Усталость и изнашивание

Под действием циклических напряжений в металлах и сплавах зарождаются и постепенно развиваются трещины, вызывающие в конечном итоге полное разрушение детали или образца. Это разрушение особенно опасно потому, что может протекать под действием напряжений, намного меньших пределов прочности и текучести. Подсчитано, что более 80% всех случаев эксплуатационного разрушения происходит в результате циклического нагружения.

Процесс постепенного накопления напряжений в металле под действием циклических нагрузок, приводящий к изменению его свойств, образованию трещин и разрушению называют усталостью, а свойство противостоять усталости - выносливостью.

Усталостная трещина зарождается в поверхностных слоях и затем развивается вглубь образца или детали, образуя острый надрез. Распространение усталостной трещины обычно длительно. Оно продолжается до тех пор, пока сечение не окажется столь малым, что действующие в нем напряжения превысят разрушающие, тогда произойдет быстрое разрушение, как правило, хрупкое, из-за наличия острого надреза.

Задача усталостных испытаний - дать количественную оценку способности материала работать в условиях циклического нагружения без разрушения.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ

Современные методы испытаний на усталость (выносливость) разнообразны. Они отличаются характером изменения напряжений во времени, схемой нагружения (изгиб, растяжение сжатие, кручение) наличием или отсутствием концентратора напряжений. Как и другие виды, усталостные испытания проводятся при различных температурах и в разных средах. Основные требования и методика испытаний обобщены в ГОСТ 25.502 – 79.

Во время любого усталостного испытания на образец действуют циклические напряжения, непрерывно изменяющиеся по величине и часто по знаку. Типичные примеры используемых циклов напряжений показаны на рисунке 12.

Цикл напряжений - это совокупность переменных напряжений за один период их изменения. Каждый цикл характеризуется несколькими параметрами. За максимальное напряжение цикла принимают наибольшее по алгебраической величине напряжение. Минимальное напряжение цикла - наименьшее по алгебраической величине напряжение.

Циклы нагружения могут быть симметричными (кривая 1). Если же минимальное и максимальное напряжения цикла не равны по величине, то он называется ассиметричным (кривая 2 и 3). Когда напряжения меняются по величине и знаку, цикл считается знакопеременным (кривые 1 и 2), если только по величине знакопостоянными (кривая 3). Для испытаний чаще всего используют знакопеременные симметричные циклы.

Наиболее распространенная схема нагружения при усталостных испытаниях - изгиб.

Характеристики выносливости сильно зависят от размеров образца, чаще_ они значительно выше у образцов с меньшим сечением. Поэтому для получения сравнимых данных следует проводить испытания на одинаковых образцах.

Результаты усталостных испытаний очень чувствительны к качеству и состоянию поверхностного слоя образца. Следовательно, для получения воспроизводимых результатов здесь особенно необходимо соблюдение идентичности методики изготовления образцов.

Первичным результатом усталостного испытания одного образца является число циклов до разрушения (долговечность) при заданных характеристиках цикла. По результатам испытаний серии образцов могут быть определены различные характеристики выносливости. Главной из них является предел выносливости σ_R - наибольшее значение максимального напряжения цикла, при действии которого не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого или заданного, числа циклов нагружения.

Характеристики выносливости, как и другие механические свойства, зависят от условий проведения испытаний, состава и структуры металла.