1.2. Определение характеристик прочности при циклическом нагружении (испытания на усталость)

Процесс постепенного накопления напряжения в металле при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушению, называется усталостью. Разрушение таких деталей, как валы, рессоры, рельсы, шестерни и др., в эксплуатации происходит в результате циклического нагружения при напряжении, значительно меньшем, чем временное сопротивление металла. Свойство металла выдерживать большое число циклов переменных напряжений, т. е. противостоять усталости, называется выносливостью, или циклической (усталостной) прочностью.

Усталостная прочность – способность металла сопротивляться упругим и пластическим деформациям при переменных нагрузках, она характеризуется наибольшим напряжением σ_-1, которое выдерживает металл, не разрушаясь при бесконечно большом числе циклов нагружения, и называется пределом усталости, или пределом выносливости. Для оценки способности материала сопротивляться действию циклических напряжений и исследования различных стадий усталостного разрушения в технике широко используют кривые усталости (рис. 4), которые показывают связь между уровнем переменного напряжения σ и числом циклов до разрушения N (кривые Велера).

Для углеродистой конструкционной стали предел усталости условно принимается равным (0,4 – 0,5)σ_в.

Значение предела выносливости зависит от многих факторов: степени загрязненности металла неметаллическими включениями, макро- и микроструктуры металла, состояния поверхности, формы и размеров детали и др.

Важной характеристикой конструктивной прочности (надежности) металла является живучесть при циклическом нагружении. Живучесть − это способность металла работать в поврежденном состоянии после образования трещины до полного разрушения, она измеряется числом циклов нагружения или скоростью развития трещины усталости при данном напряжении. Живучесть является самостоятельным свойством, которое не зависит от других свойств металла. Живучесть имеет важное значение для оценки работоспособности деталей, работа которых контролируется различными методами дефектоскопии. Чем меньше скорость развития трещины усталости, тем легче ее обнаружить.

1.3. Определение характеристик динамической прочности

Основной характеристикой динамической прочности материалов является ударная вязкость KCU или KCV, Дж/м² (кгс∙м/см²).

В процессе эксплуатации многие детали машин испытывают динами-ческие (ударные) нагрузки. Для определения стойкости металла к удару и одновременной оценки его склонности к хрупкому разрушению проводят испытания на ударный изгиб по ГОСТ 9454-78 (Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах). Метод основан на разрушении стандартного образца для испытания на динамическую прочность (рис. 5) с концентратором посередине одним ударом маятникового копра. Концы образца располагают на опорах (схема испытания представлена на рис. 6). При испытании определяют полную работу, затраченную на разрушение образца ударным изгибом (работу удара), по значению которой рассчитывается ударная вязкость.

Ударную вязкость (KC) в Дж/см² (кгс·м/см²) вычисляют по формуле:

_{KC = K / S0, (5)}

где K – работа удара, Дж (кгс·м);

S₀ – начальная площадь поперечного сечения образца в месте концентратора, см², вычисляемая по формуле:

_{S0 = H1 ∙ B, (6)}

Рис. 5. Образец для испытания на динамическую прочность с концентратором вида V

где Н₁ – начальная высота рабочей части образца, см;

B − начальная ширина образца, см.

Для определения ударной вязкости применяют образцы (обычно размером 10  10  55 мм) с U- или V-образным надрезом. Надрез посередине образца называется концентратором. Испытания проводят на маятниковом копре 1 (рис. 6, а). Маятник 2, падая с определенной высоты, разрушает образец 3, свободно установленный на двух опорах копра (рис. 6, б). Работа удара K (Дж или кгсм), затраченная на излом (разрушение) образца, фиксируется стрелкой на шкале копра и определяется из разности энергии маятника в положении его до и после удара. Ее можно определить по формуле:

К = G(h₁ – h₂), (7)

где G – сила тяжести, Н, G = mg;

m – масса маятника, кг;

h₁ – исходная высота подъема маятника, м;

h₂ – высота подъема маятника после разрушения образца, м.

Если образец имеет U-образный надрез, то в обозначение ударной вяз-кости добавляется буква U (КСU), а если V-образный, то добавляется буква V (КСV).