3. Свойства, определяемые при циклически действующих нагрузках (усталость материалов)

Многие детали в процессе работы подвергаются циклически действующим нагрузкам, которая может быть знакопеременной (валы, оси), пульсирующей (штоки, силовые шпильки, шестерни, рельсы) или изменяться по более сложным законам. Разрушение металла под действием повторных или знакопеременных нагрузок называется усталостью металла. Следует отметить, что окончательное разрушение деталей механизмов от усталости носит хрупкий характер и поэтому происходит внезапно. В силу этого усталостные разрушения часто чреваты тяжелыми последствиями (разрушение осей вагонов, деталей шасси автомобилей и т. д.). Свойство металла сопротивляться разрушению от усталости называется выносливостью. Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости. Пределом выносливости _-1 называется наибольшее напряжение, которое может выдерживать образец, не разрушаясь при практически любом числе циклов нагружения. Предел выносливости для стальных образцов определяют на базе (5...10)х10⁶ циклов, для цветных сплавов — на базе 20х10⁶ циклов. При определении предела выносливости металла производится циклическое нагружение специальных образцов при разных значениях напряжений (ГОСТ 2860—65). Устанавливают число циклов до разрушения и на основании полученных данных строят кривые выносливости в координатах напряжение  — число циклов до разрушения N. Обычно на оси абсцисс откладывается ln(N).

На рис. 32 представлена кривая выносливости стали. Из рис. 32 видно, что _-1 для этого материала равно 30,5 кГ/мм². При напряжениях выше _-1 разрушение наступает тем раньше, чем выше напряжение. При напряжениях  > _-1 после определенного числа циклов возникает усталостная трещина, которая развивается при дальнейшем нагружении. Число циклов работы изделия под нагрузкой от начала возникновения усталостной трещины до излома называется «живучестью» металла. Живучесть, т.е. скорость распространения усталостной трещины, очень важна для характеристики служебных свойств (конструктивной прочности) металла, позволяя своевременно до аварии заменить дефектную деталь. Усталостный излом имеет весьма характерный вид, рис. 33. Он состоит из двух зон: относительно гладкой (притертой) зоны усталостного излома А (рис. 33) и зоны окончательного разрушения (долома) Б, имеющего кристаллический характер. Чем больше зона окончательного разрушения, тем выше были номинальные напряжения при работе детали.

№ 11. Какая из деталей на рис. 33, разрушившихся от усталости, подвергалось при нагружении большей перегрузке? Ответ (см. на с. 60): 1) деталь б; 2) деталь а.

Усталостные испытания относятся к числу длительных и дорогостоящих. Поэтому было много исследований по выявлению связей между величиной предела выносливости и другими прочностными характеристиками, установление которых менее трудоемко. Было выведено много эмпирических формул:

_-1=0,45_0,2+7,6 кГ/мм²; _-1=0,35_в+12,2 кГ/мм²;

_-1=25+8,6х10^-2х(_в + ) кГ/мм² и др.

Однако эти формулы применимы только для гладких образцов (без надреза), изготовленных из однотипных металлов, имеющих сопоставимые структурные состояния. Следует отметить, что данное положение имеет силу и для различных других эмпирических зависимостей. Поэтому при пользовании любыми эмпирическими формулами необходим учет структурного соответствия между материалом, для которого зависимость была установлена, и исследуемым материалом.