Сопротивление усталости

Сопротивление усталости металла

Детали, подвергающиеся длительной повторно-переменной нагрузке, разрушаются при напряжениях значительно меньших предела прочности материала при статическом нагружении. Это имеет большое значение для современных быстроходных машин, детали которых работают в условиях циклических нагрузок при общем числе циклов, достигающем за весь период службы машины многих миллионов. Как показывает статистика, около 80% поломок и аварий, происходящих при эксплуатации машин, вызвано усталостными явлениями. Поэтому проблема сопротивления усталости является ключевой для повышения надежности машин.

Циклические нагрузки выражены наиболее явно в машинах и механизмах с поступательно-возвратным движением звеньев (поршневые машины, кулачковые механизмы). Однако и в ротативных машинах неизбежны циклические нагрузки, например, вследствие дисбаланса. радиальных и торцовых биений роторов и т. п.

В редких современных машинах нет зубчатых передач, зубья которых всегда подвержены циклическим нагрузкам. Валы, работающие под нагрузкой постоянного направления (валы зубчатых, ременных и цепных передач), также подвергаются циклическому нагружению.

Циклические нагрузки в вале зубчатого колеса

Например, в случае двухопорного вала зубчатого колеса (рис. 158) сила привода Р, передаваясь на вал, вызывает его изгиб, плоскость которого остается постоянной. За один оборот вала эту плоскость последовательно пересекают точки 1, 2, 3, 4. При каждом обороте цикл повторяется. Таким образом, несмотря на постоянство модуля силы, здесь имеет место чисто циклическое нагружение.

В современных машинах статические нагрузки встречаются как исключение. В большинстве случаев нагрузки изменяются циклически с большей или меньшей частотой и амплитудой.

Число циклов нагрузок, которые материал выдерживает до разрушения, зависит от максимального напряжения и интервала между крайними значениями напряжений цикла. По мере уменьшения напряжений число циклов до разрушения увеличивается и при некотором достаточно малом напряжении становится неограниченно большим. Это напряжение, называемое пределом выносливости, кладут в основу прочностного расчета деталей, подверженных циклическим нагрузкам.

Предел выносливости определяют построением кривых усталости. На оси абсцисс откладывают число N циклов, на оси ординат — найденные испытанием стандартных образцов максимальные напряжения σ цикла, вызывающие разрушение за время, соответствующее данному числу циклов. Разрушающее напряжение в области малых N близко к показателям статической прочности. По мере увеличения числа циклов эта величина снижается и при некотором числе циклов стабилизируется. Ордината σD горизонтального участка кривой усталости является пределом выносливости.

Диаграммы усталости

Кривые усталости строят в координатах σ—N (рис. 159, а), полулогарифмических σ—Ig N (рис. 159, б) и логарифмических Ig σ—Ig N (рис. 159, в). Первый способ сейчас почти не применяют, потому что он не позволяет выяснить форму кривой усталости в области малых и больших чисел циклов. Чаще всего пользуются полулогарифмическими координатами.

Предел выносливости большинства конструкционных сталей определяют при 106—107 циклов. Эти значения берут за базу испытаний. Для цветных сплавов, например, алюминиевых, число перемен нагрузок гораздо выше (107—108 циклов). Даже после этого часто наблюдается дальнейшее медленное падение разрушающего напряжения (рис. 159, г), откуда можно заключить, что предела в указанном выше смысле для этих металлов не существует. В таких случаях определяют предел ограниченной выносливости, как напряжение, не вызывающее разрушения образца при определенном числе циклов (обычно 5·107 циклов).

Не существует также четко выраженных пределов выносливости при контактных напряжениях, циклическом нагружении в условиях повышенных температур и при работе деталей в коррозионных средах. Разрушающее напряжение в этих условиях непрерывно падает с увеличением числа циклов. Отмечено также отсутствие отчетливо выраженного предела выносливости у деталей большого размера, что объясняется присущей таким деталям неоднородностью механических свойств по сечениям.

Обычно испытания проводят при симметричных знакопеременных циклах (коэффициент асимметрии цикла r = –1), у которых амплитуда напряжений наибольшая, а предел выносливости наименьший (рис. 159, д, нижняя линия). С повышением r пределы выносливости возрастают и при значениях r, близких к единице (колебания малой амплитуды), становятся практически постоянными (верхняя линия) и равными показателям статической прочности.

Влияние асимметрии цикла комплексно отражают наиболее удобные для практического пользования кривые усталости в координатах σa—N, где σa — предельные амплитуды циклов (рис. 159, е).

Схема возникновения усталостных трещин

Развитие усталостных повреждений схематически представлено на рис. 160. На первых стадиях нагружения возникают, сначала в отдельных кристаллических объемах, пластические сдвиги, не обнаруживаемые обычными экспериментальными методами (светлые точки). С повышением числа циклов и уровня напряжений сдвиги охватывают все большие объемы и переходят в субмикроскопические сдвиги, наблюдаемые с помощью электронных микроскопов (точки со штрихами). При определенном числе циклов и уровне напряжений (кривая 1) образуется множество трещин, видимых под оптическим микроскопом (заштрихованные точки). Начало образования металлографически обнаруживаемых трещин условно считают порогом трещинообразования. У низколегированных и углеродистых сталей первые трещины появляются при напряжениях, равных 0,7—0,8 разрушающего напряжения; у высоколегированных сталей и сплавов алюминия и магния микротрещины обнаруживаются уже при напряжениях, равных 0,4—0,6 разрушающего напряжения. Порог трещинообразования снижается с укрупнением зерна.

Микротрещины могут длительное время оставаться в пределах кристаллических объемов (нераспространяющиеся трещины), не вызывая заметного снижения прочности.

С приближением напряжений к пределам выносливости развитие трещин вступает в критическую фазу (кривая 2); микротрещины, прогрессивно расширяясь, превращаются в макротрещины (полузачерненные точки), которые приводят к разрушению (черные точки на кривой 3). Практический предел выносливости лежит несколько ниже кривой 2, которая в зависимости от свойств и кристаллического строения металла соответствует напряжениям, равным 0,8—0,9 разрушающего напряжения.