9.5. Понятие об усталости металлов

Преобладающая часть деталей машин и различных механизмов в процессе эксплуатации работает в условиях переменных напряжений. Практикой установлено, что при переменных напряжениях разрушение деталей даже из пластичных материалов происходит внезапно, без заметных остаточных деформаций при напряжении меньшем предела прочности и даже меньшем предела текучести материала. Разрушения деталей вследствие возникновения переменных напряжений носят название усталостных.

9.6. Усталостное разрушение

Исследования показали, что разрушение деталей при переменных напряжениях связано с возникновением и постепенным развитием усталостной трещины, появление которой обусловлено неоднородностью строения материалов.

Рис. 9.1

Отдельные кристаллы имеют различную прочность в разных направлениях. Поэтому при нагружении в отдельных кристаллах возникают пластические деформации. При повторных нагрузках и разгрузках появляется наклеп и повышается хрупкость материала. В конце концов возникает микротрещина на одной из плоскостей скольжения кристаллов. При нагружении края микротрещины то сходятся, то расходятся, нажимая друг на друга, происходит обмятие краев трещины, сглаживание, шлифование поверхности. С течением времени трещина увеличивается, сечение ослабляется, происходит долом. На рис. 9.1 зона 1 – зона развития усталостной трещины, зона 2 – зона долома.

Свойство материала противостоять усталостному разрушению называется сопротивлением усталости.

Рассмотрим возникновение переменных напряжений на примере вращающейся оси (например, оси подвижного состава), нагруженной постоянными поперечными силами F (рис.9.2,а).

Рис. 9.2

Ось работает на изгиб. На участке CD имеет место чистый изгиб

(Q_у = 0; М_z ≠ 0).

В любом сечении на участке CD возникают только нормальные напряжения σ (рис 9.2,б). Напряжение в произвольной точке К сечения при равномерном вращении оси изменяется по синусоидальному закону.

График изменения напряжений представлен на рис. 9.2, в.

За один полный оборот оси точка К попеременно попадает из зоны растяжения в зону сжатия. При каждом новом обороте оси изменение напряжения в любой точке сечения повторяется.

Если к оси помимо сил F, вызывающих изгиб, приложить еще растягивающие силы F₁ (рис.9.3, а), то график изменения напряжений будет тоже синусоидальным, но синусоида сместится вверх относительно оси абсцисс (рис. 9.3, б).

Рис. 9.3

9.7. Виды циклов напряжения и их параметры

Совокупность последовательных значений напряжения за один период их изменения называется циклом напряжения.

Каждый цикл характеризуется следующими параметрами (рис. 9.3, б):

σ_maх (τ_mах) – максимальное напряжение цикла, наибольшее алгебраическое значение цикла напряжений;

σ_min (τ_min) – минимальное напряжение цикла, наименьшее алгебраическое значение цикла напряжений;

σ_m – среднее напряжение цикла - постоянная составляющая цикла, определяемая по формуле:

σ_m = , (τ_m = )

σ_а – амплитуда напряжений цикла, численно равная:

σ_a = , (τ_{a =} ) .

Цикл, у которого σ_min = - σ_maх , называется симметричным (рис. 9.2, в). Для симметричного цикла σ_m = 0, σ_а =

Знакопостоянный цикл, при котором напряжение изменяется от нуля до максимума (σ_min = 0) (рис. 9.4,а) или от нуля до минимума (σ_mах = 0) (рис. 9.4,б), называется отнулевым или пульсационным. Для такого цикла

.

Цикл изменения напряжений, представленный на рис. 9.3,б называется асимметричным циклом.

Отношение минимального напряжения цикла к максимальному называется коэффициентом асимметрии цикла напряжений и обозначается через R_σ и R_τ, причем

R_σ = ; R_τ = ,

Для симметричного цикла:

R_σ = =

Для отнулевого цикла R_σ = 0, если σ_m > 0 и R_σ = - ∞, если σ_m < 0.

Циклы, имеющие одинаковые коэффициенты асимметрии, называются подобными.

Рис.9.4