Многочисленные эксперименты, проведенные с образцами различных форм и размеров, а также практика эксплуатации деталей машин показывают, что прочность при переменных напряжениях (величина предела выносливости) в значительной степени зависит от формы и размеров детали, а также от состояния ее поверхности и воздействия окружающей среды.
В большинстве случаев испытания на выносливость проводят на лабораторных образцах диаметром 5-10 мм, имеющих в пределах рабочей части строго цилиндрическую форму; поверхность образцов имеет высокую чистоту. Величину предела выносливости, полученную в результате испытания таких (нормальных) образцов, будем считать одной из механических характеристик материала. Если подвергнуть испытанию на выносливость серию специальных образцов, подобных какой-либо конкретной детали, т. е. отличающихся от нормальных образцов наличием концентратов напряжений, абсолютными размерами, качеством обработки поверхности (или только некоторыми из перечисленных факторов), то, как правило, при одном и том же материале нормальных и спешильных образцов предел выносливости, определенный при испытании последних, ниже.
Таким образом, установлено, что пределы выносливости конкретной детали и материала, из которого она изготовлена, различны. Влияние факторов, от которых зависит соотношение между пределами выносливости материала (нормального образца) и детали, более или менее полно изучено лишь для симметричного цикла изменения напряжений. Поэтому примем, что величины различных факторов, влияющих на пределы выносливости, определены при испытаниях в условиях симметричных циклов изменения напряжении.
Кратко рассмотрим влияние на величину предела выносливости концентрации напряжений, абсолютных размеров и состояния поверхности деталей. При этом числовые значения коэффициентов, отражающих влияние перечисленных факторов, не приводим, они имеются в специальной литературе.
Концентрация напряжений. Снижение предела выносливости за счет наличия тех или иных концентраторов напряжений (выточек, отверстий, шпоночных канавок, прессовых посадок и т. д.) учитывается эффективным, или действительным, коэффициентом концентрации напряжений, обозначаемым - для нормальных и - для касательных напряжений.
Эффективный коэффициент концентрации напряжений представляет собой отношение предела выносливости образца без концентрации напряжений к пределу выносливости образца (или детали) тех же размеров, но с концентратором напряжений:
В отличие от теоретического коэффициента концентрации, зависящего только от формы (геометрии) детали, эффективный коэффициент концентрации зависит также и от свойств материала детали: чем менее пластичен материал, тем он чувствительнее к концентрации напряжений. Эффективные коэффициенты концентрации устанавливают опытным путем, но в некоторых случаях при отсутствии экспериментальных данных их вычисляют по известным значениям теоретических коэффициентов концентрации (ссна и ) по формулам
Здесь q - так называемый коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений. Величина q возрастает с повышением предела прочности материала, но не может быть больше единицы (в этом предельном случае теоретический и действительный коэффициенты концентрации равны между собой).
Для деталей из серого чугуна т. е. можно считать, что чугун практически нечувствителен к концентрации напряжений.
При неответственных расчетах и отсутствии данных о величинах действительных и теоретических коэффициентов концентрации величину можно определить приближенно по следующим эмпирическим соотношениям:
а) при отсутствии острых концентраторов напряжений для деталей с чисто обработанной поверхностью
б) при наличии острых концентраторов напряжений
В приведенных соотношениях величины выражены в при их использовании не следует отдельно учитывать влияние качества поверхности детали.
Снижение концентрации напряжений, повышающее экономичность конструкций, достигается различными конструктивными мероприятиями (например, путем увеличения радиусов переходных галтелей в местах ступенчатого изменения размеров поперечного сечения), и термохимической обработкой (например, азотированием) зон концентрации.
Влияние абсолютных размеров детали. Снижение предела выносливости с ростом абсолютных размеров детали носит название масштабного эффекта. Влияние размеров детали учитывается масштабным фактором (или масштабным коэффициентом) представляющим собой отношение предела выносливости, определенного при испытаниях образцов диаметром к пределу выносливости, определенному при испытании геометрически подобных образцов (или деталей) больших размеров, т. е.
Величина масштабного фактора зависит от материала детали (более прочные стали чувствительнее к масштабному эффекту), со размеров, вида деформации (как правило, при одинаковой форме размерах детали ), наличия концентраторов напряжений
Влияние состояния поверхности детали. Усталостные трещины, как правило, начинаются от поверхности детали. Поэтому состояние поверхностного слоя оказывает существенное влияние на прочность при переменных напряжениях.
Риски от механической обработки, повреждения поверхности и т. п. играют роль концентраторов напряжений и могут вызвать весьма значительное снижение предела выносливости. Особенно неблагоприятное влияние оказывает коррозия поверхности.
Влияние состояния и качества поверхности детали на величину предела выносливости учитывают коэффициентом качества поверхности (коэффициентом поверхностной чувствительности), обозначаемым Этот коэффициент представляет собой отношение предела выносливости, определенного при испытаниях образцов с полированной поверхностью, к пределу выносливости, определенному при испытаниях таких же (по форме, размерам и материалу) образцов с заданным состоянием поверхности, т. е.
Многие детали машин и механизмов в процессе эксплуатации подвергаются повторно-переменным (циклическим) напряжениям, что может вызвать образование трещин и разрушение даже при напряжениях ниже 0,2.
Разрушение металлов и сплавов в результате многократного повторно-переменного напряжения носит название усталости, а свойство металлов сопротивляться усталости называетсявыносливостью (ГОСТ 23207-78).
Природа усталостного разрушения заключается в следующем. Металлы, как известно, состоят из большого числа различно ориентированных зерен, которые вследствие анизотропии оказывают неодинаковое сопротивление действию внешних сил. Зерна, неблагоприятно расположенные по отношению к направлению действия внешних сил, оказываются слабыми, и пластичная деформация в них произойдет при напряжениях ниже предела текучести, в других же зернах приложенная нагрузка вызовет лишь упругую деформацию.
Многократная пластическая деформация при действии повторно-переменных нагрузок приводит к образованию микротрещины, которая, увеличиваясь, превращается в зону усталостного разрушения.
Исследования на усталость проводят для определения предела выносливости , под которым понимают максимальное напряжение цикла, которое выдерживает материал, не разрушаясь при достаточно большом числе повторно-переменных нагружений (циклов).
Предел выносливости при симметричном цикле обозначается -1. Предел выносливости чаще определяют на вращающемся образце (гладком или с надрезом) с приложением изгибающей нагрузки по симметричному циклу.
Для этого используют не менее десяти образцов, каждый из которых испытывается до разрушения только на одном уровне напряжений.
По результатам испытаний отдельных образцов в координатах «напряжение-число циклов» строят кривую, по которой и определяют предел выносливости -1 (рис. 21).
Для тех металлов и сплавов, у которых нет горизонтального участка выносливости, испытания, ограничивают определением «ограниченного предела выносливости», который для сталей равен 10 млн., а для цветных сплавов 100 млн. циклов.
Рис. 21.Схема испытания и кривая выносливости
Порядок выполнения работы
Установить длину рабочей части и площадь поперечного сечения образца до испытания.
Провести испытания образца на растяжение с записью диаграммы.
По диаграмме растяжения определить предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности.
Определить относительное удлинение и сужение образца.
Провести испытания на ударную вязкость и определить ее значение.
Контрольные вопросы
Виды механических испытаний металлов.
Какие характеристики определяют при испытании на растяжении?
Что такое ударная вязкость?
Как проводятся испытания на ударную вязкость?
Что такое усталость, выносливость и предел выносливости металлов?
Как определяется предел выносливости?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
Влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства стали
Цель работы: изучить влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства (твердость) малоуглеродистой стали; изучить влияние температуры нагрева на структуру и свойства (твердость) холоднодеформированной малоуглеродистой стали.
Приборы и оборудование: набор готовых микрошлифов, микроскоп МИМ-7, твердомеры, штангенциркуль.
Пластическая деформация и рекристаллизация
Холодная пластическая деформация вызывает в металле структурные изменения, а, следовательно, и изменение свойств металла.
Явления, возникающие в металле при пластической деформации, многообразны. Условно их можно разделить на три группы:
а) изменение формы и размеров кристаллов (зерен);
б)изменение их кристаллографической пространственной ориентировки;
в) изменение тонкого внутреннего строения каждого кристалла.
Пластическая деформация осуществляется путем скольжения (сдвига) или двойникования. Скольжение (сдвиг) состоит в перемещении одной части кристалла относительно другой по определенным плоскостям и направлениям. Двойникование осуществляется путем поворота некоторого объема кристалла на определенный угол.
Многочисленные исследования показывают, что скольжение и поворот осуществляются по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов. Чем больше в металле таких плоскостей, тем выше его способность к пластической деформации. Металлы и сплавы с кубическими решетками К12 и К8 имеют большую пластичность, чем металлы и сплавы с гексагональными решетками Г12 и Г6.
Вдоль плоскостей, по которым произошел сдвиг, и в прилегающих к ним объемах происходит искажение кристаллической решетки, которое вызывает упрочнение сплава. Поэтому последующее скольжение возникает уже в другой параллельной плоскости и при большем напряжении.
Процесс скольжения нельзя представлять себе как одновременное перемещение всех атомов, находящихся в плоскости скольжения, так как для группового перемещения атомов требуются напряжения в сотни раз большие, чем напряжения скольжения. Например, для монокристаллов железа наименьшая теоретическая прочность скольжения равна 23000 МПа, а реальная прочность скольжения составляет 290 МПа, что почти в 100 раз меньше теоретической; для алюминия реальная прочность почти в 500 раз меньше теоретической, для меди в 1540 раз.
Такое большое расхождение между теоретической и реальной прочностью металлов вызвано наличием в реальных кристаллах многочисленных дефектов кристаллической решетки.
Сравнительно легкое перемещение атомов по плоскостям скольжения объясняется наличием в этих плоскостях линейных дефектов – дислокаций. Дислокации бывают линейные и винтовые. Образование линейной дислокации можно представить как внедрение в идеально построенный кристалл лишней кристаллографической полуплоскости атомов, называемой экстраплоскостью (рис. 22).
Рис. 22. Схема образования линейных дислокаций:
АВ – линия дислокации; CD – плоскость скольжения линейной дислокации
Нижний край экстраплоскости АВ вызывает большое искажение в кристаллической решетке, которое называется линией дислокации. Вокруг линии дислокации концентрируются все упругие искажения кристаллической решетки. Над линией дислокации, где имеется экстраплоскость, кристаллическая решетка сжимается, а под линией дислокации, где отсутствует экстраплоскость, растягивается. Длина дислокации может достигать нескольких тысяч межатомных расстояний решетки.
При движении дислокаций происходит смещение атомов на величину, меньшую атомного расстояния, для чего требуются небольшие усилия. Происходит это потому, что атомы, лежащие на линии дислокации, находятся в неравновесном состоянии; смещенные из своих нормальных положений дислоцированные атомы перейдут в равновесное положение даже при небольшом напряжении, а атомы из нормального положения в дислоцированные.
В процессе пластической деформации происходит не только движение имеющихся в кристалле дислокаций, но и образуется большое количество новых дислокаций в различных кристаллографических плоскостях и направлениях. Если на пути движения дислокации встречаются препятствия в виде другой дислокации или дефектов другого вида, то процесс движения дислокации затормаживается, и для преодоления этих препятствий требуются большие внешние усилия.
Плотность дислокаций в недеформированном металле может составлять 10 6 –10 8 дислокаций в 1 см 2 , после деформации в этом же металле она достигает 10 10 –10 12 дислокаций в см 2 .
Таким образом, создание дислокаций – одно из важнейших явлений, возникающих при пластической деформации.
При определенной (критической) плотности дислокаций и других дефектов и искажений кристаллической решетки прочность материала увеличивается, так как создаются препятствия для свободного движения дислокаций. Чем больше искажена решетка на межзеренных и межблоковых границах, тем больше затруднено скольжение по кристаллографическим плоскостям и направлениям.
При пластической деформации поликристаллического тела зерна деформируются по разному: в первую очередь будут деформироваться те зерна, в которых плоскости легкого скольжения наиболее благоприятно расположены по отношению к приложенной силе.
В процессе развития пластической деформации изменяется форма зерен, наблюдаются повороты зерен относительно друг друга, дробление зерен и образование их определенной кристаллографической ориентации – возникает текстура деформации. По отношению к действующей силе зерна вытягиваются при растяжении и располагаются перпендикулярно к ней при сжатии. Металл приобретает как бы волокнистую структуру. Линиями волокон являются всевозможные примеси, расположенные по границам зерен. Текстурованный материал анизотропен, т.е. механические и физические свойства по разным направлениям различны.
Таким образом, пластическая деформация, каким бы способом она не производилась (растяжением, сжатием, изгибом, прокаткой, волочением и т.д.), вызывая искажения кристаллической решетки, дробление блоков мозаичной структуры, изменяя форму зерен и образуя текстуру, приводит к изменению всех свойств металлов и сплавов.
Характеристики прочности (твердость, предел прочности, предел упругости, предел текучести) с увеличением степени пластической деформации растут; характеристики пластичности и вязкости (относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость) падают. В процессе пластической деформации изменяются физические свойства: уменьшается плотность, сопротивляемость коррозии, магнитная проницаемость, увеличивается коэрцитивная сила, увеличивается электросопротивление, изменяется термоэлектродвижущая сила.
Деформация со степенью более 70% увеличивает предел прочности в полтора – два раза, а иногда и в три раза, в зависимости от природы металла и вида обработки давлением. Относительное удлинение при этом снижается в 10–20, а иногда и в 30–40 раз.
Упрочнение металлов и сплавов, полученное в процессе пластической деформации, называется нагартовкой или наклепом .
Состояние металла, возникающее в результате наклепа, является неустойчивым, метастабильным, с повышенной свободной энергией. Поэтому даже при комнатных температурах в нагартованном металлепротекают самопроизвольно диффузионные процессы, приводящие деформированный металл в более равновесное состояние. При повышенных температурах эти процессы протекают быстрее. В зависимости от степени деформации, температуры и времени нагрева в нагартованном металле протекают разные по своему типу структурные изменения, которые подразделяют на две стадии: возврат и рекристаллизацию . В свою очередь стадия возврата включает отдых и полигонизацию, а стадия рекристаллизации – первичную рекристаллизацию (рекристаллизация обработки) и собирательную, или вторичную рекристаллизацию.
При отдыхе (или возврате первого рода) происходит диффузионное перемещение и аннигиляция (взаимное уничтожение) точечных дефектов, уменьшение концентрации вакансий. За сет этого частично снимаются упругие искажения кристаллической решетки и, следовательно, частично восстанавливаются механические и физические свойства. Микроструктура металла и кристаллографическая ориентация его зерен практически не изменяются. Температура отдыха для железа соответствует 300–350ºС.
Полигонизация (или возврат второго рода) протекает при более высокой температуре (для железа 450–500ºС). Она характеризуется тем, что происходит планомерное перемещение дислокаций и группировка дислокаций в ряды (рис. 23). Дислокации выстраиваются друг над другом, образуя вертикальные дислокационные малоугловые границы, которые разделяют соседние субзерна с небольшой разориентировкой решеток. В результате происходит дальнейшее снятие упругих искажений решетки и более полное восстановление физических свойств. Механические свойства при этом изменяются незначительно, т.к. процессы протекают внутри зерна, а сами зерна не изменяют свою форму.
При более высоких температурах (t нр – температура начала рекристаллизации, рис. 24), определенных для каждого материала, начинается процесс образования новых зерен взамен волокнистой
а) б)
Рис. 23. Схема полигонизации:
а – хаотичное распределение дислокаций в изогнутом кристалле; б – стенки из дислокаций после полигонизации
структуры. При этом происходит полное разупрочнение деформированного материала. Механические и физические свойства приобретают прежние значения (см. рис. 24). Образование и рост новых зерен с менее искаженной решеткой за счет исходных деформированных зерен называется рекристаллизацией обработки , или первичной рекристаллизацией. Движущей силой рекристаллизации обработки является энергия искажений деформированных зерен.
Температура начала рекристаллизации (21) зависит от многих факторов и прежде всего от степени деформации материала, химического состава, количества примесей в нем; от природы материала, от величины зерна до деформации, от температуры деформирования. Определено, что
Т рекр = а Т пл. (21)
где Т рекр. – абсолютная температура рекристаллизации;
а – коэффициент, учитывающий вышеперечисленные факторы;
Т пл. – абсолютная температура плавления данного вещества.
Для железа и других металлов технической чистоты минимальная температура рекристаллизации определяется по формуле Л.А. Бочвара (22):
Т рекр = (0,3÷0,4)Т пл (22)
Повышение температуры (t 1 , см. рис. 24) или увеличение времени выдержки приводит к росту зерен, т.е. происходит поглощение мелких, термодинамически неустойчивых зерен более крупными. Такой процесс получил названиесобирательной, или вторичной рекристаллизации. Эта стадия рекристаллизации нежелательна для производства, так как она приводит к образованию разнозернистости.
Температура рекристаллизации играет огромное практическое значение. Чтобы пластическая деформация создавала в материале упрочнение (наклеп), она должна осуществляться при температурах ниже температуры рекристаллизации. Такая обработка давлением называется холодной. Если же обработка давлением производится при температурах выше температуры рекристаллизации, то возникающее при деформации упрочнение будет сниматься процессом рекристаллизации и материал разупрочняется. Такая обработка давлением называетсягорячей.
Термическая операция, заключающаяся в нагреве деформированного материала до температуры выше Т рекр, выдержке и последующем медленном охлаждении (с печью), называетсярекристаллизационным отжигом.
Практически температура рекристаллизационного отжига выбирается выше расчетной обычно на 200–300ºС для ускорения процесса рекристаллизации. Для железа и низкоуглеродистой стали эта температура принимается 650–700ºС.
Рис. 24. Влияние нагрева на механические свойства и микроструктуру холоднодеформированного металла
Установлено, что зерно растет особенно сильно после небольшой степени деформации, называемой критической степенью деформации ε кр. (рис. 25).
Критическая степень деформации для железа равна 5–6%; для малоуглеродистой стали 7–15%.
При критической степени деформации возможно взаимное уничтожение дислокаций при тепловом их движении, что способствует постепенному уменьшению количества дислокаций на границах зерен и слиянию нескольких зерен в одно крупное.
Критическую степень деформации следует избегать, так как после рекристаллизационного отжига крупнозернистая структура обладает пониженной ударной вязкостью, более низкими σ в, σ 0,2 и δ.
Рис. 25. Влияние степени деформации на размер зерна после рекристаллизационного отжига
Введение
Для успешного изучения материальной части техники войск РХБ защиты необходимы глубокие знания общетехнических дисциплин. Многие детали машин в процессе эксплуатации подвергаются циклическим напряжениям. Поэтому курсанты должны иметь представление о параметрах и видах циклов напряжений, явлении и пределе выносливости.
Поэтому материал данной лекции имеет большое значение. Цель данной лекции дать курсантам основные термины и определения, связанные с циклическими напряжениями, изучить вопрос расчета элементов конструкций на прочность при данном виде нагружения.
Понятие о циклических напряжениях. Параметры и виды циклов напряжений
К динамическим нагрузкам, несмотря на отсутствие значительных инерционных сил, можно отнести периодические многократно повторяющиеся (циклические) нагрузки, действующие на элементы конструкции. Такого рода нагружения характерны для большинства машиностроительных конструкций, таких, как оси, валы, штоки, пружины, шатуны и т.д.
Прочность материалов при повторно-переменном нагружении во многом зависит от характера изменения напряжений во времени.
– переменная нагрузка с установившимся во времени характером изменения, значения которой повторяются через определенный промежуток (период) времени.Цикл напряжений – совокупность всех значений переменных напряжений за время одного периода изменения нагрузки.
Обычно цикл напряжений характеризуется двумя основными параметрами цикла: и - максимальным и минимальным напряжениями цикла.
Среднее напряжение цикла 
.
Амплитудное напряжение цикла 
.
Коэффициент асимметрии цикла напряжений .
В зависимости от величины перечисленных характеристик циклы напряжений могут быть подразделены на следующие основные виды:
Симметричный цикл – максимальное и минимальное напряжения равны по абсолютной величине и противоположны по знаку , R = -1.
Асимметричный цикл – максимальное и минимальное напряжения не равны по абсолютной величине , при этом асимметричный цикл может быть знакопеременным или знакопостоянным.
Знакопеременный цикл – максимальное и минимальное напряжения не равны по абсолютной величине и противоположны по знаку , , .
Знакопостоянный цикл – максимальное и минимальное напряжения не равны по абсолютной величине и имеют одинаковый знак , , .
Отнулевой (пульсирующий) цикл – максимальное или минимальное напряжения равны нулю или , или .
Явление усталости. Кривая усталости. Предел выносливости
Как показывает практика, нагрузки, циклически изменяющиеся во времени по величине или по величине и по знаку, могут привести к разрушению конструкции при напряжениях, существенно меньших, чем предел текучести (или предел прочности). Такое разрушение принято называть «усталостным». Материал как бы «устает» под действием многократных периодических нагрузок.
Усталостное разрушение – разрушение материала под действием повторно-переменных напряжений.
Усталость материала – постепенное накопление повреждений в материале под действием переменных напряжений, приводящих к образованию трещин в материале и разрушению.
Выносливость – способность материала сопротивляться усталостному разрушению.
Физические причины усталостного разрушения материалов достаточно сложны и еще не до конца изучены. Одной из основных причин усталостного разрушения принято считать образование и развитие трещин.
Механизм усталостного разрушения во многом связан с неоднородностью реальной структуры материалов (различие размеров, очертаний, ориентации соседних зерен металла; наличие различных включений – шлаков, примесей; дефекты кристаллической решетки, дефекты поверхности материала – царапины, коррозия и т. д.). В связи с указанной неоднородностью при переменных напряжениях на границах отдельных включений и вблизи микроскопических пустот и различных дефектов возникает концентрация напряжений, которая приводитк микропластическим деформациям сдвига некоторых зерен металла, при этом на поверхности зерен могут появляться полосы скольжения,и накоплению сдвигов, которое на некоторых материалах проявляется в виде микроскопических бугорков и впадинок – экструзий и интрузий. Затем происходит развитие сдвигов в микротрещины, их рост и слияние; на последнем этапе появляется одна или несколько макротрещин, которая достаточно интенсивно развивается (растет). Края трещины под действием переменной нагрузки притираются друг об друга, и поэтому зона роста трещины отличается гладкой (полированной) поверхностью. По мере роста трещины поперечное сечение детали все больше ослабляется, и, наконец, происходит внезапное хрупкое разрушение детали, при этом зона хрупкого долома имеет грубозернистую кристаллическую структуру, как при хрупком разрушении.
Кривая усталости (кривая Веллера) строится на основании результатов усталостных испытаний при симметричном цикле. Она показывает, что с увеличением числа цикла максимальное напряжение, при котором происходит разрушение материала, значительно уменьшается. При этом для многих материалов, например углеродистой стали, можно установить такое наибольшее напряжение цикла, при котором образец не разрушается после любого числа циклов (горизонтальный участок диаграммы), называемое пределом выносливости ().
Предел выносливости (усталости) – наибольшее (предельное) напряжение цикла, при котором не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого числа циклов.
Так как испытания нельзя проводить бесконечно большое время, то число циклов ограничивают некоторым пределом, который называют базовым числом циклов. В этом случае, если образец выдерживает базовое число циклов (для черных металлов – N = 10 7), то считается, что напряжение в нем не выше предела выносливости.
Кривые усталости для цветных металлов не имеют горизонтальных участков, поэтому для них за базовое число циклов увеличивается до N = 10 8 и устанавливается предел ограниченной выносливости.
В реальных конструкциях подавляющее число деталей работает при ассиметричном нагружении.
Диаграмма предельных напряжений (диаграмма Смита) строится, как минимум, по трем режимам нагружения (по трем точкам), для каждого из которых определяют предел выносливости.
Первый режим (точка 1) – обычный симметричный цикл нагружения ( , , , ).
Второй режим (точка 2) – асимметричный цикл нагружения, как правило, отнулевой ( , , , ).
Третий режим (точка 3) – простое статическое растяжение ( , ).
Полученные точки соединяют плавной линией, ординаты точек которой соответствуют пределам выносливости материала при различных значениях коэффициента асимметрии цикла.
Луч, проходящий под углом через начало координат диаграммы предельных напряжений, характеризует циклы с одинаковым коэффициентом асимметрии R :
.
Диаграмма предельных амплитуд (диаграмма Хейга) строится в координатах: среднее напряжение цикла – амплитуда цикла (рисунок 7). При этом для ее построения необходимо провести усталостные испытания так же как минимум для трех режимов: 1 – симметричный цикл; 2 – отнулевой цикл; 3 – статическое растяжение.
Соединяя полученные точки плавной кривой, получают график, характеризующий зависимость между значениями предельных амплитуд и значениями предельных средних напряжений в цикле.
Кроме свойств материала, на усталостную прочность оказывают влияние следующие факторы: 1) наличие концентраторов напряжений; 2) масштабный фактор, то есть влияние абсолютных размеров детали (чем больше размеры детали, тем ниже усталостная прочность); 3) качество обработки поверхности (с уменьшением шероховатости поверхности детали растет усталостная прочность); 4) эксплуатационные факторы (температура, коррозия, частота нагружения, радиационное облучение и т.д.); 5) наличие поверхностного слоя, упрочненного различными технологическими методами.
напряжение усталость кривая прочность
Преде́л выно́сливости (также преде́л уста́лости ) - в науках о прочности: одна из прочностных характеристик материала, характеризующих его выносливость , то есть способность воспринимать нагрузки, вызывающие цикличные напряжения в материале.
Предел выносливости определяется, как наибольшее (предельное) максимальное напряжение цикла, при котором не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого числа циклических нагружений.
Предел выносливости обозначают как σ R {\displaystyle \sigma _{R}} , где коэффициент R принимается равным коэффициенту асимметрии цикла r = σ m i n σ m a x {\displaystyle r={\frac {\sigma _{min}}{\sigma _{max}}}} равному отношению минимального напряжения цикла σ m i n {\displaystyle \sigma _{min}} к максимальному σ m a x {\displaystyle \sigma _{max}} . Таким образом, предел выносливости материала в случае симметричных циклов нагружения обозначают как σ -1 {\displaystyle \sigma _{\text{-1}}} , а в случае пульсационных как σ 0 {\displaystyle \sigma _{0}} .
Установлено, что, как правило, для сталей предел выносливости при изгибе составляет половину от предела прочности:
σ -1 ≈ (0 , 4...0 , 5) σ B.P. {\displaystyle \sigma _{\text{-1}}\approx (0,4...0,5)\sigma _{\text{B.P.}}}
Для высокопрочных сталей можно принять:
σ -1 ≈ 400 + 1 / 6 σ B.P. {\displaystyle \sigma _{\text{-1}}\approx 400+1/6\sigma _{\text{B.P.}}}
Для цветных металлов можно принять:
σ -1 ≈ (0 , 25...0 , 5) σ B.P. {\displaystyle \sigma _{\text{-1}}\approx (0,25...0,5)\sigma _{\text{B.P.}}}
Для углепластиков можно принять:
σ -1 ≈ 0 , 8 σ B.P. {\displaystyle \sigma _{\text{-1}}\approx 0,8\sigma _{\text{B.P.}}}
Аналогично можно провести испытания на кручение в условиях циклически изменяющихся напряжений. Для обычных сталей в этом случае можно принять:
τ -1 ≈ 0 , 6 σ -1 {\displaystyle \tau _{\text{-1}}\approx 0,6\sigma _{\text{-1}}}
Для хрупких материалов (высоколегированная сталь, чугун) в этом случае можно принять:
τ -1 ≈ 0 , 8 σ -1 {\displaystyle \tau _{\text{-1}}\approx 0,8\sigma _{\text{-1}}}
Данными соотношениями следует пользоваться с осторожностью, так как они получены при определенных режимах нагружения (изгибе и кручении). При испытаниях на растяжение-сжатие предел выносливости оказывается приблизительно на 10-20 % ниже, чем при изгибе, а при кручении полых образцов он оказывается отличным от полученного при кручении образцов сплошных.
В случае несимметричных циклов образцы испытывают не на изгиб, а на растяжение-сжатие или на кручение с использованием гидропульсаторов. Для несимметричных циклов строят так называемую диаграмму предельных амплитуд. Для этого находят пределы выносливости для выбранного значения постоянного напряжения σ m {\displaystyle \sigma _{m}} при соответствующей амплитуде σ a {\displaystyle \sigma _{a}} . Точка А при этом очевидно будет являться пределом выносливости при симметричном цикле, а точка В, которая не имеет амплитудной составляющей и по сути является постоянно действующим напряжением, будет являть собой фактически предел прочности σ B.P. {\displaystyle \sigma _{\text{B.P.}}} .
Предел выносливости обозначается (или ), где индекс R соответствует коэффициенту асимметрии цикла. Так, например, для симметричного цикла он обозначается , для отнулевого цикла (при ), для постоянного цикла .
Предел выносливости при симметричном цикле является наименьшим по сравнению с другими видами циклов, то есть .
Так, например, 
; 
.
предел ограниченной выносливости
Для расчета деталей, не предназначенных к длительной эксплуатации, возникает необходимость в определении наибольшего значения напряжения, которое может выдержать материал при заданном числе циклов (N), значение которого меньше, чем базовое (). В этом случае по кривой усталости и заданному числу циклов (N) определяется соответствующее напряжение (), называемое пределом ограниченной выносливости .
Факторы предела выносливости при симметричном цикле
При оценке прочности детали, работающей в условиях статического нагружения, механические характеристики материала детали полностью отождествляются с механическими характеристиками материала образца, полученными в результате эксперимента. При этом не учитывается разница ни в форме, ни в размерах детали и образца, ни некоторые другие отличия.
При расчете детали на усталость необходимо учитывать упомянутые факторы. К наиболее существенным факторам, которые влияют на предел выносливости при симметричном цикле, относятся концентрация напряжений, абсолютные размеры поперечного сечения детали и шероховатость ее поверхности. Это легко объясняется тем, что все упомянутые факторы способствуют возникновению и распространению микротрещин.
Влияние концентрации напряжений
Вблизи выточек, у краев отверстий, в местах изменения формы стержня, у надрезов и т.п. наблюдается резкое увеличение напряжений по сравнению с номинальными напряжениями, вычисленными по обычным формулам сопротивления материалов. Такое явление называется концентрацией напряжений , а причина, вызывающая значительный рост напряжений – концентратором напряжений .
Зона распространения повышенных напряжений носит чисто местный характер, поэтому эти напряжения часто называют местными.
При напряжениях, переменных во времени, наличие концентратора напряжений на образце приводит к снижению предела выносливости. Это объясняется тем, что многократное изменение напряжений в зоне очага концентрации напряжений приводит к образованию и дальнейшему развитию трещины с последующим усталостным разрушением образца.
Для того чтобы оценить влияние концентрации напряжений на снижение сопротивления усталости образца с учетом чувствительности материала к концентрации напряжений, вводят понятие эффективного коэффициента концентрации, который представляет собой отношение предела выносливости стандартного образца без концентрации напряжений к пределу выносливости образца с концентрацией напряжений: 
(или 
).
Влияние абсолютных размеров поперечного сечения
С увеличением размеров поперечных сечений образцов происходит уменьшение предела выносливости
. Это влияние учитывается коэффициентом влияния абсолютных размеров поперечного сечения (ранее этот коэффициент назывался масштабным фактором). Упомянутый коэффициент, равен отношению предела выносливости гладких образцов диаметром d к пределу выносливости гладкого стандартного образца диаметром, равным 7,5 мм: 
(или 
).
Шероховатость поверхности
Механическая обработка поверхности детали оказывает существенное влияние на предел выносливости. Это связано с тем, что более грубая обработка поверхности детали создает дополнительные места для концентраторов напряжений и, следовательно, приводит к возникновению дополнительных условий для появления микротрещин.
