Механические свойства, определяемые при циклических испытаниях

Большинство разрушений деталей и конструкций при эксплуатации происходит в результате циклического (знакопеременного) нагружения.

Процесс постепенного накопления повреждений в материале при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушению, называют усталостью. Свойство материалов противостоять усталости называют выносливостью.

На рис.8 приведена типичная схема испытаний на усталость (ГОСТ 25.502-79).

Рис.8. Схема испытаний на усталость: а – нагружение образца;

б – графический метод определения выносливости

Цикл напряжений – это совокупность переменных значений напряжений за один период Т их изменения.

Численная характеристика выносливости – предел выносливости – определяют графическим способом. Образец крепится в подшипнике, задается нагрузка Р и определяется число N циклов до разрушения. Это число фиксируется точкой на кривой усталости (см. рис.8, б). Снижают нагрузку до тех пор, пока образец не работает «бесконечно долго», или базу циклов (для стали - 10⁵, для цветных металлов – 20⁵ циклов).

При симметричном цикле предел выносливости обозначают σ _-1, и он определяется касательной к кривой усталости.

Предел выносливости σ _-1 – максимальное напряжение, при котором образец работает любое число циклов, или базу циклов.

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

- оно происходит при напряжениях, меньших, чем при статической нагрузке (меньше σ _в и σ _т);

- разрушение начинается на поверхности или вблизи от нее (локально) в местах максимальной концентрации напряжений и протекает в несколько стадий;

- разрушение имеет характерное строение излома, отражающее последовательность процессов усталости: излом состоит из очага разрушения, зоны усталости (притертой) и долома (рис.9). В зоне усталости видны характерные бороздки, имеющие конфигурацию колец, что свидетельствует о скачкообразном продвижении трещины усталости.

Предел выносливости зависит:

- от размера детали – чем крупнее деталь, тем ниже σ _-1;

- от чистоты поверхности – надрезы, царапины, коррозия резко снижают σ _-1.

Для повышения σ _-1 на поверхности детали следует создавать дополнительные остаточные сжимающие напряжения, которые возникают при поверхностной закалке ТВЧ, химико-термической обработке, а также в наклепанном состоянии.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие условия нагружения детали при статических испытаниях?

2. Чем отличается кривая растяжения для пластичных материалов от такой кривой для хрупких материалов?

3. Какие основные прочностные и пластические характеристики можно получить из кривой растяжения? Дайте их определения и единицы измерения.

4. Как определить условный предел текучести для малопластичных и хрупких материалов?

5. Что такое твердость материала?

6. Какие недостатки метода Бринелля ограничивают его использование? Предложите более универсальный метод определения твердости.

7. Как определяется твердость по методу Бринелля, Роквелла и Виккерса?

8. Какие единицы измерения твердости по методу Бринелля, Роквелла и Виккерса?

9. Какой стандартный метод определения ударной вязкости?

10. Какой вид имеет излом в случае вязкого и хрупкого разрушений?

11. Как обозначается ударная вязкость и что означает последний символ?

12. Что понимают под понятием «ударная вязкость»?

13. От чего зависит ударная вязкость?

14. Что такое порог хладноломкости?

15. Как порог хладноломкости определяется по виду излома?

16. Что такое усталость материала и выносливость?

17. Как графически определяется предел выносливости?

18. Что такое предел выносливости?

19. Какой характерный вид имеет излом при усталостном разрушении?

20. От чего зависит предел выносливости?

21. Как можно повысить предел выносливости?