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.