4. Критерії довговічності

Критерії довговічності: опір втомленості, зносостійкість, жаростійкість, жароміцність, радіаційна стійкість, вологостійкість, холодостійкість тощо. Довговічність багатьох деталей машин (більше 80%) залежить від опору матеріалу втомленості і зносу, тому розглянемо докладніше одне з них, а, саме — втомленість.

Втомленість - це процес поступового руйнування деталі при експлуатації, який відбувається тривалий час в умовах знакопе- ремінного навантаження при напруженнях, менших границі міцності. Поверхня деталі, як найбільше навантажена частина перерізу, зазнає мікродеформацію, а потім в наклепаній зоні виникає тріщина, яка поступово розвивається.

При цьому, площа перерізу незруйнованого металу безперервно зменшується, поки не відбудеться миттєвого руйнування через те, що метал не витримає навантаження. В зламі після втомленого руйнування (рис. 77а) спостерігається декілька ділянок: 1) осередок руйнування (місце утворення мікротріщини); 2) зона втомленості;

3. зона долому.

О

1 2

Рис. 77. Злам втомленого руйнування: а) схема зламу; б) макроструктура зламу.

середок руйнування має невеликі розміри і безпосередньо примикає до поверхні деталі. Зона втомленості має гладкий матовий вигляд, в ній помітні характерні кільцеві борозни, що підтверджує стрибкоподібність прросування тріщини втомленості. Зона доламування, як правило, відрізняється темно-сірим кольором і має кристалічну будову, характерну для крихкого руйнування при однократних навантаженнях. На рис. 776 показана макроструктура такого зламу.

Випробування на втомленість (ГОСТ 25502- 82) проводять для визначення границі витривалості, під якою розуміють найбільше значення напруження циклу, під дією якого не відбувається втомленого руйнування зразка після достатньо великого (або завданого) числа циклів завантаження. Для цього звичайно використовують синусоїдальне навантаження (рис. 78).

Ц

шах

икл напружень описується кількома параметрами; періодом Т або частотою 1 /X; максимальним о_тах, мінімальним а_ті_п та середнім <т_т напруженнями; амплітудою напруження о_а і коефіцієнтом асиметрії К. При цьому:

Якщо максимальне напруження за абсолютним значенням до- рівнюється мінімальному, то цикл називають симетричним, коефіцієнт симетрії рівняється 1.

Рис. 78. Основні характеристики циклічних напружень, які змінюються за синусоїдним законом.

Границю витривалості позначають <т_к при асиметричному і а_і при симетричному циклах. Для визначення границі витривалості проводять Серію випробувань стандартних зразків на спеціальних машинах в умовах багаторазового циклічного навантаження методом розтягування-стискання, згинання або крутіння. Випробування проводять при різних значеннях а_тах і однаковому К, або при однаковому для всіх зразків значенні с_т та різних значеннях о_а-

Кожен зразок випробовують до появи тріщини втомленості заданого розміру або до руйнування; випробування можуть закінчуватися після певного числа циклів N0, який називається базою. Потім будують криві втомленості - залежність числа циклів до руйнування від застосованого напруження. Крива втомленості на рис. 79 відповідає сталям. Для них зарактерним є напруження, нижче якого вони не руйнуються при будь-якій кіллькості циклів навантаження. Це і є границя витривалості Оц. їй на кривій втомленості відповідає площинка, паралельна вісі абсцис, яка звичайно реєструється при 10^б-10⁸ циклів. Другий тип кривої втомленості

(рис. 80) відноситься до кольорових металів. В даному випадку визначають так звану границю обмеженої витривалості, під якою розуміють максимальне за абсолютним значенням напруження, що витримує зразок на протязі заданого числа циклів М₀ (бази). Для кольорових металів звичайно приймають 1М_о=10⁸ циклів. Якщо робоче напруження вироба буде нижчим, ніж границя витривалості матеріалу, з якого він виготовлений, то небезпека руйнування їх від втомленості відсутня. Тобто конструкція тим довговічніша, чим більша Од (<Тц).

Важливою характеристикою надійності і довговічності матеріалу являється живучість під час циклічного навантаження. Під живучістю розуміють довговічність деталі від моменту зародження першої макроскопічної тріщини втомленості розміром 0,5- 1,0 мм до кінцевого руйнування.

Як відомо, в процесі циклічного навантаження спочатку в мікрооб'ємах пластичної деформації з'являються мікротріщини, які поступово розвиваються і зливаються у макротріщину (її називають тріщиною втомленості). Досягнувши критичного розміру, така тріщина починає самодовільно розвиватись, в результаті чого й відбувається крихке руйнування або доламування виробу. Загальне число циклів навантаження, котре матеріал виносить до руйнування

(ІЯзаг) - це сумарна величина:

ІЧзаг⁼Нзар+Нр,

де Изар - число циклів навантаження до зародження тріщини втомленості;

М_р - число циклів, необхідне для досягнення тріщиною втомленості критичного розміру.

З цих двох складових величин найважливішою є Ир. ІЇ називають живучістю матеріалу. Чим більше часу працює деталь з моменту зародження тріщини, тобто, чим більше М_р, тим є більше можливостей її вчасно виявити різними дефектоскопічними методами і не допустити аварії.

Кількісно живучість конструкції визначається коефіцієнтом

і

(3=1 де т₀ і ір - тривалість експлуатації конструкції до появи

^тр

Аґ МУ

Рис. 79. Крива втомленості для сталей. Рис. 80. Крива втомленості для

кольорових сплавів.

тріщини і до руйнування відповідно. Коефіцієнт живучості може коливатись від 0,1 до 0,9 .

Слід зауважити, що визначення надійності і довговічності матеріалів за характеристиками витривалості і живучості можуть не співпадати, бо на них впливає багато факторів, відомих і невідомих.