10.3. Механизм развития усталостной трещины
Для анализа механизма развития усталостной трещины воспользуемся следующей схемой, рис.78.
Под действием изгибающей нагрузки Р усталостная трещина раскроется, рис.75а, металл у вершины трещины испытает деформацию. В результате деформации у вершины трещины повысится плотность дислокаций и её развитие остановится. При вращении образца трещина переместится в противоположном направлении, рис.75б, произойдет захлопывание трещины и рассеивание дислокаций. В результате рассеивания дислокаций у вершины трещины произойдет разупрочнение металла. В следующей стадии всё повториться.
10.4. Влияние различных факторов на усталостную прочность
Сопротивление усталостному разрушению зависит от целого ряда факторов:
температура;
2. остаточное напряжение;
3. концентратор напряжения;
4. частота приложения нагрузки;
5. окружающая среда;
6. величина недогрузок и перегрузок.
Рис.77. Схема механизма Томпсона
Рис.78. Схема развития усталостной трещины
Рис.79. Схема распределения напряжений по сечению надрезанного образца
10.4.1. Влияние температуры
Влияние температура на усталостную прочность следует рассматривать с позиции влияния температуры на прочность, т.к. между пределом прочности и пределом усталости существует прямая связь.
Известно, что повышение температуры сопровождается повышением пластичности и понижением прочности. На основании результатов испытания на усталость было показано, что усталостная прочность при нагреве выше 300˚С, понижается на 15 – 20% на каждые 100˚С.При повышенных температурах кривая усталости не имеет горизонтального участка даже при бесконечно большом числе циклов нагружения. Для гладких образцов иногда даже при 100млн. циклов не наблюдается горизонтали.
При понижении температуры в области отрицательных температур усталостная прочность повышается.
10.4.2.Влияние остаточных напряжений
В процессе изготовления деталей в них возникают напряжения, которые будут оказывать влияние на усталостную прочность. Остаточные напряжения могут быть либо сжимающими, либо растягивающими. Наряду с этим напряжения могут равномерно распределяться в объеме, либо концентрироваться в поверхностном слое.
Усталостная трещина зарождается в поверхностных слоях под действием растягивающих внешних напряжений. Учитывая это, растягивающие остаточные напряжения будут способствовать зарождению и развитию усталостной трещины, а сжимающие – повышению сопротивления усталостному разрушению.
Эффект упрочнения при усталости в сильной степени зависит от глубины поверхностного слоя, в котором существуют остаточные сжимающие напряжения. Вначале, с увеличением глубины усталостная прочность повышается, достигает максимума при глубине залегания сжимающих напряжений равной 0,38мм, а затем понижается.
Если остаточные напряжения равномерно распределяются по сечению, то они практически не влияют на усталостную прочность.
Влияние этого фактора широко используется в практике. Детали, работающие в условиях циклических нагрузок, целесообразно подвергать поверхностному упрочнению, позволяющему создать в поверхностных слоях остаточные сжимающие напряжения. Существенно повышают усталостную прочность следующие операции упрочнения:
закалка токами высокой частоты;
поверхностный наклёп при обкатке деталей, дробеструйной обработкой;
насыщение поверхности различными элементами (цементами, нитроцементация, азотирование и др.).