Пределом выносливости усталости металла называют
Обновлено: 04.05.2024
Технический портал, посвященный Сопромату и истории его создания
Предел выносливости материалов. Диаграммы Веллера и Хея — Зодерберта. Эффект Ребиндера
Изучение явления усталости показало, что при известных условиях разрушение материала при переменных напряжениях может и не произойти. Свойство материала выдерживать, не разрушаясь, больше число циклов переменных напряжений называют его выносливостью. Пределом выносливости (пределом усталости) называют наибольшую величину циклического напряжения, при котором материал может работать неограниченно долго без разрушения. Предел выносливости обозначается .
Усталостную прочность определяют по результатам экспериментальных исследований определенного числа образцов, подвергнутым испытаниям при различных уровнях циклических напряжений, вплоть до их разрушений. Результаты испытаний серии одинаковых образцов наносят на плоскость или , где – это максимальное за период цикла напряжение, а – число циклов до полного разрушения, получая при этом так называемую диаграмму Веллера.
Опыт по определению предела выносливости производится следующим образом. Заготавливается партия образцов испытываемого материала. Выбирают ряд уровней циклических напряжений, при которых будут испытывать образцы. Первый уровень напряжений, как правило, наибольший и составляет величину равную 0,7-0,8 предела текучести материала, остальные уровни напряжения берутся ниже. На каждом уровне напряжений испытывают 5-6 образцов. Эти образцы закладываются в машину и нагружаются. Когда произойдет излом или разрыв, машина автоматически выключается, а счетчик оборотов показывает число циклов , необходимое для разрушения образца.Эксперименты показывают, что при испытаниях образцов на одном и том же уровне напряжений наблюдается значительный разброс разрушений. В таких случаях устанавливают вероятность разрушения в течение некоторого времени t на данном уровне напряжений.
С понижением уровня напряжения долговечности испытываемых образцов возрастают настолько, что приходится назначать некоторое предельное время выдержки , называемое базой испытаний, при которой образцы снимают с испытаний, когда часть из них не разрушилась. Напряжение, при котором 50% образцов разрушаются при , а остальные 50% проходят базу испытаний, называется ограниченным или условным пределом выносливости.
Базы по числам циклов составляют обычно для черных металлов, для сплавов цветных металлов иногда до . В настоящие время нет ясного представления о том, существует ли у материалов абсолютный предел выносливости, так как нередко образцы разрушаются после того, как они предварительно выдержали десятки и даже сотни миллионов циклов. Это можно объяснить наличием в материале технологических дефектов в виде пор, расслоений, неметаллических включений и дефектов поверхностей обработки. Наличие экспериментальных данных об испытаниях конструкционных цветных сплавов дает основание утверждать, что последние не имеют абсолютного предела выносливости. Особую область исследований представляют испытания материалов в условиях коррозионно-агрессивных сред. Многие материалы в этих условиях определенно не имеют абсолютного предела выносливости. Также кроме напряженного состояния в материале еще проявляются электрохимические явления, получившие название эффект Ребиндера.
Предел выносливости при асимметрических циклах нагружения
Наиболее опасным циклом нагружения является симметричный цикл нагружения. Однако большое количество деталей машин работает при асимметричных циклах нагружения. Рассмотрим диаграмму Хея-Зодерберта для стали 45.
Диаграмма Хея-Зодерберта строится в координатах амплитуды напряжений– , постоянная составляющая цикла– . Так как при всегда меньше предела прочности , то все возможные механические состояния материалов находятся в пределах треугольника оав, причем уравнение прямой I имеет вид:
Уравнение прямой 2 представляется так:
Кривая 3– экспериментальная кривая предела выносливости, полученная при разных амплитудах и постоянных составляющих циклах на одной и той же базе . Ордината при абсциссе представляет собой предел выносливости при симметричном цикле нагружения, обозначается через .
Для кривой выносливости левее луча можно записать эмпирическую зависимость:
где К – эмпирический коэффициент, для стали 45 равный 0,6; для других марок сталей около 0,4.
Правее этого луча в некоторый момент начинается медленное развитие шейки, как это имеет место при быстром нагружении материала.
Кривая пределов выносливости продолжена в область отрицательных напряжений, где значение меньше абсолютного значения . В этой области амплитуды пределов выносливости быстро возрастают. Это обстоятельство дает основание утверждать, что при знакопостоянных напряжениях сжатия усталостные разрушения сталей отсутствуют.
Для сравнения с диаграммой Хея-Зодерберга для стали представим такую же диаграмму для серого чугуна. Чугун С4 12-28 представляет относительно хрупкий материал.
Кривая пределов выносливости доходит до линии I, уравнение которой так как чугун разрушается без образования шейки. В области сжимающих напряжений кривая выносливости имеет экстремум и располагается внутри треугольника оав. Это означает, что сопротивление циклическому сжатию ниже сопротивления статическому сжатию. Предел выносливости стали связан с пределом прочности материала и зависит от вида деформации.
Известны следующие эмпирические зависимости для определения предела выносливости при симметричном цикле нагружения:
при растяжении
В настоящее время нет достаточно чёткого объяснения того, что в условиях значительных сжимающих напряжений пластические материалы не разрушаются. По-видимому, под действием растягивающих напряжений микротрещина будет развиваться и расти, а под действием сжимающих напряжений закрываться .
ПроСопромат.ру
Циклические испытания металлов. Кривая усталости. Предел выносливости
Многие детали автомобиля (оси, коленчатые валы) работают в условиях действия повторно-переменных или знакопеременных нагрузок. Металл под действием циклических нагрузок может уставать и разрушаться.
Рис.2.5. Вид усталостного излома при циклических испытаниях.
Усталостный излом имеет две зоны: притертая зона с полукольцами от каждого цикла, которые приводят к очагу разрушения (трещине, хрупким включениям оксидов, нитридов, карбидов и т. п.), и зона долома - она всегда шероховатая. Сопротивление металла усталостному разрушению характеризуется пределом выносливости σ-1 - это максимальное напряжение, при действии которого не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого или заданного (базового) числа циклов нагружения. За базу принимают: для стали 5 млн. циклов, для цветных металлов 20 млн. циклов.
1) размера детали, чем она крупнее, тем предел выносливости ниже;
2) чистоты поверхности детали, поверхностные надрезы, глубокие царапины, коррозия - резко снижают предел выносливости.
Пути повышения предела выносливости:
Поверхностное упрочнение детали и образование при этом на поверхности сжимающих остаточных напряжений способствуют повышению предела выносливости. Этого можно добиться;
а) поверхностной закалкой ТВЧ;
б) химико-термической обработкой (цементацией, азотированием);
в) дробеструйной обработкой (поверхностный наклёп).
2.2.3. Определение твёрдости
Твёрдостью называется сопротивление металла вдавливанию инородного тела, называемого индентором. Этот индентор вдавливается в металл под нагрузкой Р.
Для определения твердости используют методы Бринелля, Роквелла и Виккерса.
Метод Бринелля. Индентором служит стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5,0 и 10 мм. При испытании стали и чугуна обычно D=10mm и P= 3000кг. Для цветных сплавов на основе алюминия, меди, никеля и др. P= (1000кг.), при испытании мягких металлов (олово, свинец и т.д.) P= (250кг.).
Но, как правило, твердость не рассчитывают, так как рассчитать площадь лунки F очень трудно. На практике замеряют только диаметр отпечатка (лунки) и по нему в прилагаемых к прибору таблицах смотрят твердость. Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость, и наоборот. Между пределом прочности и НВ существует зависимость: для стали и алюминиевых сплавов
Предел измерений твердости по Бринеллю - до 450 кг/мм , выше нельзя, так как шарик будет деформироваться. Тогда измеряют твердость по Роквеллу.
Метод Роквелла (рис. 2.3). Сущность метода заключается во вдавливании в металл индентора - наконечника с алмазным конусом, имеющим угол у вершины 120° (шкалы А и С), или со стальным закаленным шариком диаметром 1,58 мм (шкала В).
Алмазный конус - твердый материал, и поэтому предела измерений твердости не имеет. Общая нагрузка на индентор равна:
Определение твердости по этому методу заключается в измерении по шкале прибора глубины внедрения индентора после снятия нагрузки.
Твердость по Роквеллу - безразмерная величина. Условно за единицу твердости принимают погружение индентора на глубину 0,002 мм.
Метод Виккерса индентором служит четырехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 136°, нагрузка – 10…1000 Н (Рис.8б). Твердость рассчитывают по среднему арифметическому диагоналей отпечатка d (мм) по формуле: НV= 0,189 Р/d2 (МПа) или определяют по таблицам. Метод применяют для деталей малых сечений и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.
Предел выносливости
Преде́л выно́сливости (также преде́л уста́лости) — в науках о прочности: одна из прочностных характеристик материала, характеризующих его выносливость, то есть способность воспринимать нагрузки, вызывающие циклические 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 R принимается равным коэффициенту асимметрии цикла. Таким образом, предел выносливости материала в случае симметричных циклов нагружения обозначают как , а в случае пульсационных какДля железистых и титановых сплавов можно установить предельную величину максимальных напряжений цикла, при которых материал не разрушится при произвольно большом числе нагружений. Однако другие металлы, такие как медь или алюминий, подвержены усталостному разрушению под действием сколь угодно малых нагрузок. В таких случаях принято говорить об ограниченном пределе выносливости , где коэффициент N соответствует заданному числу циклов нагружения, и обычно принимается за циклов.
Содержание
Определение предела выносливости
Предел выносливости материала определяют с помощью испытаний серий одинаковых образцов (не менее 10 шт.): на изгиб, кручение, растяжение-сжатие или в условиях комбинированного нагружения (последние два режима для имитации работы материала при асимметричных циклах нагружения или в условиях сложного нагружения).
Испытание начинают проводить при высоких напряжениях (0,7 — 0,5 от предела прочности), при которых образец выдерживает наименьшее число циклов. Постепенно уменьшая напряжения можно обнаружить, что стальные образцы не проявляют склонности к разрушению независимо от длительности испытания. Опыт их испытания показывает, что если образец не разрушился до базу испытаний и устанавливают то наибольшее значение максимального напряжения цикла, при котором образец не разрушается до базы испытаний. Это значение и принимают за предел выносливости.
Результаты испытаний можно представить в виде кривой усталости (также кривая Веллера, S-N диаграмма), которая строится для симметричных циклов нагружения. По оси абсцисс на логарифмической шкале откладывают количество циклов, по оси ординат напряжения:
Кривые усталости стали (синий цвет, виден предел выносливости) и алюминия (красный, предел выносливости неопределяем).
Кривая усталости (выносливости) показывает, что с увеличением числа циклов уменьшается максимальное напряжение, при котором происходит разрушение материала.
Связь предела выносливости с другими прочностными характеристиками материала
Испытания на усталость очень трудоёмки, связаны с получением и обработкой значительного массива данных, полученных экспериментальным путём и для которых характерен большой разброс значений. Поэтому были предприняты попытки связать эмпирическими формулами предел выносливости с известными прочностными характеристиками материала. Более всего для этой цели подходит такая характеристика материала как предел прочности.
Установлено, что, как правило, для сталей предел выносливости при изгибе составляет половину от предела прочности:
" />
Для углепластиков можно принять:
Аналогично можно провести испытания на кручение в условиях циклически изменяющихся напряжений. Для обычных сталей в этом случае можно принять:
Для хрупких материалов (высоколегированная сталь, чугун) в этом случае можно принять:
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 . 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 :
Практическое применение диаграммы предельных амплитуд заключается в том, что после построения диаграммы, проводятся испытания на только конкретные значения . Если рабочая точка располагается под кривой, то образец способен выдержать неограниченное количество циклов, если над кривой — ограниченное.
Читайте также: