ВУЗ:
Составители:
Рубрика:
Общие теоретические сведения
Большинство деталей машин и элементов конструкций в условиях эксплуатации испытывают действие внешних
нагрузок, которые могут меняться как по величине, так и по знаку. Поэтому примерно 90 % повреждений деталей машин и
элементов конструкций связано с возникновением и развитием усталостных трещин. Трещины усталости создают
предпосылки для хрупкого и почти всегда внезапного разрушения, и в этом одна из главных причин опасности действия
переменных напряжений.
Термин "усталость металлов" впервые был применен в 1839 году профессором Дж. Пончелотом при чтении лекций в
Политехнической школе Парижа. Систематические исследования сопротивления усталости начались с работ В. Велера (1852
г.), который первым испытал и представил их в виде кривых усталости (кривые Велера).
Что же принимается под усталостью металла?
Усталость металла – процесс постепенного накопления повреждений под действием переменных напряжений
(деформаций), приводящий к изменению свойств, образованию трещин и разрушению. Способность металла противостоять
усталости называют сопротивлением усталости. Усталостное разрушение может возникнуть при напряжениях ниже предела
текучести. Особенность усталостного нагружения заключается в том, что вся деталь в целом деформируется упруго, но в
результате локализованной повторной упруго-пластической деформации отдельных кристаллов, наиболее неблагоприятно
расположенных по отношению к силовому полю, происходит циклический наклеп. После достижения критической
степени искажения кристаллической решетки происходит разрыв межатомных связей и образуется микротрещина.
Слияние микротрещин образует магистральную трещину. Поэтому под усталостным разрушением понимается разрушение
материала нагруженного объекта до полной потери его прочности или работоспособности вследствие распространения
усталостной трещины.
Следует подчеркнуть, что ни при каких других видах нагружения характеристики сопротивления разрушению не
зависят от такого большого числа факторов, как при усталостном разрушении. Основным из них являются: особенности
материала и технологии изготовления конструкции детали, режима ее нагружения, а также особенности работы детали в
условиях эксплуатации с изменением температуры и коррозионного влияния среды.
Большое количество факторов, влияющих на сопротивление усталости, предопределило создание многочисленных
методов испытаний на усталость. В результате проведения испытаний на усталость определяются количественные
характеристики сопротивления усталости. Характеристики, полученные в результате проведенных исследований,
используются для предсказания степени усталостного повреждения элементов конструкций или всего сооружения,
предсказания периодов безопасной службы различных устройств.
К характеристикам сопротивления усталости относится предел выносливости (
σ
r
, τ
r
) – максимальное по абсолютному
значению напряжение цикла, выраженное в номинальных напряжениях, при котором еще не происходит усталостное
разрушение до базы испытаний. Под базой понимается предварительно задаваемая наибольшая продолжительность
испытаний на усталость, выраженная числом циклов нагружения или интервалом времени. В машиностроении для черных
металлов за базу испытаний принимается величина
N = 10
7
циклов, так как для этих материалов на кривой усталости, которая
строится в координатах σ – lg N (реже в координатах lg σ – lg N), как правило, существует перелом в интервале от 1 до 5 млн.
циклов. При испытании на усталость образцов, изготовленных из цветных металлов не обнаруживается перелома на кривой
усталости вплоть до 100 млн. циклов.
Таким образом, задача по определению характеристик сопротивления усталости значительно сложнее, чем для случая
статического действия сил. Сложность усталостных испытаний, с одной стороны, заключается в огромных затратах времени
на их проведение, а с другой – независимо от вида нагружения (растяжение, изгиб, кручение) в необходимости обеспечить
тот или иной тип цикла нагружения. Под циклом понимается замкнутая однократная смена напряжений, проходящих
непрерывный ряд значений. Время, в течении которого протекает один цикл, называется периодом, а обратная периоду
величина называется частотой. Основные типы циклов показаны на рис. 12.1.
Каждый тип циклического изменения напряжений характеризуется следующими величинами:
1) максимальное напряжение цикла
σ
max
(τ
max
) – наибольшее по алгебраическому значению напряжение цикла;
2)
минимальное напряжение цикла σ
min
(τ
min
) – наименьшее по алгебраическому значению напряжение цикла;
а
б
σ
σ
σ
max
σ
min
t
σ
max
σ
a
σ
a
σ
m
t
σ
a
σ
