Характеристики пластичности.

Испытаниями на растяжение определяют также характеристики пластичности металла — относительное удлинение  и относительное сужение :

,

где l₀ — расчётная длина образца до испытания;

l_k — длина образца после испытания до разрушения;

F₀ — площадь поперечного сечения образца до испытания,

F_k — минимальная площадь сечения после разрыва.

Характеристики  и  являются мерами пластичности материала. Если их значения малы, то материал относят к хрупким.

Ударная вязкость.

Многие детали работают в условиях динамического приложения нагрузки, поэтому большое значение имеет сопротивляемость материалов разрушению при указанных условиях.

Динамическим называют нагружение, при котором нагрузка прилагается с большой скоростью, ударом. В упругой области скорость приложения нагрузки не оказывает влияния на механические свойства, т.к. скорость распространения упругой деформации значительно выше возможной скорости приложения нагрузки.

В области пластической деформации, поскольку скорость её невелика, увеличение скорости нагружения ведёт к увеличению сопротивления пластической деформации. В таких условиях увеличивается вероятность зарождения трещин и возрастания скорости их роста.

Материалы с близкими по величине характеристиками прочности и пластичности, определёнными при статических испытаниях на растяжение, могут значительно различаться при динамическом приложении нагрузки. Для определения сопротивляемости материала действию ударных нагрузок обычно производят испытания на ударный изгиб.

Для определения ударной вязкости используют образец с надрезом различной формы (обычно U-образной).

Ударная вязкость:

KCU = K / S₀, МДж/м².

где К — работа, затраченная на деформацию и разрушение образца;

S₀ — площадь сечения в месте надреза;

КС — является символом ударной вязкости;

U — указывает на форму надреза.

На величину ударной вязкости влияют точность изготовления образца и надреза и шероховатость поверхности надреза. Например, при увеличении глубины надреза или уменьшении радиуса надреза получают пониженное значение ударной вязкости. С уменьшением шероховатости поверхности надреза ударная вязкость увеличивается. Обычно поверхность надреза шлифуется.

Усталость металлов и характеристики выносливости.

Детали машин, работающие в условиях повторно-переменных нагрузок, разрушаются без следов заметной пластической деформации. В таких случаях говорят, что металл разрушился от усталости. Для транспортных конструкций разрушение от усталости является наиболее распространённым видом разрушения.

Усталость — процесс постепенного накопления повреждений металла под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к изменению свойств, образованию трещин и разрушению.

Различают многоцикловую и малоцикловую усталость. При многоцикловой усталости усталостные повреждения или разрушение происходят в основном в упругой области. При этом виде усталости повреждение или разрушение происходит при числе циклов более 5010³. Когда говорят "усталость", то обычно понимают под этим термином многоцикловую усталость. При малоцикловой усталости повреждение или разрушение происходит при упруго-пластическом деформировании при небольшом количестве циклов, до 5010³.

Опасность разрушения от усталости состоит в том, что разрушение наступает при сравнительно небольших напряжениях, составляющих от 3/5 до 1/3 _В.

При циклическом приложении нагрузки существенно большее отрицательное влияния, чем при статическом однократном нагружении, оказывают надрезы, дефекты внутреннего строения, коррозионные повреждения, приводящие к хрупкому внезапному разрушению.

Усталостный излом, как правило, состоит из двух зон: постепенного усталостного разрушения (имеет обычно гладкую, притёртую поверхность) и мгновенного разрушения (имеет для хрупких металлов грубокристаллический вид, а для вязких — волокнистое строение).

Повторно-переменные нагрузки, приводящие к усталостному разрушению, характеризуются циклическим изменением напряжений.

Циклом напряжений называют совокупность последовательных значений переменных напряжений за один период их изменения.

Напряжения цикла выражают уравнением:

 = _m + _a f(t)

где _m — среднее напряжение цикла, _a — амплитуда цикла, f(t) — непрерывная периодическая функция, изменяющаяся от +1 до –1 (обычно аппроксимируют синусоидой).

Максимальное напряжение цикла _макс — наибольшее по алгебраической величине напряжение, минимальное напряжение цикла _мин — наименьшее по алгебраической величине напряжение.

Важной характеристикой цикла является коэффициент асимметрии

R = _макс / _мин

Если R = –1, то цикл называют симметричным.

Для инженерной практики необходимо знание сопротивляемости металла разрушению от усталости.

Свойство металла противостоять усталости называют выносливостью.

Циклическая долговечность N — число циклов нагружений до образования усталостной трещины определённой длины или до усталостного разрушения.

Предел выносливости — максимальное по абсолютной величине напряжение цикла, под действием которого не происходит усталостного разрушения после неограниченно большого количества циклов.

Предел ограниченной выносливости — наибольшее значение максимального по абсолютной величине напряжения цикла, под действием которого материал ещё не разрушается после заданного числа циклов нагружений.

Предел выносливости определяют на базе 1010⁶ циклов, предел ограниченной выносливости — на базе 10010⁶ циклов. Для сравнительных испытаний допускаются базы испытаний 510⁶ и 2010⁶ циклов. Пределы выносливости обозначают _R где R — коэффициент асимметрии, для симметричного цикла — _–1.

Для предела ограниченной выносливости указывается база испытаний. Как правило, испытания ведут при симметричном цикле напряжений. Для выяснения влияния концентраторов напряжений на выносливость материала кривую усталости строят на основании результатов испытаний образцов с надрезом. В обозначении предела выносливости ставят индекс "н", например, _{–1 Н} — предел выносливости при симметричном цикле нагружения образцов с надрезом.

Рассмотрим механизм разрушения от усталости. Изменения в структуре металла, которые в конце концов приводят к усталостному разрушению, можно разделить на три стадии.

1. Первая стадия включает изменения, приводящие к зарождению трещин. Тонкий поверхностный слой начинает пластически деформироваться при существенно меньших напряжениях, чем внутренние объёмы металла и после некоторого числа циклов на поверхности образцов возникают устойчивые полосы скольжения. В результате локализованного пластического сдвига и накопления необратимой пластической деформации в полосах скольжения на поверхности металла образуются остаточные вертикальные смещения — интрузии и экструзии — впадины и выступы. Развиваясь, они переходят в кристаллографически ориентированные микротрещины глубиной от одного до десяти микрон. Микротрещины растут в пределах полос скольжения в направлении действия наибольших касательных напряжений. После того как сдвиговая трещина достигает длины десятых долей миллиметра, она постепенно переориентируется в трещину отрыва перпендикулярно действующей нагрузке.

2. Вторая стадия состоит в медленном подрастании микротрещин. Продолжительность этой стадии по сравнению с первой велика. В начале второй стадии трещины растут очень медленно со скоростью, не превышающей 10^–5 мм/цикл, и их рост определяется сдвиговой деформацией. Затем они начинают расти с постоянной скоростью, которая на один–два порядка выше первоначальной, и их рост происходит по механизму отрыва под влиянием критических нормальных напряжений. К концу второй стадии длина трещин достигает критического значения.

3. Третья стадия состоит в ускоренном, нестабильном росте трещин, который приводит к разрушению. Скорость роста трещин в этой стадии превышает 10^‑3 мм/цикл, и продолжительность этой стадии очень мала.

Усталостная прочность в большей мере, чем многие другие, механические свойства, зависит от изменения условий испытания или эксплуатации. Факторы, влияющие на усталостную прочность, делят на внешние: величина напряжения, способ нагружения, температура, свойства окружающей среды и т.д., и внутренние: состав и структура материала, состояние поверхности и геометрия образца.

Влияние напряжений. Уменьшение напряжений приводит к увеличению долговечности при повторно-переменных нагрузках. Наименьший предел выносливости получают при испытании на кручение, наибольший — при испытании на изгиб, средний между ними — на растяжение–сжатие.

Влияние температуры. Повышение температуры ведёт, как правило, к понижению предела выносливости.

Влияние среды. Активная коррозионная среда понижает выносливость металлов как при высоких, так и при обычных температурах.

Влияние масштабного фактора. Увеличение диаметра образцов с 5–10 мм до 30–50 мм приводит к значительному понижению предела выносливости. При дальнейшем увеличении размеров выносливость стабилизируется. Указанное влияние размера связано с возрастанием неоднородности состава и структуры образца, увеличением скорости роста трещины вследствие большого запаса упругой энергии, а также возможностью неблагоприятных, понижающих выносливость отклонений в распределении напряжений и деформаций.

Концентрация напряжений. Риски, царапины и другие неровности поверхности приводят к значительному снижению выносливости. Долговечность деталей, работающих в условиям циклических нагрузок, снижается при наличии резких переходов по толщине, галтелей с малым радиусом, вырезов и других концентраторов напряжений.

Многие детали транспортных средств имеют отверстия, острые переходы от одной части к другой, сочетание толстых и тонких элементов, т.е. концентраторы напряжений. В местах концентрации напряжения могут быть настолько значительными, что вызовут местную пластическую деформацию. При повторении нагрузок происходит накопление пластических деформаций, и при сравнительно небольшом числе циклов нагружения возникает трещина, которая, разрастаясь, приводит к разрушению детали. Такое разрушение называют малоцикловым.

Малоцикловая усталость — процесс разрушения, возникающий при действии значительных (десятые доли процента и более) упругопласгических деформаций. В условиях малоцикловой усталости с увеличением числа циклов нагружений изменяется напряжённое и деформированное состояние металла. Если по условиям циклического нагружения нагрузка остаётся постоянной (мягкое нагружение), то от цикла к циклу изменяется амплитуда деформации. Если при работе материала или при испытаниях амплитуда деформации остаётся постоянной (жесткое нагружение), то от цикла к циклу изменяется амплитуда возникающих напряжений. Она увеличивается, если в процессе деформации металл упрочняется, и уменьшается, если металл разупрочняется.