Понятие усталости.
При многоцикловой усталости накопление отрицательных деформаций в материале происходит на клеточном уровне. В металлах результатом такого явления становится изменение кристаллической решетки, что приводит к зарождению микротрещин. По мере развития они принимают размеры, при которых происходит разрушение элемента конструкции.
Самый простой пример многоциклового усталостного разрушения металла – сгибание и разгибание проволоки до ее разрыва в месте изгиба.
Многоцикловая усталость.
Возникает при достаточно большом количестве циклов. Разделом малоцикловой и многоцикловой усталости условно принято считать линию, которая лежит в пределах 104-105 циклов.
Опасностью многоцикловой усталости является невозможность визуального определения начала усталостного разрушения, поскольку видимые признаки отсутствуют.
Накоплению отрицательных деформаций способствуют такие факторы, как:
- Концентраторы напряжений (отверстия, задиры, царапины и т. д.);
- Непровары и несплавления швов при сварке;
- Остаточные напряжения (от предварительного деформирования, дробеструйной обработки, холодной прокатки);
- Очаги коррозии;
- Эксплуатационная температура.
Усиливают процесс накопления отрицательных остаточных нагрузок вибрация и знакопеременные нагружения, цикличность напряжений.
Основные характеристики усталостного напряжения выглядят следующим образом:
- где: tц – период цикла;
- t – частота циклов;
- σmax – максимальное напряжение;
- σmin – минимальное напряжение;
- σа – амплитуда напряжений цикла;
- σm – среднее напряжение цикла.
Указанная схема после математических расчетов подставленных значений позволяет описать условия усталостного нагружения.
Для определения прочности и ресурса деталей конструкции проводятся их различные испытания. Среди них важное значение имеет испытание на многоцикловую усталость.
Испытания на многоцикловую усталость.
Испытания проводятся в соответствии с требованиями ГОСТ 25.502-79.
Подбор образцов.
Для испытаний предусматривается 10 типов образцов. Их подбор осуществляется в зависимости от метода испытаний. Каждому образцу соответствует своя форма и размеры, которые выбираются из табличных данных.
Так, чувствительность металла к концентрации напряжений определяется на таких образцах, как:
Рис. 1. Рабочая часть образца с V-образной кольцевой выточкой.
Размеры образцов подбираются по таблицам 1-4.
Таблица 1.
Таблица 2.
Таблица 3.
Таблица 4.
Рис. 2. Рабочая часть с симметричными боковыми надрезами V-образного профиля.
Для определения размеров образца используется таблица 5.
Таблица 5.
При испытании других параметров (растяжение-сжатие, кручение и т. д.) используются другие по форме и размерам образцы. Их описание закреплено настоящим стандартом.
Рабочая часть образцов обрабатывается по точности не ниже 7-го квалитета (ГОСТ 25347-82), а параметр шероховатости должен находиться в пределах 0,32-0,16 мкм (ГОСТ 2789-73).
Рабочую поверхность измеряют с погрешностью 0,01 мм.
Испытательное оборудование.
Испытательные машины должны обеспечивать нагружение образца по определенным ГОСТ 25.502-79 схемам и соответствовать требованиям ГОСТ 1497-84. К машинам предъявляются жесткие требования к погрешности измерений (см. ГОСТ 25.502-79 гл. «Аппаратура»).
Для измерения размеров образцов служат микрометры и штангенциркули.
Для измерения деформации образцов в процессе испытания применяются тензометрические средства.
Числовые значения нагрузок и деформаций регистрируются самопишущими приборами испытательных машин.
Процесс испытаний.
Для проведения испытания подготавливается 15 одинаковых образцов.
Образец фиксируется в захватах испытательной машины. Задается программа испытаний. Например, для определения предела выносливости база испытаний устанавливается на проведение 10*106 циклов для металлов с горизонтальным участком на кривой усталости или 100*106 циклов для металлов, ординаты кривых усталости которых по всей длине непрерывно уменьшаются с ростом числа циклов.
Частота циклов выбирается от 10 до 300 Гц при испытании в обычных условиях (температура в лаборатории 10-35° C, температура рабочей части образца не более 50° C), если другие условия не оговорены в НТД.
После приложения нагрузки образец испытывается до его полного разрушения или до возникновения трещины заданных размеров.
После проведения испытания полученные данные обрабатываются математическим путем с построением необходимых диаграмм.
Результат испытаний фиксируется в протоколе.
