7.2. Діаграма втомленості

Для визначення границі витривалості того чи іншого матеріалу треба на відповідній випробувальній машині випробувати партію зразків з даного матеріалу в кількості 6 ... 12 шт. Для цього найчастіше беруть гладенькі циліндричні зразки діаметром 7 ... 10 мм.

При випробуванні партії зразків треба давати такі навантаження на окремі зразки, щоб вони не руйнувалися, витримавши різну кількість циклів навантаження.

Обробка здобутих експериментальних даних, як правило, супроводжується побудовою кривої втомленості (кривою Веллера) (рис. 7.2). Криву втомленості будують по точках у координатах кількості циклів N та напруження σ_мах .

Рис. 7.2. Крива втомленості матеріалу

Порядок прикладання навантажень на випробувані зразки здебільшого вибирають спадаючим, тобто на перший зразок дають навантаження, що значно перевищують границю витривалості, а навантаження на наступні зразки поступово знижують. Крива Веллера асимптотично наближається до деякої горизонтальної прямої, що відсікає на осі ординат відрізок, величиною якого й визначається границя витривалості. Ордината точки на кривій, де остання практично починає збігатися із зазначеною асимптотою, відповідає такому напруженню, при якому зразок не зруйнується, витримавши кількість циклів, яка зветься базою випробувань N₀.

Базою випробувань на опір втомленості називається найбільша кількість повторно-змінних навантажень, перевищення якої не повинне призводити до руйнування від втомленості випробуваного зразка при даному напруженні.

Для чорних металів (сталі, чавуну тощо) за базу випробувань беруть 10 млн. циклів, а для кольорових (міді, алюмінію і т. п.) - число в 5 ... 10 разів більше.

7.3. Вплив конструктивно-технологічних факторів на границю витривалості

На значення границі витривалості зразків або деталей, виготовлених з того чи іншого матеріалу, крім характеристики циклу, впливає ціла низка різних факторів. До них належать форма зразка, розміри, стан поверхні, середовище, в якому відбуваються випробування, температура випробувань, режим циклічного силового впливу (тренування, паузи, перевантаження, частота навантаження тощо), попередня внутрішня напруженість матеріалу та ін.

Для з’ясування впливу того чи іншого фактора як еталон беруть границю витривалості σ_-1, здобуту випробуванням на повітрі при симетричному циклі партії гладеньких полірованих зразків діаметром 7 ... 10мм. Тоді вплив різних факторів на опір втомленості можна оцінити відхиленням границі витривалості σ_-1 партії розглянутих зразків від границі витривалості σ_-1 еталонних зразків.

Вплив концентрації напружень.

Найбільш важливим фактором, що знижує границю витривалості, є концентрація напружень, спричинена різкою зміною перерізу деталі. Концентраторами напружень на практиці є шпонкові канавки, отвори в деталі, нарізки на поверхні, малі радіуси заокруглень у місцях різкої зміни розмірів перерізів тощо. Концентрація напружень, як правило, сприяє зародженню тріщини від втомленості, яка, розвиваючись, призводить урешті-решт до руйнування деталі.

В даному разі при розгляді питань опору втомленості використовують поняття ефективного, або дійсного, коефіцієнта концентрації, який є відношенням границі витривалості гладенького зразка без концентрації напружень до границі витривалості зразка з концентрацією напружень, що має такі самі абсолютні розміри перерізів.

Ці коефіцієнти надалі позначаються так:

для нормальних напружень:

(7.3)

для дотичних напружень:

(7.4)

де σ_-1 , τ_-1 - границі витривалості для гладеньких зразків,

σ_-1К, τ_-1К - границі витривалості зразків з концентрацією напружень.

На рис. 7.3 дані графіки залежності коефіцієнта k_σ при розтягу та стисненню зразків, виготовлених із сталей, у яких границя міцності дорівнює 400 МПа (крива 1), 800 МПа (крива 2), 1200 МПа (крива 3).

Рис. 7.3. Графіки залежності коефіцієнта k_σ від відношень

На рисунку 7.4 дані графіки залежності k_τ при крученні сталевих зразків, у котрих σ_в (границя міцності) дорівнює 1200МПа (крива 1) та 600МПа (крива 2).

На рисунку 7.5 дані графіки залежності к, при згині для сталевих зразків, у яких границя міцності дорівнює 1200МПа (крива І), 1000МПа (крива 2), 800МПа (крива 3) та 500МПа (крива 4).

Рис. 7.4. Рис. 7.5.

Як видно з графіків (рис. 7.3, 7.4, 7.5) чутливість матеріалу до концентрації напружень залежить насамперед від його властивостей. При цьому чим вища міцність сталі, тим вища її чутливість до концентрації напружень. Тому застосування високоміцних сталей при змінних напруженнях не завжди виявляється доцільним.

Чутливість металу до концентрації напружень у крупнозернистих сталей менша, ніж у дрібнозернистих. Метали та сплави з неоднорідною структурою, наприклад сірий чавун, мають знижену чутливість до концентрації напружень.