Постепенное образование трещин в металле под действием на него циклических нагрузок называется

Обновлено: 17.05.2024

Процесс - постепенное накопление - повреждение - материал

Процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений, приводящий к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а разрушение вследствие распространения усталостной трещины - усталостным разрушением. Свойство материала противостоять усталости называют сопротивлением усталости. [1]

Процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений, приводящий к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называется усталостью. Способность же материалов воспринимать эти повторные знакопостоянные или знакопеременные напряжения без разрушения называется сопротивлением усталости или циклической прочностью. [2]

Процесс постепенного накопления повреждений материала при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещины и разрушению, принято называть усталостью. Свойство же материала противостоять усталости называется выносливостью. [3]

Процесс постепенного накопления повреждения материала при действии повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению, называется усталостью материала. [6]

Процесс постепенного накопления повреждений материала при действии повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению, называется усталостью материала. [8]

Это процесс постепенного накопления повреждений материала под воздействием переменных напряжений и коррозионно-активных сред, приводящий к изменению свойств, образованию коррозионно-усталостных трещин, их развитию и разрушению изделия. Этому виду разрушения в определенных условиях могут быть подвержены все конструкционные материалы на основе железа, алюминия, титана, меди и других металлов. Опасность коррозионно-усталостного разрушения заключается в том, что оно протекает практически в любых коррозионных средах, включая такие относительно слабые среды, как влажный воздух и газы, спирты, влажные машинные масла, не говоря уже о водных растворах солей и кислот, в которых происходит резкое, иногда катастрофическое снижение предела выносливости металлов. Поэтому коррозионная усталость металлов и сплавов наблюдается во всех отраслях техники, но наиболее она распространена в химической, энергетической, нефтегазодобывающей, горнорудной промышленности, в транспортной технике. Коррозионно-усталост-ному разрушению подвергаются стальные канаты, элементы бурильной колонны, лопатки компрессоров и турбин, трубопроводы, гребные винты и валы, корпуса кораблей, обшивки самолетов, детали насосов, рессоры, пружины, крепежные элементы, металлические инженерные сооружения и пр. Потеря гребного винта современным крупнотоннажным судном в открытом океане приносит4 убытки, исчисляемые миллионами рублей. [9]

Усталостью называется процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений, приводящий к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению. [10]

Усталость - процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к уменьшению долговечности, образованию трещин и разрушению. [11]

Под усталостью понимают процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к уменьшению долговечности, образованию трещин и разрушению. [13]

Под термином усталость понимают [44] процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений, приводящий к изменению свойств, образованию и развитию трещин и разрушению. [14]

Таким образом, усталостью называют процесс постепенного накопления повреждений материала при действии повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению. [15]

Методика проведения усталостных испытаний

Под действием циклических напряжений в металлах и сплавах зарождаются и постепенно развиваются трещины, вызывающие в конечном итоге полное разрушение детали или образца. Это разрушение особенно опасно потому, что может протекать под действием напряжений, намного меньших пределов прочности и текучести. Подсчитано, что более 80% всех случаев эксплуатационного разрушения происходит в результате циклического нагружения.

Процесс постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящий к изменению его свойств, образованию трещин и разрушению, называют усталостью, а свойство противостоять усталости – сопротивлением усталости.

Усталостная трещина обычно зарождается в поверхностных слоях и затем развивается вглубь образца или детали, образуя острый надрез. Распространение усталостной трещины обычно длительно. Оно продолжается до тех пор, пока сечение не окажется столь малым, что действующие в нем напряжения превысят разрушающие. Тогда произойдет быстрое разрушение, как правило хрупкое, из-за наличия острого надреза.

Задача усталостных испытаний – дать количественную оценку способности материала работать в условиях циклического нагружения без разрушения.

Современные методы испытаний на усталость разнообразны. Они отличаются характером изменения напряжений во времени, схемой нагружения (изгиб, растяжение – сжатие, кручение), наличием или отсутствием концентраторов напряжений. Основные требования и методика усталостных испытаний обобщены в ГОСТ 25.502 – 79.

Во время любого усталостного испытания на образец действуют циклические напряжения, непрерывно изменяющиеся во времени и часто по знаку. Типичные примеры используемых циклических напряжений показаны на рис. 2.89. Цикл напряжений – это совокупность переменных значений напряжений за один период их изменения. Каждый цикл характеризуется несколькими параметрами. За максимальное напряжение цикла σ_max принимают наибольшее по алгебраической величине напряжение. Минимальное напряжение цикла – σ_min – наименьшее по алгебраической величине напряжение.

Среднее напряжение цикла

Амплитуда напряжений цикла

Сложение и вычитание максимальных и минимальных напряжений производят с учетом их знака. Из рис. 2.89 ясно, что

Цикл характеризуется также коэффициентом ассиметрии

Наиболее распространенные схемы нагружения при усталостных испытаниях – изгиб и растяжение – сжатие. Схема изгиба реализуется по-разному. Особенно проста и чаще всего применяется схема чистого изгиба образца при вращении (см. рис. 2.90). Нагрузка здесь прилагается в двух точках, что обеспечивает постоянство изгибающего момента на всей рабочей длине образца.

Для испытаний в условиях циклического растяжения – сжатия чаще всего используют гидропульсационные машины с гидравлическим приводом и гидропульсатором.

Схемы некоторых стандартных образцов, используемых при усталостных испытаниях, показаны на рис. 2.91. Их рабочая часть имеет круглое или прямоугольное сечение. Используют гладкие (без надрезов) и образцы с концентраторами напряжений.

Усталостные испытания делятся на две большие группы: высокоцикловые и малоцикловые. Первые характеризуются большой частотой нагружения (10 1 – 10 3 Гц), вторые – низкой частотой, не более 10 Гц.

Основным первичным результатом высокоциклового усталостного испытания одного образца является число циклов до разрушения (циклическая долговечность) при заданных характеристиках цикла. По результатам испытаниям серии образцов могут быть определены различные характеристики сопротивления усталости. Главной из них является предел усталости σ_R – наибольшее значение максимального напряжения цикла, при действии которого не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого или заданного числа циклов нагружения.

Для того, чтобы оценить предел усталости, необходимо испытывать целую серию образцов, как правило, не меньше 15. Каждый образец испытывают при определенном значении максимального напряжения цикла. При этом циклы для всех образцов одной серии должны быть подобны, т.е. иметь одинаковую форму и отношение различных характеристик цикла.

По результатам испытания отдельных образцов строят кривую усталости в координатах максимальное напряжение цикла σ_max – циклическая долговечность N (рис. 2.92). Максимальное напряжение для первого образца обычно задают на уровне ⅔ σ_в. Нижний предел используемых напряжений составляет 0,3 – 0,5 σ_в. Из-за относительно большого разброса экспериментальных точек строить эти кривые рекомендуется методом наименьших квадратов. Наиболее наглядны кривые усталости в логарифмических координатах (см. рис. 2.92,б).

Рисунок 2.92 - Кривые усталости в различных координатах

По мере уменьшения максимального напряжения цикла циклическая долговечность всех материалов возрастает. При этом у сталей и некоторых цветных сплавов, склонных к динамическому деформационному старению, кривая усталости асимптотически приближается к прямой, параллельной оси абсцисс (см.рис. 2.92, а, кривая 1). Ордината, соответствующая постоянному значению σ_max, и есть предел усталости таких материалов σ_R – наибольшее напряжение, которое не вызывает разрушения при любом числе циклов N (его иногда называют физическим пределом выносливости). Наиболее просто определяется σ_R при использовании логарифмического масштаба (см.рис. 2.92,б). Удобно оценивать σ_R и по кривым в координатах σ_max – 1/N (см.рис. 2.92,в). Здесь предел усталости определяют, экстраполируя кривую в точку ее пересечения с осью ординат, где 1/N = 0. Этот способ особенно целесообразен для приближенной оценки σ_R по результатам испытания небольшого числа образцов.

Многие цветные металлы и сплавы не имеют горизонтального участка на кривых усталости (см.рис. 2.93, а, б, кривые 2). В этом случае определяют предел ограниченной усталости – наибольшее напряжение σ_max, которое материал выдерживает, не разрушаясь в течение определенного числа циклов нагружения. Это число циклов называют базой испытания, обычно 10 8 циклов (когда на кривой усталости имеется горизонтальный участок, испытания продолжают не более чем до 10 7 циклов).

Кривые усталости, построенные при использовании цикла с R = - 1, для многих металлических материалов хорошо описываются уравнением Вейбулла:

σ_max = σ_-1 + a (N + B) - α ,

где σ_-1 – предел усталости; N – долговечность; a, B, α – коэффициенты.

Для усталостных испытаний характерен значительный разброс экспериментальных данных, поэтому особенно важна их правильная статистическая обработка, регламентируемая ГОСТом. При ограниченном числе образцов предел выносливости определяется с 50%-ной вероятностью. Для этого, строя кривую усталости, необходимо при напряжениях, равных 0,95 – 1,05 σ_R, провести испытание нескольких (не менее трех) образцов, половина которых должна остаться неразрушенной по достижении заданной базы испытаний.

Как уже говорилось выше, по результатам усталостных испытаний для каждого образца определяют циклическую долговечность N – число циклов нагружения, которое выдерживает материал перед разрушением при определенном напряжении. Циклическая долговечность – вторая по важности после σ_R характеристика сопротивления высокоцикловой усталости металлических материалов.

Предел усталости и циклическую (или усталостную) долговечность можно определять и по результатам испытаний на малоцикловую усталость (МЦУ). Однако в них эти характеристики не являются основными. Испытания на МЦУ проводят с использованием относительно высоких напряжений и малой частоты циклов напряжений, имитируя условия эксплуатации конструкций, например самолетных, которые подвергаются воздействию относительно редких, но значительных по величине циклических нагрузок. База испытания на малоцикловую усталость не превышает 5 · 10 4 циклов. Таким образом, малоцикловая усталость относится к левой ветви кривых усталости (см.рис. 2.92, а, б) до их выхода на горизонталь или появления перегиба.

Границей между мало- и многоцикловой усталостью является зона перехода от упруго-пластического к упругому деформированию в условиях циклического нагружения. Названная выше база (5·10 4 циклов) является такой условной границей, характеризующей среднее число циклов нагружения для этой переходной зоны у пластичных сталей и сплавов цветных металлов. Для высокопластичных сплавов переходная зона смещается в сторону большего числа циклов, а для хрупких – в сторону меньшего.

Малоцикловые испытания чаще всего проводят по схеме растяжение – сжатие. При этом по ГОСТ 25.502 – 79 необходимо обеспечить непрерывное измерение и регистрацию деформирования рабочей части образца. В отличие от испытаний на многоцикловую усталость, где в основном используют цилиндрические образцы, в малоцикловых испытаниях предпочитают образцы с прямоугольным сечением, в частности пластины с концентратором напряжений.

Важнейшим первичным результатом испытаний на МЦУ является скорость роста трещины при усталости dl/dN (СРТУ). Ее удобно определять на больших по размеру образцах шириной B=200÷500, длиной L=3B и длиной исходной щели 2l₀=0,3 – 4 мм, при этом 2l/B≈0,3, где l= l₀+Δ l, а Δl – длина предварительно выращенной усталостной трещины от 1,5 до 2 мм. В этом случае легко проводить замеры величины l на поверхности образца и рассчитывать dl/dN с достаточно высокой точностью.

Все большее развитие в последние годы получают испытания на МЦУ, базирующиеся на концепциях механики разрушения. Эти испытания получили название испытаний на циклическую трещиностойкость. Их основным результатом является построение диаграммы усталостного разрушения – зависимости СРТУ от наибольшего значения K_max или размаха ΔK коэффициента интенсивности напряжений цикла (рис. 2.93). При этом

lg K_max = lg[ΔK/(l – R_σ)].

Диаграмма усталостного разрушения состоит из трех участков. Первый, соответствующий низким скоростям роста усталостных трещин (менее 10 -5 мм/цикл), характеризуется затуханием СРТУ с увеличением K_max или ΔK. Величина K_max на участке 1 близка к пороговому значению K_s, за которое принимают величину K_max, при которой трещина не развивается на протяжении заданного числа циклов нагружения.

Линейный участок 2 диаграммы усталостного разрушения (см.рис. 2.93) описывается степенной зависимостью

dl/dN = C(ΔK) m или dl/dN = C’(K_max) m , (2.43)

где для различных материалов m = 2÷10, m’=2÷6. Зависимости (2.43) обычно реализуются в диапазоне СРТУ от 10 -5 до 10 -3 мм/цикл.

На участке 3 скорость роста трещины возрастает с увеличением K_max, приближающимся к критическому коэффициенту интенсивности напряжений Kили K- значению K_max, при котором образец разрушается. Критические коэффициенты Kили Kназывают циклической вязкостью разрушения. Кроме них, по диаграмме усталостного разрушения определяют еще несколько характеристик циклической трещиностойкости. Наиболее важными из них считают: коэффициенты C и m в уравнении (2.43), пороговый коэффициент интенсивности напряжений K_s. Оценивают также величины K_max и ΔK при заданной СРТУ и, наоборот, величину СРТУ при определенных значениях K_max и ΔK, коэффициенты интенсивности напряжений K_1-2 и K_2-3, соответствующие началу и концу второго участка диаграммы усталостного разрушения (см. рис. 2.93 и др.)

Постепенное образование трещин в металле под действием на него циклических нагрузок называется

Длительное воздействие на металл повторно-переменных напряжений может вызвать образование трещин и разрушение даже при напряжениях ниже

Постепенное накопление повреждений в металле под действием циклических нагрузок, приводящих к образованию трещин и разрушению, называют усталостью, а свойство металлов сопротивляться усталости — выносливостью.

Усталостный излом (рис. 71) состоит из очага разрушения 1

— места зарождения разрушения, зоны стабильного развития трещины 2 и зоны долома 3 — участка развития трещины, связанного с окончательным разрушением. Очаг разрушения обычно расположен вблизи поверхности. Поверхность как наиболее нагруженная часть сечения (при изгибе, кручении) претерпевает микродеформацию, а затем в наклепанной

Рис. 71. (см. скан) Усталостный излом (а) и схема развития трещины усталости (б): 1 — очаг разрушения; 2 — зона стабильного развития трещины; 3 — зона долома; 4 — усталостные бороздки; 5 — начальная стадия образования трещины; 6 — магистральная трещина

Рис. 72. Схема испытания на усталость (а) и циклических изменений напряжений (симметричный цикл ) (б) зоне образуются подповерхностные трещины (рис. 71, б). Растет, однако, только та трещина, которая имеет достаточную длину и острую вершину (рис. 71,б) — магистральная трещина. Продвигаясь в глубь металла, усталостная трещина образует глубокий и острый надрез.

В зоне усталости нередко можно видеть полоевт, расходящиеся от очага разрушения (усталостные бороздки), отражающие последовательное положение растущей трещины (рис. 71, а). Скорость роста трещины невелика. Рост трещины продолжается до тех пор, пока сечение не окажется столь малым, что действующие в нем напряжения превысят разрушающие. Тогда происходит быстрое разрушение, что приводит к образованию зоны долома (рис. 71, а). Зона долома имеет структуру, характерную для хрупкого или вязкого (в зависимости от природы материала) разрушения при однократных нагрузках (статических или ударных).

Испытание на усталость проводят для определения предела выносливости, под которым понимают наибольшее значение максимального напряжения цикла, при действии которого не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого или заданного числа циклов нагружения. Цикл напряжения — это совокупность переменных значений напряжений за один период их изменения. За максимальное сгшах или минимальное напряжение цикла принимают наибольшее или наименьшее по алгебраической величине напряжение. Цикл характеризуется коэффициентом асимметрии: . Если то цикл называют симметричным, если и не равны по величине, то цикл асимметричный.

Предел выносливости обозначается — коэффициент асимметрии цикла), а при симметричном цикле Предел выносливости определяют на вращающемся образце (гладком или с надрезом) с приложением изгибающей нагрузки по симметричному циклу (рис. 72). Для определения используют не менее десяти образцов, чаще диаметром 7,5 мм. Каждый образец испытывают только на одном уровне напряжений до разрушения или до базового числа циклов. По результатам испытания отдельных

Рис. 73. Кривые усталости в координатах

образцов строят кривые усталости в полулогарифмических или логарифмических координатах (рис. 73), а иногда в координатах Ошах

С уменьшением агаах долговечность возрастает. Горизонтальный участок на кривой усталости, т. е. не вызывающее разрушения при бесконечном большом числе циклов соответствует пределу выносливости (рис. 73, кривая 1).

Многие металлы (обычно цветные и их сплавы) не имеют горизонтального участка на кривой усталости. В этом случае определяют ограниченный предел выносливости — наибольшее напряжение, которое выдерживает металл (сплав) в течение заданного числа циклов нагружения.

База испытания должна быть не ниже циклов для стали и циклов для легких сплавов и других цветных металлов, не имеющих горизонтального участка на кривой усталости (рис. 73, кривая 2).

Если образование трещин или полное разрушение происходит при числе циклов до , такая усталость называется малоцикловой, при большом числе циклов — многоцикловой. Малоцикловая усталость имеет большое значение для штампового инструмента, деталей самолета (шасси, фюзеляж), сосудов высокого Давления, узлов космических кораблей и т. д.

Предел выносливости снижается при наличии концентраторов напряжения (см. рис. 48). Чувствительность к концентраторам напряжений при симметричном цикле нагружения определяется эффективным коэффициентом концентрации напряжений , где — пределы выносливости образцов гладкого и с надрезом (с концентратором напряжения).

Чем больше размер образца (изделия), тем больше в нем различных дефектов (неметаллических включений, субмикроскопических трещин и т. д.) и запас упругой энергии, что облегчает

Рис. 74. Зависимость отношения от временного сопротивления стали

образование и развитие усталостных трещин и снижает (масштабный фактор).

Коррозия на и более снижает предел выносливости

Между пределом выносливости и временным сопротивлением существует определенная связь.

Для многих еталей отношение для медных сплавов — и для алюминиевых — Поэтому, зная можно ориентировочно определить Однако следует иметь в виду, что при высоком значении отношение снижается (рис. 74). С повышением прочности возрастает за счет увеличения сопротивления зарождения трещины усталости. Однако увеличением снижается пластичность, что затрудняет релаксацию напряжений у вершины трещины и ускоряет ее развитие. С повышением прочности (понижением пластичности) возрастает чувствительность к концентраторам напряжений. Поэтому высокопрочные стали могут иметь более низкий чем менее прочные стали.

Живучесть. Важной характеристикой конструктивной прочности, характеризующей надежность материала, является живучесть при циклическом нагружении. Под живучестью понимают долговечность детали от момента зарождения первой макроскопической трещины усталости размером мм до окончательного разрушения.

Количественно живучесть конструкции оценивается коэффициентом где То и Фраз — продолжительность эксплуатации конструкции до появления трещин и до разрушения соответственно. Коэффициент живучести может колебаться от 0,1 до 0,9. Ранее зарождение трещин усталости объясняется дефектами металлургического и технологического характера, а также неудачной конструкцией изделия (наличие концентраторов напряжений).

Живучесть имеет особое значение для надежности эксплуатации изделий, безаварийная работа которых поддерживается путем периодического дефектоскопирования различными физическими методами для выявления усталостных трещин. Чем меньше скорость развития трещины, тем легче ее обнаружить.

Механические свойства, определяемые при переменных (циклических) нагрузках

Многие детали машин (валы, шатуны, зубчатые колеса) испытывают во время работы повторяющиеся циклические нагружения. Цикл напряжения— совокупность изменения напряжений между двумя его предельными значениями s_max и s_min в течение периода Т. При экспериментальном исследовании сопротивления усталости материала за основной принят синусоидальный цикл изменения напряжения (рис. 4.13). Он характеризуется коэффициентом асимметрии цикла R = s_min /s_max , aмплитудой напряжения s_а= (s_max- s_min)/2, средним напряжением цикла s_m= (s_max + s_min)/2.

Рис. 4.13. Синусоидальный цикл изменения напряжений

Различают симметричные (R=-1) и асимметричные (R изменяется в широких пределах) циклы. Различные виды циклов характеризуют различные режимы работы деталей машин.

Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, свойство противостоять усталости − выносливостью(ГОСТ 23207-78).

Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической нагрузки имеет ряд особенностей.

1. Оно происходит при напряжениях, меньших, чем при статической
нагрузке (меньше предела текучести или временного сопротивления).

2. Разрушение начинается на поверхности (или вблизи от неё) локально, в местах концентрации напряжений (деформации). Локальную концентрацию напряжений создают повреждения поверхности в результате циклического нагружения либо надрезы в виде следов обработки, воздействия среды.

3. Разрушение протекает в несколько стадий, характеризующих процессы накопления повреждений в материале, образования трещин усталости, постепенное развитие и слияние некоторых из них в одну магистральную трещину и быстрое окончательное разрушение.

4. Разрушение имеет характерное строение излома, отражающее последовательность процессов усталости. Излом состоит из очага разрушения (места образования микротрещин) и двух зон — усталости и долома. Очаг разрушения примыкает к поверхности и имеет небольшие размеры и гладкую поверхность. Зону усталости формирует последовательное развитие трещины усталости. В этой зоне видны характерные бороздки, которые имеют конфигурацию колец, что свидетельствует о скачкообразном продвижении трещины усталости. Зона усталости развивается до тех пор, пока в уменьшающемся рабочем сечении напряжения возрастут настолько, что вызовут его мгновенное разрушение. Эту последнюю стадию разрушения характеризует зона долома.

О способности материала работать в условиях циклического нагружения судят по результатам испытаний образцов на усталость (ГОСТ 25.502-79). Их проводят на специальных машинах, создающих в образцах многократное нагружение (растяжение-сжатие, изгиб, кручение). Образцы (не менее 15 шт.) испытывают последовательно на разных уровнях напряжений, определяя число циклов до разрушения. Результаты испытаний изображают в виде кривой усталости, которая в логарифмических координатах: максимальное напряжение цикла s_max (или s_а)− число циклов нагружений N − состоит из участков прямых линий (рис. 4.14). Горизонтальный участок определяет напряжение, которое не вызывает усталостного разрушения после неограниченно большого или заданного (базового N_s) числа циклов.

Рис. 4.14. Кривые усталости

Это напряжение представляет собой физический предел выносливости s_R (R − коэффициент асимметрии цикла), при симметричном цикле − s_-1. Наклонный участок кривой усталости характеризует ограниченный предел выносливости, равный напряжению s_К, которое может выдержать материал в течение определенного числа циклов(N_К).

Кривые с горизонтальным участком типичны для сталей при невысоких температурах испытаний. Кривые без горизонтального участка (кривая 2 на рис. 4.14) характерны для цветных металлов, а также для всех материалов, работающих при высоких температурах или в коррозионной среде. Такие материалы имеют только ограниченный предел выносливости.

Кривые усталости позволяют определить следующие критерии выносливости:

1) циклическая прочность— физический или ограниченный предел выносливости. Она характеризует несущую способность материала, т.е. то наибольшее напряжение, которое он способен выдержать за определенное время работы;

2) циклическая долговечность— число циклов (или эксплуатационных часов), которые выдерживают материал до образования усталостной трещины определенной протяженности или до усталостного разрушения при заданном напряжении.

Кривые выносливости в области ограниченной долговечности определяют на основе статистической обработки результатов испытаний. Это связано со значительным разбросом долговечности из-за её высокой чувствительности к состоянию поверхности образцов.

Кроме определения рассмотренных выше критериев многоцикловой выносливости, для некоторых специальных случаев применяют испытания на малоцикловую усталость.Их проводят при высоких напряжениях (выше s_0,2) и малой частоте нагружения (обычно не более 5 Гц). Эти испытания имитируют условия работы конструкций (например, самолетных), которые воспринимают редкие, но значительные циклические нагрузки. База таких испытаний не превышает 5 × 10 4 циклов, поэтому малоцикловую усталость материала характеризует левая верхняя ветвь кривой усталости (см. рис. 4.14).

Дополнительные критерии выносливости. Из них наиболее важное значение имеет живучесть, определяемая скоростью роста трещины усталости (СРТУ). Живучестьхарактеризует способность материала работать в поврежденном состоянии после образования трещины. При высокой живучести можно своевременно путем дефектоскопии обнаружить трещину, заменить деталь и обеспечить безаварийную работу конструкции.

Механические свойства металлов

Поведение металла под нагрузкой определяется его механическими свойствами (прочностью, пластичностью, твердостью, упругостью, жесткостью, вязкостью). Методы испытаний механических свойств в зависимости от характера действия нагрузки делят на три группы: статические, когда нагрузка возрастает медленно (плавно); динамические – нагрузка возрастает с большой скоростью (мгновенно) – удар; циклические – при повторно-переменных нагрузках, когда нагрузка многократно изменяется по величине и знаку (испытания на усталость).

Механические свойства металлов при статическом нагружении.В результате испытаний определяют следующие характеристики металлов: прочность, пластичность, твердость, упругость, жесткость.

Прочность – свойство металла сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних сил. В зависимости от способа статического нагружения различают прочность при растяжении, сжатии и изгибе.

Испытания на растяжение. Для испытаний применяют специальные цилиндрические или плоские образцы. Расчетная длина образца равна десяти- или пятикратному диаметру. Образец закрепляют в испытательной машине и нагружают. Результаты испытаний отражают на диаграмме растяжения.

На диаграмме растяжения пластичных металлов (рис. 13, а) можно выделить три участка: ОА – прямолинейный, соответствующий упругой деформации; АВ – криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при возрастании нагрузки; ВС – соответствующий упругопластической деформации при снижении нагрузки. В точке С происходит разрушение образца с разделением его на две части.

От начала деформации (точка О) до точки А образец деформируется пропорционально приложенной нагрузке. Участок ОА – прямая линия. Максимальное напряжение, не превышающее предела пропорциональности, практически вызывает только упругую деформацию, поэтому его часто называют пределом упругости металла.

Рис. 13. Диаграмма растяжения пластичных металлов:

а – с площадкой текучести; б – без площадки текучести

При испытании пластичных металлов на кривой растяжения образуется площадка текучести АА¢. В этом случае напряжение, отвечающее этой площадке, s_т называют физическим пределом текучести. Физический предел текучести – это наименьшее напряжение, при котором металл деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки.

Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от первоначальной длины образца, называют условным пределом текучести (σ_0,2).

Участок А¢В (см. рис 13, а) соответствует дальнейшему повышению нагрузки и более значительной пластической деформации во всем объеме металла образца. Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке (точка В), предшествующей разрушению образца, называют временным сопротивлением, или пределом прочности при растяжении σ_в. Это характеристика статической прочности:

где Р_max – наибольшая нагрузка (напряжение), предшествующая разрушению образца, МПа;

F₀ – начальная площадь поперечного сечения образца, м 2 .

У пластичных металлов, начиная с напряжения σ_в, деформация сосредоточивается (локализуется) в одном участке образца, где появляется сужение, так называемая шейка. В результате развития множественного скольжения в шейке образуется множество вакансий и дислокаций, возникают зародышевые несплошности. Сливаясь, они образуют трещину, которая распространяется в поперечном направлении растяжению, и образец разрушается (точка С). Кривая растяжения образца без площадки текучести показана на рис. 13, б.

Пластичность – свойство металла пластически деформироваться, не разрушаясь под действием внешних сил. Это одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Для определения пластичности не требуется образцов и оборудования. После испытания металла на растяжение эти же образцы измеряют и определяют характеристики пластичности. Показатели пластичности – относительное удлинение δ и относительное сужение ψ.

Относительным удлинением δ называется отношение абсолютного удлинения, т. е. приращения расчетной длины образца после разрыва (l – l₀), к его первоначальной расчетной длине l₀, выраженное в процентах:

где l₀ – первоначальная длина образца, мм;

l – длина образца после разрыва, мм.

Относительным сужением y называется отношение абсолютного сужения, т. е. уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва (F_о – F), к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженное в процентах:

где F₀ – первоначальная площадь поперечного сечения образца, мм 2 ;

F – площадь поперечного сечения образца после разрыва, мм 2 .

Твердость – свойство металла сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела. Для определения твердости часто не требуется изготовления специальных образцов, испытания проводятся без разрушения металла.

Твердость металла можно определять прямыми и косвенными методами: вдавливанием, царапаньем, упругой отдачей, магнитным методом. Прямые методы состоят в том, что в металл вдавливают твердый наконечник (индентор) различной формы из закаленной стали, алмаза или твердого сплава (шарик, конус, пирамида). После снятия нагрузки на индентор в металле остается отпечаток, размер которого характеризует твердость.

Существует множество методов определения твердости металлов. Но лишь некоторые из них нашли широкое применение в машиностроении. Все они названы в честь своих создателей.

Метод Бринелля. В плоскую поверхность металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 10; 5 или 2,5 мм (рис. 14, а). После снятия нагрузки в металле остается отпечаток (лунка). Диаметр отпечатка d измеряют специальным микроскопом с точностью 0,05 мм. На практике пользуются специальной таблицей, в которой каждому диаметру отпечатка соответствует определенное число твердости НВ.

Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов с твердостью более НВ450, так как шарик может деформироваться и получится искаженный результат. Этот метод в основном используется для измерения твердости неупрочненного металла заготовок и полуфабрикатов.

Метод Роквелла. Твердость определяют по глубине отпечатка. Наконечником служит стальной закаленный шарик диаметром 1,58 мм для мягких металлов или алмазный конус с углом при вершине 120° – для твердых и сверхтвердых (более HRC70) металлов (рис. 14, б).

Шарик и конус вдавливаются в металл нагрузкой 60, 100 или 150 кг. Отсчет результатов измерений определяется по показанию стрелки на шкале индикатора твердомера (рис. 15, а). После включения нагрузки стрелка перемещается по шкале индикатора твердомера (рис. 15, б) и указывает значение твердости (рис. 15, в).

Рис. 15. Показания индикатора прибора ТК

При вдавливании стального шарика нагрузка – 100 кг (отсчет по внутренней (красной) шкале индикатора), твердость обозначают как НRВ. При вдавливании алмазного конуса отсчет твердости осуществляется по показанию стрелки на наружной (черной) шкале индикатора (см. рис. 15, в). Нагрузка 150 кг – для твердых металлов. Это основной метод измерения твердости закаленных сталей. Обозначение твердости – НRC. Для очень твердых металлов, а также мелких деталей нагрузка – 60 кг, обозначение твердости – НRА.

Определение твердости по Роквеллу дает возможность испытывать мягкие и твердые металлы, а отпечатки от шарика или конуса очень малы, поэтому можно измерять твердость готовых деталей. Измерения не требуют никаких вычислений – число твердости читается на шкале индикатора твердомера. Поверхность для испытания должна быть шлифованной.

Метод Виккерса. В испытуемую поверхность (шлифованную или полированную) вдавливается четырехгранная алмазная пирамида под нагрузкой 5, 10, 20, 30, 50, 100 кг. В металле остается квадратный отпечаток. Специальным микроскопом твердомера измеряют величину диагонали отпечатка (рис. 16). Зная нагрузку на пирамиду и величину диагонали отпечатка, по таблицам определяют твердость металла, обозначаемую как HV.

Этот метод универсальный. Его можно использовать для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев большой твердости (после азотирования, нитроцементации и т. п.). Чем тоньше металл, тем меньше должна быть нагрузка на пирамиду, но чем больше нагрузка, тем точнее получаемый результат.

Прочность при динамическом нагружении(испытания на ударную вязкость – на удар).В процессе эксплуатации многие детали машин испытывают динамические (ударные) нагрузки. Для определения стойкости металла к удару и одновременной оценки его склонности к хрупкому разрушению проводят испытания на ударный изгиб. В результате определяют ударную вязкость – характеристику динамической прочности.

Для определения ударной вязкости применяют 20 типов образцов (обычно размером 10 ´ 10 ´ 55 мм) с U- или V-образным надрезом. Надрез посередине образца называется концентратором. Испытания проводят на маятниковом копре 1 (рис. 17, а). Маятник 2, падая с определенной высоты, разрушает образец 3, свободно установленный на двух опорах копра (рис. 17, б). Работа удара К (Дж или кгс×м), затраченная на излом (разрушение) образца, фиксируется стрелкой на шкале копра и определяется из разности энергии маятника в положении его до и после удара. Ее можно определить по формуле:

К = G (h₁ – h₂), (6)

где G – вес маятника, Н;

h₁ – высота подъема маятника до разрушения образца, м;

h₂ – высота подъема маятника после разрушения, м.

Ударная вязкость обозначается КС (прежнее обозначение – a_н) и подсчитывается как отношение работы, затраченной на разрушение образца К, к площади поперечного сечения образца в месте надреза F, МДж/м 2 :

КС (a_н) = К / F. (7)

Если образец имеет U-образный надрез, то в обозначение ударной вязкости добавляется буква U (КСU), а если V-образный, то добавляется буква V (КСV). Например, KCU = 1 кгс×м/см 2 = 98 кДж/м 2 .

Определение ударной вязкости является наиболее простым и показательным способом оценки способности металлов, имеющих объемно центрированную кубическую решетку, к хрупкости при работе в условиях низких температур, называемой хладноломкостью.

Практически хладноломкость определяют при испытании на удар серии образцов при нескольких понижающихся значениях температуры (от комнатной до минус 100°С). Результаты испытаний наносят на график в координатах «ударная вязкость – температура испытания». Температура, при которой происходит падение ударной вязкости, называется критической температурой хрупкости, или порогом хладноломкости. Порог хладноломкости – отрицательная температура, при которой металл переходит из вязкого состояния в хрупкое.

Прочность при циклическом нагружении(испытания на усталость). Многие детали (валы, рессоры, рельсы, шестерни) в процессе работы подвергаются повторно-переменным нагрузкам. Разрушение таких деталей при эксплуатации происходит в результате циклического нагружения при напряжении, значительно меньшем, чем временное сопротивление металла. Процесс постепенного накопления напряжения в металле при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушению, называется уста-лостью. Свойство металла выдерживать большое число циклов переменных напряжений, т. е. противостоять усталости, называется выносливостью, или циклической (усталостной) прочностью.

Усталостная прочность – способность металла сопротивляться упругим и пластическим деформациям при переменных нагрузках. Она характеризуется наибольшим напряжением s_-1, которое выдерживает металл при бесконечно большом числе циклов нагружения не разрушаясь и называется пределом усталости, или пределом выносливости. Для углеродистой конструкционной стали предел усталости принимается равным (0,4 – 0,5) s_в.

Значение предела выносливости зависит от целого ряда факторов: степени загрязненности металла неметаллическими включениями, макро- и микроструктуры металла, состояния поверхности, формы и размеров детали и др.

Разрушение металлов при усталости отличается от разрушения при однократных нагрузках особым видом излома. При знакопеременной нагрузке происходит постепенное накопление напряжения, обусловленное движением дислокаций. Поверхность детали, как наиболее нагруженная часть сечения, претерпевает микродеформацию, и в наклепанной (упрочненной деформацией) зоне возникают микротрещины. Из множества микротрещин развитие получает только та, которая имеет наиболее острую вершину и наиболее благоприятно расположена по отношению к действующему напряжению.

Пораженная трещиной часть сечения детали не несет нагрузки, и она перераспределяется на оставшуюся часть, которая непрерывно уменьшается, пока не произойдет мгновенное разрушение. Таким образом, для усталостного излома характерно, как минимум, наличие зоны прогрессивно растущей трещины 1 и зоны долома 2 (рис. 18).

Важной характеристикой конструктивной прочности (надежности) металла является живучесть при циклическом нагружении.

Живучесть – это способность металла работать в поврежденном состоянии после образования трещины. Она измеряется числом циклов нагружения до разрушения или скоростью развития трещины усталости при данном напряжении. Живучесть является самостоятельным свойством, которое не зависит от других свойств металла. Живучесть имеет важное значение для оценки работоспособности деталей, работа которых контролируется различными методами дефектоскопии. Чем меньше скорость развития трещины усталости, тем легче ее обнаружить.

Для повышения усталостной прочности деталей желательно в поверхностных слоях металла создавать напряжение сжатия методами поверхностного упрочнения (механическими, термическими или химико-термическими).

3. металлические сплавы

Чистые металлы в большинстве случаев не обеспечивают требуемого комплекса механических и технологических свойств, поэтому для изготовления деталей машин наибольшее распространение получили металлические сплавы – вещества, обладающие металлическими свойствами, представляющие собой сочетание какого-либо металла (основа сплава) с другими металлами или неметаллами. Например, латунь – сплав меди (металл) с цинком (металл), сталь – сплав железа (металл) с углеродом (неметалл). Большинство сплавов получают путем сплавления, т. е. соединения компонентов сплава в жидком состоянии. Есть и другие способы образования сплавов. Так, металлокерамические сплавы образуются путем спекания из порошков.

Читайте также: