книги / Циклическая прочность металлов

Динамические напряжения, напряжения, нормальные и каса­ тельные, возникающие в элементах машин и конструкций под действием циклических нагрузок, называются напряжениями

циклическими или повторно-переменными.					они
Когда такие напряжения меняют свою величину и знак,
называются	также	вибрационными	напряжениями; когда		же*
они меняют	только	свою величину,	оставаясь	однозначными,,
то называются иногда пульсирующими напряжениями.
Однократный переход напряжения от наибольшего его значе­
ния (сгт ах,	Ттах) К	наименьшему (Omin, Тт1п)		и обратно	при

t V	b	W	О)
{ г и	т	г г л 1	Ш Х А
			6)

г)

Фиг. 13. Графики			циклических на­	Фиг. 14. Виды циклов напряжений
грузок,		наиболее	часто встречаю­	при циклическом загружении кон­
		щихся в практике.		струкций.
установившемся			циклическом	нагружении конструкции	назы­
вают	циклом напряжения.
Различают симметричный цикл, когда крайние значения на­
пряжений (сгт ах,			ттах и от1п, Тт1п) равны по абсолютной		вели­
чине	и	обратны	по знаку (фиг. 14, а), и несимметричный		цикл

напряжения, когда эти крайние значения не равны по своей вели­ чине. Несимметричные циклы напряжений могут быть и знако­ переменные, и знакопостоянные или пульсирующие (фиг. 14, бив).

Характеристиками всякого цикла напряжений, и симметрич­

ного и несимметричного, являются такие		величины:
амплитуда цикла			Оглах — Amin
			2
среднее напряжение цикла		СГСр —	Отах~ЬОт1п
			2
размах цикла	•	2 oa = ат ах — Omin.

коэффициент асимметрии цикла, или, иначе, коэффициент амплитуды цикла (г),.

т.	е. г	amax или г =	Tmin
			ТГтах

Этот коэффициент применяется в практике для харак­ теристики изменения напряжений за один цикл. Очевидно, что для всякого симметричного цикла напряжений г = —1.

Общее уравнение циклического напряжения, дающее воз­ можность определить величину последнего в любой момент вре­ мени, обыкновенно записывают так:

а = С Г с р + ?а / (t),

где / (t) — множитель, определяющий зависимость изменения амплитуды напряжения от времени.

Когда изменение напряжения за один цикл происходит по синусоидальному (гармоническому) закону и когда поэтому

f(t) = sin (со * + ф),

то записанное выше общее уравнение циклического напряжения принимает вид

о = аср + оаsin (со t + ср),

где со — частота циклов; Ф — угол, определяющий начальную фазу.

Аналогичные характеристики могут иметь и циклы касатель­ ных напряжений.

Для суждения о долговечности различных элементов машин и инженерных конструкций, работающих на циклические на­ грузки, ниже приводятся приблизительные (средние) количества циклов напряжений, которые приходится им испытывать в тече­

ние своего нормального срока		службы:	Число циклов
вагонные оси		. .	50 •10е
коленчатые валы авиационных двигателей .			18 •6е
коленчатые валы автомобильных двигателей			120-10®
железнодорожные рельсы	. .		15	•10®
оси железнодорожных локомотивов			400 •10®
поршневые штоки, шатуны			1 000	•10®
валы паровых турбин			15 000	•10®

При *изучении случаев разрушения различных элементов машин и инженерных конструкций под действием циклических внешних сил при напряжениях, меньших предела проч­ ности или даже меньших предела текучести материала, было обнаружено, что эти разрушения во всех случаях сопровождаются предварительным появлением в разрушающемся элементе тре­ щины (одной или нескольких), сначала весьма малой, визуально часто незаметной, но постепенно, по мере работы конструкции, все увеличивающейся.

Процесс постепенного снижения прочности материала кон­ струкции вследствие появления и прогрессивного развития в нем трещины (одной или нескольких) под действием циклических нагрузок называют усталостью этого материала, а разру­

шение конструкций в результате этого процесса называют

усталостным разрушением.

В последнее время для суждения о циклической (усталостной) прочности материалов часто стали применять термин выносли­ вость материалов, понимая под этим способность их сопроти­ вляться, не разрушаясь, действию различных циклических нагру­ зок. Термин этот, как очевидно, более правильно характеризует

физическую	сущность данного		явления.	элемента
Опытами	установлено,	что	срок службы ^каждого
инженерной	конструкции	или	машины в условиях	цикличе­

ских нагрузок, определяемый числом циклов напряжений, иначе выносливость этого элемента, зависит от величины наибольшего напряжения цикла. Чем больше абсолютная величина этого напряжения, испытываемая элементом конструкции или ма­ шины, тем меньшее число циклов напряжений может выдержать этот элемент, т. е. тем скорее может наступить его усталостное разрушение. Уменьшение величины напряжения цикла, наобо­ рот, увеличивает число циклов напряжений до его разрушения.

То наибольшее по абсолютной величине напряжение в мате­ риале конструкции, нормальное или касательное, при котором и ниже которого эта конструкция не разрушается даже при не­ ограниченно большом числе циклов, называют пределом цикли­ ческой прочности, или пределом усталостной прочности, или, короче, пределом выносливости, или пределом усталости г.

Этот предел обозначают по-разному: оу, ok, aw, aD и т. д,

а при симметричном цикле напряжений O—i.

Предел усталости принимают за механическую характери­ стику прочности материалов, определяющую способность их сопротивляться циклическим нагрузкам.

Явление усталостного разрушения стальных элементов машин и инженерных конструкций отличается от обыкновенного ста­ тического разрушения их; это отличие заключается и в продол­ жительности процесса этих разрушений, и в их визуальной картине.

Как известно, статическое разрушение элемента машины или инженерной конструкции является всегда следствием действия сравнительно больших по величине нагрузок, которые в пластич­ ных металлах вызывают напряжения, превышающие предел текучести; в хрупких материалах эти напряжения должны соот­ ветствовать пределу прочности. Процесс такого разрушения всегда сопровождается появлением заметных и постепенно уве­ личивающихся пластических деформаций (удлинений, прогибов и т. д.); он длится сравнительно продолжительное время, позво­ ляя в большинстве случаев своевременно принять соответствую­ щие предохранительные меры.1

1 В дальнейшем принят везде для краткости термин «предел усталости» с обозначением его о у .

Усталостное разрушение, наоборот, происходит не при повы­ шенных напряжениях, а чаще при обыкновенных рабочих напря­ жениях, т. е. при тех по величине напряжениях, нормальных и касательных, которые действовали при повседневной эксплуа­ тации разрушившегося элемента машины или конструкции. Разрушение это в виде nojfHoro излома элемента или в виде появления на поверхности его трещины, делающей этот элемент уже негодным к дальнейшей эксплуатации, происходит как бы внезапно, чаще без каких-либо предварительных визуальных признаков; ниже будет указано, что процесс усталостного раз­ рушения в виде начального зарождения и постепенного развития трещины усталости (одной или нескольких) является также длительным процессом, но этот процесс обычно происходит скрыто, визуально незаметно для окружающих и, оканчиваясь на последней своей стадии разрушением, создает для окружаю­ щих впечатление внезапности и неожиданности такого разрушения.

Усталостное разрушение не сопровождается обычно внеш­

ними признаками какой-либо	пластической деформации даже
у самых пластичных металлов	и носит локальный характер;

оно происходит в каком-нибудь одном сечении конструкции или в нескольких, но независимых одно от другого сечениях ее, там именно, где усталостная трещина под действием циклических нагрузок развилась настолько, что уменьшила это сечение до размеров, не могущих воспринимать уже обычные эксплуата­ ционные нагрузки; весьма важно подчеркнуть еще, что усталост­ ное разрушение в этом сечении (или в этих сечениях) конструк­ ции происходит без изменения свойств металла в остальном объеме ее.

Рентгенографические и металлографические исследования по­ казывают, что механизмы статических разрушений и усталостных разрушений металлов имеют одинаковую природу. В том и дру­ гом случае происходят сдвиги в кристаллитах (зернах) и иска­ жения их решеток, но распространение этих пластических сдви­ гов, сопровождающее разрушение кристаллитов, происходит при статических разрушениях в подробностях иначе, чем при уста­ лостных разрушениях.

При статических разрушениях пластические сдвиги имеют все одно направление и охватывают более или менее равномерно большинство кристаллитов. При усталостных разрушениях такие

сдвиги имеют	разные направления и сосредоточиваются	лишь
в отдельных	кристаллитах, располагаясь неравномерно	даже

вэтих пределах.

Микроструктура отожженного железа (х1400) после стати­ ческого разрыва показана на фиг. 15, а и после усталостного раз­ рушения на фиг. 15, б.

Это обстоятельство позволяет заключить, что статическая проч­ ность металлов является функцией полного (суммарного) сопро - тивления деформированию и разрушению всех кристаллитов

44

поверхность зоны усталостного разрушения будет более обмята и истерта, принимает более гладкий и даже блестящий внешний

вид, резко отличаясь по своему строению от вида зоны статиче­ ского разрушения.

Когда же фактические напряжения действующих грузовых циклов в материале были большие, значительно превосходящие предел усталости этого материала, то весь процесс усталостного разрушения длился сравнительно недолго, трещина усталости развивалась быстро, само разрушение произошло после неболь­ шого числа грузовых циклов, не успевших значительно обмять и сгладить поверхность зоны усталостного разрушения; вследствие этого различие в строении между зоной усталостного разрушения

изоной статического разрушения в этом случае будет менее резким.

Внекоторых исключительных случаях, когда циклические

напряжения в металле особенно велики, процесс развития трещи­ ны усталости может идти так быстро, что кратковременное трение щек трещины не успевает дать своих результатов, и поверхность излома в этом случае может иметь только одну зону крупнозер­ нистого характера.

Зона усталостного разрушения во всех случаях действия циклических нагрузок развивается до тех пор, пока оставшаяся неповрежденная часть сечения элемента может выдерживать действующие нагрузки. Когда же эта оставшаяся неповрежденная часть сечения сделается настолько малой по своей площади, что не в состоянии будет дальше сопротивляться внешним дей­ ствующим на элемент силам (с учетом возможной и обязательной здесь концентрации напряжений), то наступает окончательный излом данного элемента, и этот излом будет характеризоваться второй своей зоной, т. е. зоной статического разрушения.

При усталостном разрушении элемента машины или инженер­ ной конструкции, работавшего при небольших перегрузках срав­ нительно с пределом усталости материала, зона усталостного раз­ рушения в изломе занимает большую площадь сечения, а зона статического разрушения будет относительно невелика. Наоборот, при разрушении элемента, работавшего при больших перегрузках, зона статического разрушения в изломе будет занимать большую площадь сечения, а зона усталостного разрушения будет по пло­ щади небольшая; такая же картина будет в большинстве случаев и при преждевременном усталостном разрушении, вызванном каким-либо случайным локальным повреждением поверхности или структуры элемента при высоком коэффициенте концентрации

напряжений.

Поэтому но внешней картине усталостного излома, а именно по величине зоны усталостного разрушения и зоны статического раз­ рушения, по строению и виду этих зон можно с большой степенью достоверности судить о характере и величине тех циклических на­ грузок, под действием которых работал элемент до своего разруше­ ния. Правда, картина излома описана здесь несколько схематиче-