Лекция 9 . Цикличность нагружения и прочность материалов. Основные положения и факторы, определяющие сопротивление усталости

Усталостью называется процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторных или повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению. Важнейшей особенностью процесса является то обстоятельство, что он, как и ползучесть, развивается при напряжениях, значительно меньших (в несколько раз), чем временное сопротивление, которое служит критерием прочности при статическом нагружении. Способность материала сопротивляться действию знакопеременных (или циклических) нагрузок называется выносливостью. Выносливость существенно ниже статической прочности. Другой особенностью циклического нагружения является тот факт, что разрушение в результате усталости не сопровождается заметной пластической деформацией, поэтому его чрезвычайно трудно предупредить. Эти обстоятельства определяют огромную практическую значимость проблемы усталости и делают ее актуальной не только для материаловедения, но и для всего машиностроения.

Влияние различных факторов на прочность при усталости (выносливость). Усталостная прочность значительно резче, чем другие прочностные свойства. реагирует на условия и режимы эксплуатации. Сюда относятся:

- температура и скорость (частота) приложения нагрузки,

- характер напряженного состояниия,

- свойства окружающей среды.

Чрезвычайно важную роль играют характеристики самих объектов , их размеры, форма, состояние поверхности, конструктивные особенности (наличие концентраторов напряжений) и др. Критерием выносливости является предел выносливости σ_R – наибольшее значение максимального напряжения цикла, под действием которого не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого числа циклов нагружения.

Как и большинство прочностных свойств выносливость является комплексным показателем прочности при циклическом нагружении, она определяется влиянием внешних и внутренних факторов. К важнейшим внешним факторам относятся напряжение цикла, частота его изменения и температура.

Влияние внешних факторов

Поскольку результаты испытаний на выносливость представляют в виде зависимостей долговечности либо от амплитуды напряжений σ_а, либо от максимального напряжения цикла σ_max. Из рисунка 9.1 вид­но, что при увеличении среднего напряжения цикла ам­плитуда напряжений должна уменьшаться. Если уста­лостную прочность оценивать по σ_mах, то она возрастает с ростом среднего напряжения и коэффициента асим­метрии цикла; при R = +1 и σ_а = 0 она достигает зна­чения предела прочности при статическом нагруже­нии σ_в.

1 – парабола Гербера; 2 – прямая Гудмана Рисунок – 9.1 Диаграммы предельных напряжений в координатах σа – σm (a) и σmax – σm (б)

Напряженное состояние образца характеризуется не только значениями предельных напряжений цикла, но также соотношением главных, напряжений (видом на­гружения: сжатие – растяжение, изгиб, кручение или их комбинации) и градиентом напря­жений по сечению образца. Обычно при неоднородных напряженных состояниях предел выносливости выше, чем при однородном. Так, отношение предела выносли­вости при изгибе к пределу выносливости при растяже­нии – сжатии для многих сталей колеблется в интервале 1,0 – 1,5. При чистом сдвиге предел выносливости имеет минимальное значение и составляет, например, для мяг­кой стали 70 % от значения предела выносливости при растяжении – сжатии.

Изменение температуры значительно влияет на вы­носливость металлов. Для большинства металлов при любых температурах – от близких к абсолютному нулю и до близких к точке плавления – может быть получено разрушение, обладающее признаками усталостного. Если изменение температуры не вызывает фазо­вых или структурных превращений в материале, то его выносливость непрерывно повышается с уменьшением температуры вплоть до 4 К. Отношение пределов вынос­ливости многих используемых в технике сплавов при температуре жидкого азота (–196 °С) и комнатной составляет 1,5–2,5.

Монотонная зависимость сопротивления усталости от температуры может нарушаться в результате струк­турных изменений, вызванных одновременным воздейст­вием циклической деформации и повышенной темпера­туры. .Так, углеродистые стали имеют отчетливый максимум предела выносливости при 350 °С, т. е. при по­вышении температуры от комнатной до 350 °С наблюдает­ся не уменьшение, а рост предела выносливости (и до­вольно значительный – на 50 %). Такую зависимость объясняют протеканием деформационного старения и соответствующим упрочнением в ходе испытания.

Наблюдается небольшое увеличение предела выносливости (на 5-10 %) с ростом частоты. Влияние частоты связано в основном, с действием временного фактора: увеличение частоты при равном числе циклов означает уменьшение времени и повыше­ние скорости нагружения. Это ограничивает развитие процессов пластической деформации и приводит к умень­шению результирующего усталостного повреждения. Отмечается и другая аномалия: влияние частоты усиливается с понижением уровня напряжений циклаВыносливость некоторых мате­риалов начинает уменьшаться с ростом частоты. Следу­ет отметить, что области очень низких и очень высоких' частот исследованы еще недостаточно.

Влияние масштабного фактора. Установление зависимости усталостной прочности от размеров испытуемых образцов (в начале 30-х годов этого столетия) И. А. Одинг назвал «ошеломляющим открытием». Оказалось, что при переходе от обычных образцов диаметром 5-10 мм к крупным образцам диа­метром 50-200 мм значительно снижается предел выносливости и еще более резко долговечность в области ограниченной выносливости. Этот «масштабный эффект» имеет затухающий характер: снижение выносливости продолжается. с ростом размеров до определенного пре­дела (30-50 мм) и при дальнейшем увеличении разме­ров прекращается. К анализу причин влияния масштаб­ного фактора на усталостную прочность возможно не­сколько подходов.

Во-первых, при увеличении абсолютных размеров об­разцов (деталей) неизбежно возрастает неоднородность(технологического происхождения) состава и структуры.

Во-вторых, при испытании крупных образцов может по­вышаться скорость роста ,трещины .из-за большего за­паса упругой энергии, особенно при значительной подат­ливости нагружающей системы.

В-третьих, при измене­нии размеров неизбежны отклонения от законов подо­бия по напряженному и деформированному состоянию, даже если строго соблюдаются условия геометрического подобия.

Состояние поверхности играет особую роль при цик­лическом нагружении, так как усталостное разрушение, как правило, начинается на поверхности детали даже при однородном напряженном состоянии. В практичес­ких условиях нагружения однородное напряженное со­стояние реализуется крайне редко (почти всегда есть изгибающие моменты) и роль состояния поверхности дополнительно возрастает, так как напряжения здесь выше, чем в глубинных слоях. Кроме того, взаимодейст­вие детали с окружающей средой всегда осуществляет­ся через ее поверхность.

Наличие на поверхности мелких неровностей, цара­пин и т. п. снижает усталостную прочность на десятки процентов. Это обусловлено концентрацией напряжений около царапин или надрезов. Для характеристики на­пряжений вводится коэффициент концентрации напря­жений α, который определяют как отношение макси­мального напряжения в зоне концентрации к номиналь­ному напряжению в том же месте. Наиболее опасной яв­ляется концентрация нормальных напряжений, поэтому чаще всего пользуются коэффициентом концентрации нормальных напряжений α_σ:

α_σ = σ_max/σ_n. (9.3)

Отметим, что величина σ_mах имеет здесь несколько иной смысл, чем максимальное напряжение цикла, которое обозначается тем же значком.