1 Усталость металла
1.1 Явление усталости
Если металл подвергается действию циклически меняющихся напряжений (например, чередующихся растяжения и сжатия), то после большого числа циклов в конце концов происходит разрушение, даже в том случае, если максимальное действующее напряжение значительно меньше предела текучести при испытании на растяжение. Это явление, называемое усталостью, имеет большое значение в условиях, когда металлические детали подвергаются воздействию переменных напряжений. Считают, что 80—90% всех случаев разрушения металла на практике происходит вследствие усталости[3].
Поведение металлов и сплавов при усталости лучше всего изучать методом многократного периодического нагружения стандартных образцов одинаковыми напряжениями до момента наступления разрушения. Испытания повторяются для ряда различных максимальных напряжений; по результатам испытаний строят график зависимости уровня максимального напряжения от логарифма количества циклов до разрушения, получая так называемые S — W-кривые.
Рисунок 1 – Типичные S-N кривые для металлов
На рисунке 1 представлены два типа подобных кривых. Обе кривые при высоких напряжениях круто идут вниз, а при меньших напряжениях делаются более пологими. Для материалов типа А характерен ярко выраженный горизонтальный участок на кривой усталости; при напряжениях ниже этого уровня разрушение никогда не наступает даже при продолжительных испытаниях; напряжение, соответствующее горизонтальному участку кривой, называют пределом усталости. Такое поведение типично для многих сталей. Напротив, для большинства цветных сплавов характерно поведение, описываемое кривой В, на которой также имеется излом, однако и после него кривая продолжает понижаться с уменьшением уровня максимального напряжения. Такие материалы не обнаруживают предела усталости, а имеют предел выносливости, определяемый как напряжение, которое приводит к разрушению после определенного числа циклов (обычно 108). Тенденция к усталости сильно возрастает при наличии концентраторов напряжений, таких, как острые надрезы, которые при определенном расположении могут приводить к зарождению трещин усталости у их вершины. Рост трещины происходит в течение большей части периода испытания образца на усталость. Поверхность разрушения имеет две основные зоны: первая зона соответствует периоду роста трещины, она покрыта тонкими линиями, представляющими собой следы периодического распространения трещины, продвигающейся от источника возникновения понемногу за каждый цикл; вторая зона имеет более равномерную зернистую поверхность и относится к заключительному периоду быстрого распространения трещины, который начинается с момента, когда здоровое сечение образца становится слишком малым, чтобы выдерживать приложенное напряжение[1].
Усталостное разрушение наблюдается при следующих особенностях нагружений:
1) при многократном нагружении одного знака;
2) при многократном нагружении, периодически изменяющемся не только по величине, но и по знаку (знакопеременное нагружение). При этом разделяют симметричное нагруженные и несимметричное[1].
Механизм образования трещин при повторно-переменном напряжении сложный и не считается полностью изученным и из несомненных положений теории усталости можно отметить[3]:
1) процессы, которые происходят в материале при повторно-переменном нагружении носят резко выраженный местный характер;
2) решающее влияние на явление усталости до образования первой трещины оказывают касательные напряжения, вызывающие пластические сдвиги и разрушение путем среза. Развитие усталостных трещин ускоряется при наличии растягивающих напряжений и у пластичных, и в особенности у хрупких материалов, в которых появление третий отрыва значительно повышается чувствительность к растягивающим напряжениям.
Предел выносливости определяется экспериментально на соответствующих испытательных машинах путем испытания партии образцов из данного материала в количестве не менее 6—12 штук. Предел выносливости зависит от многих факторов, в том числе от формы и размера образца или детали, способа ее обработки, состояния поверхности, вида напряженного состояния (растяжение — сжатие, кручение, изгиб), закона изменения нагрузки во времени при испытании, температуры и т. п.