2. Сопротивление многоцикловой усталости

Усталостью материалов называется явление разрушения при многократном повторении напряжений. Способность материалов сопротивляться разрушению при повторно-переменных напряжениях называется выносливостью материла. Для разрушения от усталости недостаточно переменности напряжений. Необходимо также, чтобы напряжения имели определённую величину. Максимальное напряжение, при котором материал способен сопротивляться, не разрушаясь, при любом произвольно большом числе повторений нагружений, называется пределом выносливости [2]. Предел выносливости материала определяется на специальных установкой путём испытания партии образцов. Испытания проводятся при симметричном или асимметричном цикле нагружения в основном при изгибе или при растяжении-сжатии образцов. Предел выносливости зависит от таких факторов, как форма и размеры образца, способ его обработки, состояние поверхности, вида напряженного состояния, закона изменения нагрузки во времени при испытании.

В большинстве случаев напряжение изменяется периодически. Совокупность всех значений напряжений в течение одного периода называется циклом напряжений. Наиболее распространёнными циклами нагружения являются: симметричный, пульсирующий, постоянный (статическое напряжение). Для каждого цикла максимальные значения вычисляются по-разному, исходя из графиков нагружения.

где – амплитудное значение, – среднее. Для касательных напряжений выполняются те же выражения, что и для нормальных.

Рис. 5 - Гармонический закон изменения напряжений во времени

Циклы делятся на следующие типы:

1. симметричный цикл – максимальное и минимальное напряжения равны по абсолютной величине и противоположны по знаку;

2. асимметричный цикл – максимальное и минимальное напряжения не равны по абсолютной величине, при этом асимметричный цикл может быть знакопеременным или знакопостоянным;

3. знакопеременный цикл – максимальное и минимальное напряжения не равны по абсолютной величине и противоположны по знаку;

4. знакопостоянный цикл – максимальное и минимальное напряжения не равны по абсолютной величине и имеют одинаковый знак;

5. отнулевой (пульсирующий) цикл – максимальное или минимальное напряжения равны нулю.

Для определения числа циклов, при котором кривая усталости практически совпадает с асимптотой, (база испытания) производят эксперимент. Образцам дают различную нагрузку и доводят до разрушения. По диаграмме нагружения находят предел выносливости – максимальное напряжение, при котором не происходит разрушение при осуществлении наперёд заданного числа циклов. Следовательно, основной причиной разрушения при циклических нагрузках является превышение количества повторов нагружения.

На работоспособность детали влияют последствия технологических воздействий процесса изготовления. Эти факторы разделяются на две группы: факторы, влияющие на исходную структуру металла, факторы, изменяющие напряженно-деформированное состояние элементов конструкции. Влияние на усталостную прочность материала также оказывают:

• концентрация напряжений (α),

• действительный коэффициенты концентрации (K_σ, K_τ);

• коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений (q),

• коэффициент влияния абсолютных размеров (K_d),

• коэффициент качества поверхности (K_F),

• коэффициент чувствительности материала к асимметрии цикла (Ψ).

Действительный коэффициенты концентрации для нормальных напряжений - K_σ и касательных - K_τ:

, ,

где – пределы выносливости, полученные при действии нормальных и касательных напряжений на гладких образцах, – пределы выносливости образцов с концентраторами напряжений.

Коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений (q) зависит от самого материала и величины коэффициента концентрации α.

Эксперименты показывают, что с увеличением образца предел выносливости падает. Его можно определить как отношение предела выносливости гладкого лабораторного образца диаметром 7-10 мм к пределу выносливости рассматриваемой детали диаметром больше лабораторного.

На предел выносливости существенное влияние оказывает состояние поверхности детали, так как на поверхности всегда имеются дефекты, связанные с качеством обработки, с коррозией.

Запас прочности выбирается в соответствии с точностью определения усилий, напряжений, качеством обработки. При повышенной точности определения напряжений, однородном материале и качественной обработке запас прочности , для обычной точности и умеренной , при пониженной точности и пониженной однородности материала

Применение методов поверхностного упрочнения приводит в ряде случаев к значительному повышению пределов выносливости (в 2–3 раза и более), что связано с формированием в поверхностном слое упрочненной детали сжимающих остаточных напряжений и повышением твердости поверхности.