11.3. Предел выносливости

При статических испытаниях были получены следующие характеристики материала: — предел пропорциональности, — предел текучести, и .

Теперь введем дополнительную характеристику материала, связанную с циклическим напряжением. Естественно, что эта характеристика может быть найдена только из опытов при переменных напряжениях. Наиболее распространенными являются испытания в условиях симметричного цикла. При этом обычно используют принцип чистого изгиба вращающегося образца. Схема простейшей машины для проведения испытаний изображена на рис. 11.5.

Рис. 11.5

Для проведения данных испытаний необходимо иметь не менее десяти одинаковых образцов с тем, чтобы можно было определить число циклов, которое выдерживает образец до разрушения в зависимости от заданного напряжения (Рис. 11.6)

Рис. 11.6

Примерно половина партии образцов испытывается при напряжениях, равных 0,7÷0,5 . Остальная половина партии образцов при более низких напряжениях.

Спускаясь по оси ординаты вниз, т.е. уменьшая от образца к образцу напряжение, обнаруживаем, что какая-то часть образцов, несмотря на длительность испытания, не разрушаются. Значит, при каком-то числе циклов испытания необходимо прекратить. Для черных металлов испытания прекращают при 10⁷ числе циклов, считая при этом, что дальше образец не разрушится. Для закаленных сталей и цветных материалов N=10⁸.

Таким образом, данные испытания позволяют найти — предел выносливости. Пределом выносливости называют максимальное напряжение, при котором образец не разрушается до базы испытания.

При симметричном цикле предел выносливости обозначают , для пульсационного — .

Таким образом, при циклических напряжениях появилась новая механическая характеристика материала — предел выносливости. Предел выносливости не является характеристикой только свойств материала, как, например и . Он зависит также и от метода ведения испытаний.

11.4. Диаграмма предельных амплитуд

Для построения диаграммы предельных амплитуд необходимо иметь пределы выносливости при различных значениях параметра “ ” (коэффициент асимметрии). Введение значительно усложняет эксперимент, т.к. теперь уже необходимо иметь несколько десятков образцов, каждый десяток из которых испытывается при . Задавая постоянное значение , находим путем последовательных испытаний образцов такое наибольшее значение амплитуды, при котором материал способен еще выдержать неограниченное число циклов. В результате испытаний одного десятка образцов получаем одну точку на диаграмме предельных амплитуд. Произведя испытания следующей группы образцов, мы получаем еще одну точку и т.д. (рис.11.7).

Рис. 11.7

Смысл диаграммы предельных амплитуд очевиден. Пусть цикл характеризуют напряжения и , которые будем рассматривать как координаты рабочей точки. Нанеся рабочую точку на диаграмму, мы можем судить о прочности образца. Если рабочая точка располагается ниже предельной кривой, то образец выдержит бесконечно большое число циклов (не менее базового). Если Р.Т. находится выше кривой, то образец разрушится при каком-то числе циклов, меньшем базового.

Построение диаграммы предельных амплитуд очень трудоемко, поэтому ее часто схематизируют отрезками прямых. Точка отражает соответствующее испытание образцов при симметричном цикле. Точка соответствует статическому испытанию образцов. Для хрупких материалов она определяется по пределу прочности . Для пластичных материалов ограничение может быть как по пределу текучести , так и пределу прочности .

Для построения левой части диаграммы нужна еще хотя бы одна точка, например, для пульсационного цикла, либо знать угол наклона прямой. Введем понятие углового коэффициента = . Опытами доказано, что значение углового коэффициента для углеродистых сталей лежит в пределах 0,1÷0,2 и для легированных 0,2÷0,3.

Таким образом, уравнение левой прямой имеет вид . Правая часть диаграммы аппроксимируется прямой, проходящей через точку и составляющей угол 45 с осями и

Следовательно, при схематизации диаграмма предельных амплитуд, заменяется двумя прямыми и .

Построенная диаграмма пока не позволяет рассчитывать детали на прочность, т.к. усталостная прочность зависит еще от многих факторов.