении наибольшей амплитуды напряжения цикла образец может выдержать теоретически бесконечно большое число циклов нагружения. Это напряжение носит название предела выносливости  и обозначается в общем случае  , где   –  коэффициент асимметрии цикла.

Для черных металлов за предел выносливости принимают предельные значения напряжения, при котором не происходит усталостного разрушении после прохождения 10⁷ циклов. Это число циклов называют базовым и обозначают  . Для цветных металлов и закаленных сталей принимают   циклов, так как на кривой усталости этих материалов не наблюдается горизонтального участка.

Экспериментально установлено, что значение предела выносливости образца материала зависит от вида деформации (растяжение, сжатие, изгиб, кручение и др.), характеристики цикла и может быть приближенно назначено в зависимости от временного сопротивления   [7]. 

Зависимость между переменным напряжением   и числом циклов до разрушения достаточно точно описывается уравнением

,                                          (2.89)

где   –  показатель степени, величина постоянная для данного материала и температуры.

На выносливость элементов конструкций, имеющих определенную конструктивную форму и находящихся в реальных условиях эксплуатации, влияет ряд факторов, которые при обычном статическом расчете не играют существенной роли. В частности, предел выносливости детали зависит не только от свойств материала, из которого она изготовлена, но и от ее формы, размеров, способа изготовления, качества поверхности, условий эксплуатации.

 

2.8.3.1. Влияние концентрации напряжений

В местах резкого изменения поперечных размеров детали, отверстий, проточек, пазов, резьбы и т.д., как показано в п. 2.7.1, возникает местное повышение напряжений, значительно снижающее предел выносливости по сравнению с таковым для гладких цилиндрических образцов. Это снижение учитывается введением в расчеты эффективного коэффициента концентрации напряжений  , представляющего отношение предела выносливости   гладкого образца при симметричном цикле к пределу выносливости  образца тех же размеров, но имеющего тот или иной концентратор напряжения:

 

2.8.3.2. Влияние размеров детали

Экспериментально установлено, что с увеличением размеров испытуемого образца предел его выносливости понижается (масштабный эффект). Это объясняется тем, что с увеличением размеров возрастает вероятность неоднородности структуры материалов и его внутренних дефектов (раковины, газовые включения), а также тем, что при изготовлении образцов малого размера имеет место упрочнение (наклеп) поверхностного слоя на относительно большую глубину, чем у образцов больших размеров.

Влияние размеров деталей на значение предела выносливости учитывается коэффициентом   (масштабный фактор), представляющим собой отношение предела выносливости детали заданных размеров   к пределу выносливости   лабораторного образца подобной конфигурации, имеющего малые размеры:

  

2.8.3.3. Влияние состояния поверхности

Следы режущего инструмента, острые риски, царапины являются очагом возникновения усталостных микротрещин, что приводит к снижению предела выносливости материала.

Влияние состояния поверхности на предел выносливости при симметричном цикле характеризуется коэффициентом   качества поверхности, который представляет собой отношение предела выносливости   детали с данной обработкой поверхности к пределу выносливости   тщательно полированного образца:

 

2.8.3.4. Влияние поверхностного упрочнения

Различные способы поверхностного упрочнения (механическое упрочнение, химикотермическая и термическая обработка) могут существенно повысить значение коэффициента качества поверхности (до 1,5 … 2,0 и более раз вместо 0,6 … 0,8 раз для деталей без упрочнения). Это учитывается при расчетах введением  коэффициента .

 2.8.3.5. Влияние асимметрии цикла

Причиной усталостного разрушения детали являются длительно действующие переменные напряжения. Но, как показали эксперименты, с увеличением прочностных свойств материала увеличивается их чувствительность к асимметрии цикла, т.е. постоянная составляющая   цикла «вносит свой вклад» в снижение усталостной прочности. Этот фактор учитывается коэффициентом  .