Усталость и выносливость металлов

Процесс постепенного накопления повреждений в металле под длительным воздействием повторных или повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению, называют усталостью. Важнейшей особенностью этого процесса является то обстоятельство, что он развивается при напряжениях,   значительно меньших (в два и более раз), чем временное сопротивление σ_в, которое является мерой прочности при статическом напряжении. Важно также, что разрушение в результате усталости во многих случаях не сопровождается заметной макродеформацией образца или детали, поэтому такое разрушение чрезвычайно трудно предупредить.

Свойство металла выдерживать повторно-переменные нагрузки, т. е. сопротивляться усталости, называют выносливостью.

Совокупность последовательных значений переменных напряжений за один период процесса их изменения называют циклом напряжений. Период Т — это продолжительность одного цикла (Рис. 1). Напряжения цикла выражают уравнением

σ = σ_m+ σ_af(τ),                                                              (1)

где σ_m - среднее напряжение цикла; σ_a - амплитуда цикла; f(τ) - непрерывная периодическая функция, определяющая форму цикла во времени и изменяющаяся в пределах от -1 до +1.

Максимальное напряжение цикла σ_макс — это наибольшее по алгебраической величине напряжение, а минимальное σ_мин - наименьшее по алгебраической величине напряжение цикла. Максимальное напряжение равно алгебраической сумме среднего напряжения и амплитуды, а минимальное — их алгебраической разности:

σ_макс = σ_m + σ_a;  σ_мин = σ_m - σ_a                                 (2)

Алгебраическую разность между максимальным и минимальным напряжениями называют размахом напряжений цикла:

2σ_a  = σ_макс - σ_мин                                                       (3)         

Размах напряжений, таким образом, равен удвоенной амплитуде.

   Рис. 1. К определению понятия о цикле напряжений

 Важной характеристикой цикла является коэффициент асимметрии R, который равен алгебраическому отношению минимального напряжения цикла к макси мальному:

R = σ_мин / σ_макс                                                         (4)

Если максимальное напряжение цикла равно по абсолютной величине минимальному, то цикл называют симметричным, a R = - 1; если σ_мин  и σ_макс не равны по величине, то цикл асимметричный.

Функцию f(т) в формуле (1) обычно аппроксимируют синусоидой, поскольку форма цикла, как правило, практически не влияют на результаты усталостных испытаний.

Испытание на усталость (ГОСТ 25502) проводят для определе­ния предела выносливости, под которым понимают наибольшее значение максимального напряжения цикла, при действии кото­рою не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого или заданного числа циклов нагружения N. Предел выносливости обозначают σ_R — коэффициент асимметрии цикла, а при симметричном цикле σ_-1.

Предел выносливости определяют на вращающемся образце (гладком или с надрезом) с приложением изгибающей нагрузки по симметричному циклу (Рис. 2). Для определения используют не менее десяти образцов, чаще диаметром 7,5 мм. Каждый образец испытывают только на одном уровне напряжений до разрушения или до базового числа циклов N. По результатам испытания от- дельных образцов строят кривые усталости в полулогарифмичес­ких или логарифмических координатах (Рис. 3).

С уменьшением σ_макс долговечность возрастает. Горизонтальный участок на кривой усталости, отвечающий максимальному напряжению σ_макс, не вызывающему разрушения при бесконеч­ном большом числе циклов N, соответствует пределу выносливости  σ_R (см. Рис. 3, кривая 1).

 Рис. 2. Схема испытания на усталость (а) и соответствующих циклических
изменений напряжений во времени при симметричном цикле (σ_макс = - σ_мин) (б)

Рис. 3 Вид кривых усталости в координатах «σ_макc –N» (а) и «ln σ_макc - ln N» (б)

 Многие металлы (обыч­но цветные металлы и их сплавы) не имеют горизонтального участка на кривой усталости. В этом случае определяют ограниченный предел выносливости — наибольшее напряжение, кото­рое выдерживает металл (сплав) в течение заданного числа циклов нагружения.

База испытания N должна быть не ниже 10 - 10⁶ циклов для стали и 100 - 10⁶ циклов для легких сплавов и других цветных металлов, не имеющих горизонтального участка на кривой усталости (см. Рис. 3, кривая 2).

Если образование трещин или полное разрушение происходит при числе циклов до 5^.10⁴, такая усталость называется малоцикловой, при большем числе циклов — многоцикловой. Малоцикловая усталость имеет большое значение для оценки прочности штампованного инструмента, деталей самолета, сосудов высокого давления, узлов космических кораблей и др.

Предел выносливости снижается при наличии концентраторов напряжений. Чувствительность к концентраторам напряжении при симметричном цикле нагружения определяется эффективным коэффициентом концентрации напряжений к_σ = σ_-1 / σ_-1к, где σ_-1 и σ_-1к - пределы выносливости образцов гладкого и с надрезом (с концентратором напряжений).

Чем больше размер образца (изделия), тем больше в нем [им личных дефектов (неметаллических включений, субмикроскопических трещин и др.) и запас упругой энергии, что облегчает образование и развитие усталостных трещин и снижает σ_R  (влияние масштабного фактора).

Коррозия снижает предел выносливости σ_-1  на 50...60% и более.

Между пределом выносливости σ_-1 и временным сопротивлением σ_в существует определенная связь. Для многих сталей отношение σ_-1 / σ_b примерно равно 0,5, для медных сплавов - 0,3...0,5 и для алюми­ниевых - 0,25...0,4. Поэтому, зная σ_в, можно ориентировочно оп­ределить σ_-1, но учитывая, что при высоком значении σ_в отноше­ние σ_-1 / σ_b снижается.

При этом следует иметь в виду, что с повышением прочности σ_в значение σ_-1 возрастает за счет увеличения сопротивления зарож­дения трещины усталости. С увеличением предела текучести σ_0,2 снижается пластичность, что затрудняет релаксацию напряжений у вершины трещины и ускоряет ее развитие.

В целом с повышением прочности (понижением пластичности) возрастает чувствительность металла к концентраторам напряже­ний. Поэтому высокопрочные сплавы могут иметь более низкий σ_-1, чем менее прочные.