5. Механічні властивості при перемінних (циклічних) навантаженнях

Тривалий вплив на метал повторно-перемінних напруг може викликати утворення тріщин і руйнування навіть при напругах нижче σ_0.2. Поступове нагромадження ушкоджень у металі під дією циклічних навантажень, що приводять до утворення тріщини і руйнуванню, називають утомою, а властивість металів пручатися – витривалістю.

Близько 80 % усіх руйнувань носять втомлений характер. Втомлений злам (рис. 6) складається з зони з більш рівною і блискучою поверхнею, що містить у собі осередок руйнування 1 (місце зародження тріщини), зону стабільного розвитку тріщини 2 і зони доламу 3 (ділянки розвитку тріщини, зв'язаного з остаточним руйнуванням). Осередок руйнування звичайно розташований поблизу поверхні. Поверхня як найбільш навантажена частина перетину (при вигині, крутінні) перетерплює мікро деформацію, а потім у наклепаній зоні утвориться під поверхнева тріщина, що поступово розвивається як грузла.

У зоні утоми нерідко можна бачити смуги, що розходяться від осередку руйнування, що відбивають послідовне положення зростаючої тріщини (рис. 6). Швидкість росту тріщини невелика. Ріст тріщини продовжується доти, поки перетин не виявиться настільки малим, що діючі в ньому напруги перевищать що руйнують. Тоді відбувається швидке руйнування, що приводить до утворення зони доламу (рис. 6). Зона доламу має структуру, характерну для тендітній або грузлого (у залежності від природи матеріалу) руйнування при однократних навантаженнях (статичних або ударних).

Іспит на утому (рис. 7) проводять для визначення границі витривалості, під яким розуміють найбільше значення максимальної напруги циклу, при дії якого не відбувається руйнування зразка після довільно великого або заданого числа циклів навантаження.

Цикл напруги – це сукупність перемінних значень напруг за один період їхньої зміни. За максимальне σ_max і мінімальне σ_min напруга циклу приймають найбільше по алгебраїчній величині напруга. Цикл характеризується коефіцієнтом асиметрії R_о = σ_min/σ_max. Якщо R_о = –1, цикл називають симетричним (рис. 9), якщо σ_max і σ_min не рівні по величині, цикл асиметричний.

Границя витривалості позначається σ_R (R – коефіцієнт асиметрії циклу), а при симетричному циклі σ_–1. Границя витривалості визначають на обертовому зразку (гладкому або з надрізом) з додатком згинаючого навантаження по симетричному циклі. Для визначення використовують не менш десяти зразків. Кожен зразок випробують тільки на одному рівні напруг до руйнування або до базового числа циклів. За результатами іспиту окремих зразків будують криві утоми в напівлогарифмічних або логарифмічних координатах, а іноді в координатах σ_max –1/N.

Рис. 6. Злам утоми: 1 – осередок руйнування; 2 – зона стабільного розвитку тріщини; 3 – зона долому; 4 – втомлені борідки

Зі зменшенням σ_max довговічність зростає. Горизонтальна ділянка на кривої утоми, тобто σ_max, не зухвалого руйнування при нескінченно великому числі циклів N, відповідає границі витривалості. Багато металів (звичайно кольорові і їхні сплави) не мають горизонтальної ділянки на кривої утоми. У цьому випадку визначають обмежена границя витривалості – найбільша напруга, що витримує метал (сплав) протягом заданого числа циклів навантаження.

Рис. 7. Схема іспиту на утому (а) і зміна напруг при симетричному циклі (б)

Рис. 8. Криві утоми

База іспиту N повинна бути не нижче 10·10⁶ для сталі і 100• 10⁶ циклів для легких сплавів і інших кольорових металів, що не мають горизонтальної ділянки на кривої утоми. Якщо утворення тріщин або повне руйнування відбувається при числі циклів до 5·10⁴ така утома називається мало циклова, при більшому числі циклів – багато циклова. Мало циклова утома має велике значення для штампового інструмента, деталей літака (шасі, фюзеляж), судин високого тиску, вузлів космічних кораблів і т.д.

Границя витривалості знижується при наявності концентраторів напруг. Чутливість σ_R до концентраторів напруг при симетричному циклі навантаження визначається ефективним коефіцієнтом концентрації напруг К_σ = σ_–1/σ_–1K, де σ_–1 і σ_–1K – границі витривалості зразків гладкого і з надрізом (концентратором напруги). Тому що втомлена тріщина починається в поверхневому шарі, то чим ретельніше оброблена поверхня зразка (деталі), тобто чим менше концентраторів напруг, тим вище границя витривалості. У порівнянні з полірованими зразками сталі (σ_в=1000 МПа) границя витривалості шліфованих зразків знижується на 10–15 %, а фрезерованих – на 45–50 %. Зі збільшенням розміру зразка границя витривалості зменшується («масштабний фактор»). Границя витривалості виробів завжди нижче, ніж зразків. Чим більше розтягують напруги на поверхні, тим нижче витривалість. Збільшення стискаючих напруг при незмінній напрузі, що розтягує, зміщає криву утоми в напрямку великих напруг. Це порозумівається тим, що напруги, що розтягують, сприяють розкриттю тріщини, а стискаючі, навпаки, утрудняють.

Чутливість до концентраторів напруг різко знижується, а границя витривалості зростає при створенні на поверхні залишкових напруг стиску шляхом зміцнення хіміко-термічною або іншою обробкою. Корозія знижує границю витривалості на 40–60 %.

Між границею витривалості (σ_–1) і тимчасовим опором розривові (σ_в) існує визначений зв'язок. Для багатьох сталей відношення σ_–1/σ_B = 0,5, мідних сплавів 0,3–0,5 і алюмінієвих 0,25–0,4, тому, знаючи σ_в, можна орієнтовно визначити σ_–1 але варто мати на увазі, що при високому значенні σ_в відношення σ_–1/σ_B знижується. З підвищенням міцності зростає σ_–1 за рахунок збільшення опору зародження тріщини утоми. Однак зі збільшенням σ_в знижується пластичність, що утрудняє релаксацію напруг у вершини тріщини і прискорює її розвиток. З підвищенням міцності (зниженням пластичності) зростає чутливість до концентраторів напруг. Тому високоміцні сталі можуть мати більш низька границя витривалості, чим менш міцні сталі.

Живучість. Важливою характеристикою конструктивної міцності, що характеризує надійність матеріалу, є живучість при циклічному навантажені. Живучість (швидкість розвитку тріщини) – це здатність металу працювати в ушкодженому стані після утворення тріщини. Живучість виміряється числом циклів до руйнування або швидкістю розвитку тріщини при даній напрузі. Живучість визначають по двох кривих утоми: першу криву будують для моменту утворення початкової втомленої тріщини, а другу – по остаточному руйнуванню. Відстань між цими кривими при кожній напрузі, тобто число циклів роботи зразка з тріщиною, і є живучість. Живучість є самостійною властивістю матеріалу, що поки не вдається пророчити на основі знання інших механічних властивостей. Високі механічні властивості включаючи достатню пластичність і ударну в'язкість, часто сполучаться з дуже низькою живучістю. Живучість має особливе значення для надійності експлуатації виробів, безаварійна робота яких підтримується шляхом періодичного дефектокопіювання різними фізичними методами для виявлення втомлених тріщин. Чим менше швидкість розвитку тріщини, тим легше неї знайти.