10.Усталость материалов

Усталостью металлов называют процесс, возникающий при многократном циклическом приложении нагрузки и приводящей, в известных условиях, к разрушению.

Усталостное разрушение относится к разряду опасных разрушений, т.к. оно не сопровождается пластической деформацией, приводящей к изменению размеров и формы деталей, что не позволяет его предупредить.

Усталостное разрушение характеризуется следующими особенностями:

1. Оно происходит без внешних признаков пластической деформации даже для самых пластичных материалов;

2. Оно может наступить при величине напряжений ниже придела упругости;

3. Оно характеризуется своим специфическим изломом, включающем 2 зоны, рис.71.

I – гладкая зона, характеризуется набором концентрических линий. Изучение этой зоны под микроскопом показало, что число линий в этой зоне соответствует числу циклов нагружения. Расстояние между двумя линиями соответствует глубине, на которую развивается усталостная трещина за один цикл нагружения.

II – кристаллическая зона соответствует окончательному разрушению.

Нагружения, способные вызвать усталостное разрушение, производят многократным повторением циклов с изменением напряжений от наибольшего к наименьшему и обратно. Нагрузка в цикле изменяется по синусоидальному закону. Для характеристики циклов нагружения воспользуемся следующим графиком, рис.72.

а) симметричный знакопеременный цикл;

б) симметричный разнозначный цикл;

в) симметричный от нулевой положительный цикл;

г) симметричный от нулевой отрицательный цикл.

Каждый цикл характеризуется минимальным и максимальным напряжением в цикле, амплитудным напряжением.

Рис.71. Усталостный излом

Рис.72. Цикла нагружения при испытании на усталость

Рис.73. Диаграмма усталости

Амплитудное напряжение определяется по формуле:

.

Средняя величина напряжения определяется по формуле:

.

Сложение и вычитание напряжений производится с учетом знака напряжения.

Наряду с этим цикл нагружения определяется коэффициентом несимметричности (асимметрии):

Для знакопеременного симметричного цикла нагружения r =-1. Если σср > 0, то цикл называется положительным и r >0. Если σср < 0, то цикл отрицательный несимметричный и r >0.

Самым жестким циклом нагружения является симметричный разнозначный цикл нагружения – а, а самый мягкий однозначный отрицательный цикл нагружения – г.

Для определения предела усталости необходимо провести испытания натрием образцов при различной величине напряжений, до полного разрушения. При этом фиксируется число циклов нагружения, которое выдержит образец до разрушения. Величина напряжений при испытании меняется в интервале от до 0,3÷0,5σВ.

По результатам испытаний строится диаграмма усталости в координатах σ – N, рис.73.

В зависимости от природы материала возможно 2 типа диаграмм усталости:

1. диаграмма усталости с выходом на горизонтальный участок (кривая 1);

2. диаграмма усталости без горизонтального участка (кривая 2).

Для материалов, имеющих первый тип диаграмм определяется физический придел усталости – наибольшее напряжение, которое не вызывает разрушения при любом числе циклов нагружения (σR).

Если же на диаграмме усталости не наблюдается площадки, то в этом случае определяется ограниченный предел усталости – это максимальная величина напряжений, при которых не происходит усталостного разрушения при заданном числе циклов (NБаз). Это так называемый условный предел усталости (σN), кривая 2. Обычно NБаз принимается равным циклов. К сплавам с ограниченным пределом усталости относятся сплавы на основе Al, Cu, Mg и др.