Влияние различных факторов на предел выносливости. Повышение выносливости конструктивными и технологическими мероприятиями.

___________________________________________________________________________________

Выносливость, предел выносливости, долговечность

Опыты показывают, что для разрушения от усталости недостаточно переменности напряжений.

Необходимо также, чтобы рабочие (номинальные) напряжения имели определенную величину.

При расчетах на усталость, при анализе результатов экспериментов определяются некоторые характеристики.

ПРЕДЕЛ ВЫНОСЛИВОСТИ (предел усталости) – максимальное напряжение, при котором материал способен сопротивляться нагружению не разрушаясь, при любом произвольно большом числе циклов нагружений.

ВЫНОСЛИВОСТЬ – способность материалов и конструкций сопротивляться разрушению при их повторно-переменных нагружениях.

Обычно при расчетах и испытаниях определяется не произвольно большое число циклов, а так называемое базовое число циклов.

Различают МАЛОЦИКЛОВУЮ усталость (разрушение наступает при малом числе циклов нагружения) и МНОГОЦИКЛОВУЮ усталость (разрушение наступает при большом числе циклов нагружения).

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ – число циклов, которое выдерживает до разрушения материал или конструкция.

Предел выносливости материала обозначают символом напряжений с индексом, указывающим на величину коэффициента асимметрии r:

при изгибе, растяжении-сжатии;

Особенности усталостного разрушения:

1) разрушение даже весьма пластичных материалов происходит без заметных следов пластической деформации, т.е. носит хрупкий характер;

2) разрушение происходит при циклическом действии напряжений, амплитуда которых меньше не только предела прочности, но и предела текучести материала.

На то, что разрушение хрупкое, указывает и вид усталостного излома.

Он имеет две зоны: одна гладкая (притертая), образовавшаяся вследствие развития трещины, другая – крупнозернистая, образовавшаяся при окончательном доломе сечения детали, ослабленного развившейся усталостной трещиной.

Усталостное разрушение складывается из двух этапов – этапа зарождения трещины и этапа ее распространения.

Определить момент перехода от стадии зарождения к стадии распространения трещины очень затруднительно.

В качестве показателя перехода принято использовать достижение трещиной некоторой произвольной длины, например, 1мм, или вообще такой длины, при которой она становится видимой.

Рост усталостной трещины идет по одному из двух механизмов – накопление очагов повреждения перед распространяющейся трещиной или накопление пластической деформации в области перед вершиной или основанием трещин.

Если преобладает первый механизм, то проявляется влияние циклической деформации. Она может вызвать зарождение новых трещин перед вершиной уже существующей трещины. Вследствие пластической деформации перед вершиной трещины могут образоваться субзерна, по границам которых наступает разрушение.

Предполагается, что второй механизм преобладает в пластичных металлах при высоких амплитудах напряжения.

При вращении изгибаемой оси нормальные напряжения в сечении, как известно, распределяются по линейному закону и имеют экстремальные значения на поверхности. Знак напряжений через каждые 180⁰ меняется.

Трещина, образовавшаяся в зоне концентратора напряжений, в процессе нагружения периодически раскрывается и закрывается, края ее трутся друг о друга.

Для многоцикловой усталости характерна очень малая величина рабочих напряжений:

Малоцикловая усталость чаще всего наблюдается при рабочих напряжениях, близких по величине пределу текучести материала.

Объясняются эти особенности значительной неоднородностью структуры, анизотропией механических свойств, наличием дефектов, историей и условиями нагружения и эксплуатации, конструктивными особенностями и технологией изготовления и т.п.

Эти наблюдения и привели исследователей к выводу, что под действием переменных напряжений изменяется структура материала. Считали, что материал имеет волокнистую структуру (характерную для пластичного материала) и часть его при усталостном нагружении к моменту разрушения приобретает зернистую структуру (характерную для хрупкого материала).

Но только в начале ХХ столетия, после исследований структуры было показано, что никакой перекристаллизации не происходит. Конструкционные материалы в основном являются кристаллическими веществами, они состоят из зерен.

Они (зерна) обладают различными механическими свойствами и поэтому нагружаются по-разному.

При статическом нагружении деформация охватывает весь объем образца.

При переменных же нагрузках деформация сосредотачивается в ограниченном объеме (несколько зерен).

В таких перенапряженных зернах возможно наиболее раннее образование трещин.

То же самое происходит с практически всегда имеющимися в материале дефектами.

Трещина постепенно развивается, что в конечном итоге приводит к усталостному излому.

В вершине трещины реализуется объемное напряжение состояние.

Механизм образования трещин при повторно-переменном напряжении весьма сложен и не может считаться полностью изученным.

Несомненно, что:

– процессы, происходящие в материале при повторно-переменном нагружении, носят резко выраженный местный характер;

– решающее влияние на явление усталости оказывают касательные напряжения, вызывающие пластические сдвиги и разрушение путем среза.

Образование первоначальной трещины связано с действием касательных напряжений (сдвиг), а ее развитие – с действием нормальных напряжений (отрыв).

УСТАЛОСТЬ – процесс накопления повреждений, приводящий к образованию и развитию трещин и последующему разрушению.

Природа возникновения переменных во времени напряжений различна.

Чаще всего это механические напряжения, возникающие от действия внешних изменяющихся нагрузок.

Ряд деталей и конструкций при эксплуатации воспринимают действие высоких и низких температур, которые могут также изменять свою величину во времени.

Это еще один самостоятельный раздел наук о прочности – термическая усталость и связанные с ней сопутствующие процессы (например, разгар поверхности, соприкасающейся с жидким металлом).

Серьезное внимание обеспечению усталостной прочности сварных соединений и конструкций уделяют специалисты сварочного производства – при проектировании, изготовлении и эксплуатации таких конструкций.

Строгого теоретического решения задач по расчету конструкций на усталостную прочность (расчету на выносливость) до настоящего времени не предложено.

В основном используются экспериментально-теоретические методы.