УСТАЛОСТЬ МАТЕРИАЛОВ

Усталость –это явление разрушения материала в результате постепенного накопления в нем повреждений (микротрещин), приводящих к возникновению усталостной трещины при многократном повторном нагружении, а способность противостоять усталости называется выносливостью.

[Разломать медную проволоку легче несколькими повторными перегибами в одном каком-то ее сечении. Проволока ломается, потому что материал испытал усталость].

Сопротивление материалов действию нагрузок, меняющихся во времени по величине или по величине и знаку отличается от сопротивления действию статической нагрузки.

Если элемент конструкции многократно подвергать переменному нагружению, то после некоторого числа перемен напряжений в нем появится трещина, которая постепенно будет развиваться.

Металлы имеют случайную ориентировку кристаллов, что обуславливает неоднородность напряженного состояния в разных точках конструкции. Касательные напряжения, имеющиеся в конструкции, вызывают скольжения по граням наиболее неблагоприятно ориентированных кристаллитов. Возникают линии скольжения, которые со временем переходят в полосы скольжения.

При высоких напряжениях с ростом числа циклов число линий скольжения возрастает. В плоскости скольжения происходят пластические деформации, приводящие к местному упрочнению материала. При этом возрастает предел текучести материала, и повышаются напряжения. Разрушение происходит в тот момент, когда местные напряжения достигают предела прочности материала.

При малых напряжениях деформационное упрочнение мало, местные напряжения практически не возрастают, а пластические деформации накапливаются. Число полос скольжения с увеличением числа циклов возрастает незначительно, но возникшие раннее полосы расширяются, образуя микротрещины. В результате слияния последних образуются макротрещины.

Таким образом, зарождение трещин происходит под действием касательных напряжений. Дальнейшее развитие трещин вплоть до разрушения конструкции происходит под действием нормальных напряжений, величина которых значительно возрастает в устье трещины, являющимся сильным концентратором напряжений. Это приводит к ускоренному росту трещины, вплоть до того момента, когда сечение, ослабленное ею не может выдержать приложенной нагрузки. Тогда происходит весьма быстрое увеличение скорости распространения трещины, заканчивающееся хрупким разрушением. Такое разрушение называется разрушением от усталости.

Максимальное напряжение, при котором материал способен сопротивляться не разрушаясь при любом произвольно большом числе повторений переменных напряжений, называется пределом выносливости или пределом усталости.

Предел выносливости определяется экспериментально. Зависит от формы и размеров детали, способа ее обработки, состояния поверхности детали, вида напряженного состояния, закона изменения нагрузки во времени и т.д.

Совокупность всех значений напряжений за время одного периода, называется циклом напряжений.

Напряжения представляют собой периодические функции времени p = f(t) с периодом, равным Т.

Экстремальные напряжения называются соответственно максимальным и минимальным, а напряжения и амплитудным и средним.

Постоянное или среднее напряжение цикла, которое определяется по формуле:

Амплитуда цикла определяется по формуле:

Удвоенная величина амплитуды колебаний напряжений называется размахом цикла.

Отношение минимального напряжения цикла к максимальному называется характеристикой цикла или коэффициентом асимметрии цикла:

Чтобы определить предел выносливости необходимо испытать партию образцов из данного материала в количестве 6-12 штук. При испытании необходимо давать такие нагрузки на отдельные образцы, чтобы они разрушались, выдержав различное количество циклов. Обработка полученных экспериментальных данных сопровождается построением кривой усталости (диаграммы Вёллера). Кривую усталости строят по точкам в координатах числа циклов N и напряжения . Каждому разрушившемуся образцу на диаграмме соответствует одна точка с координатами N (число циклов до разрушения) и σ_max (напряжение), кривая усталости представляет собой функцию:

Рис.21.1. Кривые усталости для стали (1) и для цветных металлов (2).

Базой испытания на выносливость называется наибольшее число повторно-переменных нагрузок, существенное превышение которого не должно приводить к усталостным разрушениям испытываемого образца при данном напряжении.

Условным пределом усталости называется максимальное напряжение, при котором не происходит разрушения при осуществлении определенного заранее заданного числа циклов, соответствующего той или иной принятой базе испытания.

Для расчета на прочность в случае сложного напряженного состояния можно использовать теории прочности. В рассматриваемом случае эти теории можно записать в виде:

В случае простых видов деформации запас прочности при действии нормальных напряжений можно вычислить по формуле:

где: - предел выносливости детали при сжатии - растяжении или изгибе

- номинальные действующие знакопеременные напряжения.

При действии касательных напряжений:

где: - предел выносливости детали при кручении

- номинальные действующие знакопеременные напряжения

Запас прочности при сложном напряженном состоянии определяется формулой:

Величина запасов прочности при расчете на выносливость зависит от точности определения усилий и напряжений, от однородности материалов, качества технологии изготовления деталей.