Строение полной кривой усталости

В процессе циклического нагружения при напряже­ниях, превышающих определенный предел, происходят необратимые структурные изменения, которые в свою очередь вызывают изменение физических и механичес­ких свойств материала. В настоящее время .общепризна­но, что процесс усталости связан с развитием пластиче­ской деформации, подготавливающей зарождение мель­чайших трещин – субмикротрещин. Субмикротрещины постепенно разрастаются и превращаются в микротре­щины, которые в дальнейшем увеличиваются до разме­ров макротрещин, видимых невооруженным глазом. Ког­да макротрещина достигает критической длины, опре­деляемой соотношениями механики разрушения, ее рост становится, нестабильным. Происходит окончательное «катастрофическое» разрушение – долом образца.

σв – предел прочности; σтд, σтц – динамический, циклический пределы текучести; σк – критичес-кое напряжение; σR – предел выносливости;– σуц – циклический предел упругости; Nк, NW – кри-тическое базовое число циклов Рисунок – 9.3 Схематическое изображение полной кривой усталости	1, 2 – линии начала и окончания макроскопическо-го течения; 3 – линия начала образования субмикро-скопических трещин; 4 – линия начала образования микроскопических трещин; 5 – линия начала катастро-фического разрушения (долома); 6 – кривая усталости Рисунок – 9.4 Схема обобщенной диаграммы многоцикловой усталости

Усталостный излом

Исследование поверхности разрушения дает ценную информацию о конкретных причинах поломки и способ­ствует выяснению особенностей процесса усталостного разрушения и принять соответствующие меры для их устранения. На рисунке 9.5 схематически изображены различные случаи усталостного разрушения. Излом состоит из двух. основ­ных зон. Одна из них соответствует участку развития усталостной трещины и имеет характерный гладкий (иногда блестящий) вид. На поверхности этой зоны час­то видны концентрические контуры фронта распростра­нения трещины, которые сходятся в очаге разрушения. Протяженность зоны собственно усталост­ного разрушения уменьшается с ростом напряжений цикла. Вторая зона – зона долома (на рисунке 9.5 штрихова­на) – возникает в результате быстрого окончательного разрушения за один или несколько последних циклов. Она может иметь либо хрупкое, либо вязкое, либо сме­шанное строение в зависимости от условий испытания.

Детальное исследование поверхностей излома мето­дами микрофрактографии позволяет получать необходи­мые сведения о механизме и кинетике роста трещины, а также о характере напряженного состояния у ее верши­ны на стадиях медленного, а затем ускоренного роста и на стадии нестабильного распространения.

Способы повышения усталостной прочности

Учитывая то обстоятельство, что предел вынос­ливости связан с характеристиками прочности и плас­тичности при статическом растяжении, можно сделать вывод о не­сомненно благоприятном влиянии таких структурных изменений, которые вызывают одновременное повыше­ние прочности и пластичности материала. Эти измене­ния заключаются в измельчении зерна или образованию развитой субструк­туры.

Наличие внутренних концентраторов напряжений при циклическом нагружении играет большую роль, чем при статическом. В связи с этим должны быть более высокими и требования к чистоте стали по неметалличе­ским включениям и дефектам металлургического проис­хождения.

I – осевая нагрузка; II – односторонний плоский изгиб; III - двухсторонний плоский изгиб; IV – изгиб вращающегося образца Рисунок – 9.5 Схемы усталостных изломов при различных видах нагружения

Особое значение при усталости имеет состояние по­верхностных слоев изделия. Улучшением чистоты обра­ботки всегда можно добиться повышения усталостной прочности. Однако наиболее эффективными оказывают­ся такие обработки, которые приводят к упрочнению поверхности и одновременно создают в поверхностных слоях остаточные сжимающие напряжения. В этом слу­чае одновременно увеличивается сопротивление и за­рождению, и распространению усталостных трещин; упрочнение затрудняет развитие скольжения, а сжимающие напряжения препятствуют раскрытию поверхност­ных трещин, ослабляя влияние растягивающей компо­ненты цикла.