Лаборатория Механических испытаний

Прочность—залог успеха

 

Усталость - процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений, приводящий к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению.

 

Накопление повреждений начинается задолго до окончательного разрушения, протекает незаметно. Разрушение, как правило, наступает внезапно. Усталость, согласно статистике, является причиной около 80 % разрушений изделий машиностроения.

Причиной, вызвавшей начало исследований усталостной прочности, стали участившиеся в первой половине XIX века разрушения колесных пар железнодорожных вагонов.

Рис. 1. Колесная пара железнодорожных вагонов

 

В оси этой сборки возникают переменные напряжения от изгиба при вращении. На рис. 1 обозначения следующие: F - часть силы тяжести вагона; R - реакция рельса.

Начало систематическим исследованиям по проблеме усталостного разрушения было положено классическими испытаниями немецкого инженера Альберта Велера (Wohler) (годы жизни 1819 - 1914), проводившимися в 1852 — 1869 годах. Им определялась зависимость между максимальными нормальными напряжениями при симметричном изгибе и числом циклов до разрушения. Такую зависимость иногда по традиции называют кривой Велера, отмечая тем самым его вклад в изучение проблемы усталости материалов.

Количественную оценку способности материала или элемента конструкции сопротивляться усталостному разрушению дают на основе результатов усталостных испытаний. Наиболее полные сведения можно получить при проведении натурных испытаний элементов конструкций, которые позволяют учесть одновременно множество факторов: свойство материала, форму детали, ее размеры (играет роль так называемый масштабный фактор), особенность технологии изготовления и др. Такие испытания требуют специального оборудования, весьма дороги, применяются редко. Обычно проводят испытания лабораторных образцов, форма и размеры рабочей части, как правило, стандартизованы. В такого рода испытаниях определяют механические свойства материала, из которого изготавливают элемент конструкции.

1.2. Виды циклов и их параметры

Характер изменения напряжений s во времени t во многом определяется техническими возможностями имеющегося испытательного оборудования.

 

Рис. 2. Гармонический (а), треугольный (б) и трапецеидальный (в) виды циклов.

 

Циклом называют замкнутую однократную смену напряжений, проходящих непрерывный ряд значений. Время, в течение которого протекает один цикл, называется периодом.

В подавляющем числе случаев напряжение в элементах механических систем изменяется периодически. Совокупность последовательных значений напряжений за один период их изменения Т называется циклом напряжений или просто циклом.

Различают гармонический (рис. 2, а), треугольный (рис. 2, б), трапецеидальный (рис. 2, в) и другие виды циклов, а также их всевозможные сочетания, например, бигармонический - результат сложения двух гармонических с разной частотой и амплитудой. График изменения напряжений по гармоническому циклу представлен на рис. 3.

Рис.3. График изменения напряжений во времени по гармоническому циклу

 

Максимальное напряжение цикла s_тах - наибольшее по алгебраическому значению напряжение цикла.

Минимальное напряжение цикла s_min - наименьшее по алгебраическому значению напряжение цикла.

Среднее напряжение цикла s_m - постоянная составляющая цикла напряжений, равная алгебраической полусумме максимального и минимального напряжений цикла:

s_т = 0,5(s_тах + s_тin)

Амплитуда напряжений цикла s_a - наибольшее числовое положительное значение переменной составляющей цикла, равное алгебраической полуразности s_тах и s_тin:

s_а = 0,5(s_тах - s_тin)

Коэффициент асимметрии цикла напряжений R_s - отношение минимального напряжения цикла к максимальному R_s =.s_тin/s_тax. По асимметричному циклу нагружены, например, спицы велосипедного колеса. При сборке колеса спицы натягиваются напряжением s_т. При езде в той спице, которая оказалась в верхней части колеса, напряжения возросли до s_тax, а в спице на противоположной стороне уменьшились до s_тin. Через половину оборота ситуация меняется на обратную. Другой пример: автомобильная рессора при движении по ровной дороге нагружена напряжением s_т. Если колесо попадает в выбоину, напряжения падают до s_тin, а при наезде на кочку - увеличиваются до s_тax.

Наиболее употребительны при испытаниях на выносливость симметричный и отнулевой (пульсационный) циклы.

Симметричный цикл напряжений - цикл, у которого максимальное и минимальное напряжения равны по абсолютному значению, но противоположны по знаку; R_s = - 1 (рис. 4, а). Примером такого цикла может служить закон изменения напряжений в колесной паре железнодорожного вагона (рис 1). Так же изменяются напряжения в мембране динамика акустической системы.

Рис. 4. Симметричный цикл (а) и отнулевой (пульсационный) цикл (б).

Отнулевой (пульсационный) цикл напряжений - знакопостоянный цикл напряжений, изменяющихся от нуля до максимума (s_max > 0, s_min = 0, R_s = 0). или от нуля до минимума (s_max = 0, s_min < 0, R_s = ¥) (рис. 4, б). По отнулевому циклу изменяются напряжения в канале орудийного ствола при выстреле. Зуб зубчатой пары, входя в зацепление, испытывает напряжение изгиба. По выходе из зацепления напряжения в зубе падают до нуля.

Замечание: выше и далее под s понимались нормальные напряжения, но аналогичные испытания проводятся также при циклическом изменении касательных напряжений или при их одновременном изменении.

 

1.3. Кривая усталости и предел выносливости

1.3.1. Основные участки кривой усталости

Кривая усталости - график, характеризующий зависимость между максимальными напряжениями s_max или амплитудами цикла s_a и циклической долговечностью N одинаковых образцов, построенный при фиксированном среднем напряжении цикла s_m = const, или при заданном коэффициенте асимметрии цикла R_s = const.

Кривую усталости представляют как в полулогарифмических координатах (рис. 5), так и вдвойных (lg а - lg N) логарифмических координатах (реже). Благодаря особенности логарифмической шкалы на ней можно отложить циклическую долговечность, исчисляемую как единицами циклов, так десятками и сотнями миллионов без потери физической сущности явления.

Зависимость между действующими напряжениями и числом циклов до разрушения имеет вид, называемый в литературе S-образным, что обусловлено наличием на кривой усталости (рис. 5, а) двух перегибов и трех основных участков, отличающихся типом разрушения.

Характерной для усталостных испытаний особенностью является значительный разброс результатов опытов, наблюдаемый даже при тщательной подготовке к эксперимента и его выполнении. ГОСТ предусматривает испытание нескольких партий образцов (до десятка в партии) при одинаковом (в партии) уровне напряжений При этом циклическая долговечность образцов в одной партии может отличаться на порядок (т.е в десять раз). Для построения кривой усталости пользуются методами математической статистики (методика изложена в ГОСТ).

Четкую границу между участками непосредственно по опытной кривой усталости из-за разброса результатов испытаний выявить достаточно сложно. Однако изучение изменений, происходящих в металле по мере накопления усталостных повреждений, позволило сформулировать признаки, по которым можно характеризовать области кривой усталости. К числу признаков, которые можно использовать в любой заводской лаборатории, можно отнести такие, как относительное сужение сечения y (рис. 5, б), относительную площадь, занятую трещиной, длину трещины и т. п.

В пределах I участка происходит выделение и накопление односторонней деформации, приводящей к разрушению, по всем признакам аналогичному статическому растяжению. Характеристики пластичности - относительное удлинение d и относительное сужение y имеют такие же значения (а в некоторых случаях и большие), чем при статическом разрушении. Характер разрушения образца из пластичного материала такой же, как при однократном растяжении: местное сужение (шейка), излом типа конус-чашка. Из-за этого участок получил название участка (области) квазистатического разрушения.

 

 

   (в)

 

Рис. 5. Кривая усталости (а); изменение относительного остаточного сужения разрушенных образцов (б); кривые усталости стали (в) (синий цвет, виден предел выносливости) и алюминия (красный, предел выносливости неопределяем)

Смотри также