12.3. Механические характеристики сопротивления усталости

Механические характеристики сопротивления усталости определяются путем испытаний образцов на специальных усталостных машинах. Требования к образцам и испытательным машинам, методики проведения испытаний и обработки их результатов строго регламентируется ГОСТом.

Усталостные машины отличаются по виду нагружения (осевое растяжение-сжатие, изгиб вращающегося образца, плоский изгиб, кручение, комбинированное нагружение и т.д.), по способу силовозбуждения (механическое, гидравлическое, резонансное и т.д.). На рис. 12.4 показана схема простейшей механической усталостной машины, осуществляющей изгиб вращающегося образца. Машина позволяет проводить испытания при симметричных циклах нагружения, наиболее часто применяемых на практике.

Рис. 12.4

Образец устанавливается в шпиндель машины, вращающийся с некоторой угловой скоростью. На конец образца через подшипник напрямую или через систему рычагов прикладывается сила F. В опасном сечении образца создается изгибающий момент М_и = FL. В произвольной точке, расположенной на контуре опасного сечения, из-за того, что образец вращается, а плоскость действия изгибающего момента остается неизменной, возникает нормальное напряжение, меняющееся во времени по синусоидальному закону с амплитудой, равной

.

В этом случае σ_m = 0, σ_a = σ_max = ^–σ_min.

Испытывается серия одинаковых образцов в количестве не менее 10 штук. Первый образец устанавливается на достаточно большом уровне напряжений , и фиксируется число циклов до разрушения (долговечность)N₁. Для следующих образцов уровни напряжений последовательно снижаются и определяются их долговечности. В результате испытаний серии образцов получают уровни максимальных напряжений цикла σ_max и соответствующие им долговечности N.

Результаты испытаний наносят на график, откладывая по оси абсцисс долговечности, а по оси ординат – максимальные напряжения цикла. Так как долговечности в одной серии испытаний могут отличаться в сотни и тысячи раз, по оси абсцисс обычно используют логарифмическую шкалу, а по оси ординат – как логарифмическую, так и равномерную шкалы.

График зависимости долговечность – максимальное напряжение цикла при фиксированном коэффициенте асимметрии цикла носит название кривой усталости, которая по существу и является характеристикой сопротивления усталости. На рис. 12.5 показаны два типичных вида кривых усталости.

Рис. 12.5

Для кривых вида 1 характерным является наличие горизонтальной асимптоты, т.е. наибольшего максимального напряжения цикла, при котором разрушение не наступает за сколь угодно большое число циклов. Такое максимальное напряжение цикла носит название физического предела выносливости и обозначается σ_R, где индекс R равен коэффициенту асимметрии, при котором проводились испытания. Например, σ_–1, σ₀, σ_0,1 и т.д. Такими кривыми обладают, в основном, малоуглеродистые стали. Число циклов нагружения, по достижению которого дальнейшие испытания прекращаются, носит название базы испытаний (N₀). ГОСТом рекомендуется принимать N₀ = 10⁷ циклов.

Кривые типа 2 характерны для цветных металлов и сплавов и некоторых легированных сталей. В этом случае определяется так называемый условный предел выносливости, т.е. такое наибольшее максимальное напряжение цикла, при котором разрушение наступает за базу испытаний. При этом база испытаний увеличивается до 10⁸ циклов и более. Условные пределы выносливости обозначаются так же, как и физические, но при этом указывается база испытаний.

Пределы выносливости являются основными механическими характеристиками сопротивления усталости. Так как результаты усталостных испытаний очень чувствительны к конструктивным, технологическим и внешним факторам, принято определять пределы выносливости на гладких полированных образцах диаметром 8–12 мм при комнатной температуре в сухой воздушной среде. Чаще всего проводят испытания при R = ^–1, т.е. определяют σ_–1.