Лабораторная работа № 10

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ МАТЕРИАЛА

1. Цель работы

Ознакомление с методикой определения предела выносливости.

2. Основные теоретические положения

Характер разрушения материалов при периодически изменяющихся нагрузках существенно отличается от разрушения материалов при их статическом нагружении. Даже пластичные материалы разрушаются при циклически меняющейся нагрузке внезапно, без заметной пластической деформации. Разрушение может происходить при напряжениях, существенно меньших предела текучести. Причиной этого являются неоднородность строения материала на кристаллическом уровне (наличие зерен разной ориентации), дефекты поверхностной обработки, всевозможные концентраторы напряжений. При действии переменных многократно повторяющихся нагрузок напряжения, возникающие в зоне дефектов резко отличаются от средних значений, что приводит к появлению в этих местах микротрещин. Высокая концентрация напряжений в зоне микротрещин с течением времени способствует их развитию. Сечение в зоне микротрещины постепенно ослабляется настолько, что не выдерживает возникающих в нем напряжений и происходит разрушение элемента конструкции. Процесс постепенного накопления повреждений в материале под действием переменных напряжений, приводящих к образованию трещин и разрушению в результате их развития, называется усталостью.

Разрушение материала вследствие распространения усталостной трещины называется усталостным разрушением. Способность материала противостоять усталости называется сопротивлением усталости.

Рис. 21

Рис. 22

Механической характеристикой материала, используемой при расчетах на сопротивление усталости, является предел выносливости . Он определяется в результате испытаний на усталость.

3. Описание лабораторной установки

Наиболее распространены испытания на усталость в условиях работы образца на чистый изгиб. На рис. 21 показана схема, иллюстрирующая принцип работы машины, создающей во вращающемся образце чистый изгиб, при котором нормальные напряжения в поперечном сечении изменяются по симметричному циклу.

4. Порядок выполнения работы

Лабораторная работа вследствие длительности самого процесса испытаний на усталость имеет только демонстрационный характер. Студенты знакомятся с машинной установкой, схемой ее работы. В реальных условиях проведения испытаний изготавливается и проверяется на усталость партия образцов (не менее 10 штук) с тщательно обработанной поверхностью соответственно ГОСТу.

Каждый из образцов испытывается на машине при определенной нагрузке, постепенно снижающейся от образца к образцу до момента разрушения. Для первого образца назначается нагрузка, создающая в нем напряжения, несколько меньшие предела прочности. При этом разрушение образца произойдет при сравнительно небольшом числе циклов N. В каждом последующем образце максимальные напряжения уменьшаются, а число циклов увеличивается. Машина автоматически останавливается при разрушении образца. Число циклов (оборотов) N , после которого произошло разрушение образца, определяется по показанию счетчика циклов.

По полученным из опыта значениям величин и строится кривая Веллера (кривая усталости) в координатах .

В реальных условиях испытания ограничивают некоторым предельным числом циклов, называемым базовым циклом – базой испытаний. Для стали и чугуна базу испытаний принимают равной 10⁷ циклов.

Максимальное по абсолютной величине переменное напряжение при симметричном цикле нагружения, при котором материал еще не разрушается до базы испытания, называется пределом выносливости.

На диаграмме Веллера (рис. 22) предел выносливости определяют по ординате асимптоты для симметричного цикла.