Предел выносливости металла.
Предел выносливости металла не является постоянной величиной, поскольку зависит от множества факторов.
На величину предела выносливости металлов существенное влияние оказывают:
- Природа металла;
- Неоднородность металла;
- Характер обработки;
- Состояние поверхности;
- Условия эксплуатации;
- Размеры изделия;
- Циклические нагружения.
От природы металла зависит предел его выносливости. Например, стальные детали способны выдерживать до 10 млн. циклов нагрузки, а изделия из сплавов и цветных металлов до 20-100 млн.
Говоря о неоднородности металла следует иметь в виду наличие в нем микро-и макротрещин, неметаллических включений, газовых пузырей, раковин, пустот, которые являются концентраторами местных напряжений.
При обработке металлов резанием на поверхности возникают риски, царапины, следы режущего инструмента. Готовые детали имеют отверстия, канавки для шпонок, различные технологические надрезы. Все эти изъяны являются концентраторами напряжений. Для уменьшения их отрицательного воздействия проводят обработку поверхности шлифованием и полированием.
На графике 1 показан результат обработки поверхности металла, где: 1 – полирование; 2 – шлифование; 3 – обточка; 4 – прокатка; 5 – коррозионный предел при испытаниях в воде.
Увеличивают предел выносливости дробеструйная обработка, обкатка роликами (создание наклепа). Такая обработка увеличивает предел выносливости в два-три раза (см. рис. 1).
Многочисленные научные исследования подтвердили ослабленность предела выносливости металла при наличии в нем концентраторов напряжений.
Концентраторы напряжений.
Уменьшение предела выносливости зависит от вида и марки металла, степени его обработки. Так, в зависимости от шероховатости предел выносливости для некоторых сталей выглядит так (см. табл. 1):
Таблица 1.
Помимо наличия концентраторов напряжений на выносливость металла большое влияние оказывают размеры изделия. Так, увеличение диаметра детали вызывает снижение выносливости, соответственно уменьшение ее предела.
Предел выносливости – важнейшее свойство металлов.
Предел выносливости материала является одной из важных прочностных характеристик, знание значения которой позволяет определить надёжность, прочность и эксплуатационные способности детали и конструкции в целом.
Большая часть элементов любой конструкции работает при меняющихся и знакопеременных нагрузках. Например, шатуны двигателей внутреннего сгорания, рессоры, оси вагонов, различные валы и т. д. В таких условиях важное значение приобретают вопросы правильного выбора и обработки металлов. Такой подход позволяет избежать аварийных ситуаций и обеспечить надежность эксплуатации и длительный ресурс службы узлов и деталей.
Предел выносливости показывает значения напряжений, при котором происходит разрушение металла.
При исследовании явления предела выносливости определяется кривая усталости металла, которая позволяет судить о выдерживаемых прикладываемым напряжениях (см. график 2).
График 2.
Основной причиной отказа деталей работающих в условиях переменных нагрузок является усталость металла. Она характеризуется образованием микротрещин, постепенно проникающих вглубь изделия. Переменные напряжения способствуют развитию этого процесса. В результате происходит ослабление сопротивления металла, которое в определенный момент достигает своего критического значения, при котором происходит разрушение.
С целью исключения подобной ситуации помимо исследований проводятся испытания металла на предел выносливости.
Испытания.
Для проведения испытаний необходимо провести цикл нагрузок и замеров, для которых берётся 12-20 одинаковых образцов. Далее проводится серия нагружений: на растяжение, сжатие, кручение, изгиб.
Перед началом испытаний вычисляется первичная нагрузка Q в зависимости от размеров образца. Далее образец фиксируется в шпиндельных головках испытательной машины, устанавливается индикатор и запускается двигатель.
Испытание продолжается до разрушения образца, после чего считываются показания счетчика циклов.
Затем устанавливается новый образец, устанавливается очередная ступень нагрузки и испытание повторяется.
Число циклов, до которого проводится испытание, называется базой испытания. Для стали и чугуна базовое число циклов принимают равным 107.
По результам проведенных испытаний строится кривая усталости (кривая Вёлера).
Кривая Вёлера (кривая усталости).
Числовое значение базы испытаний показывает максимальное значение напряжения цикла, при котором образец не разрушается. Это значение является пределом выносливости.
Практическое применение амплитуд диаграммы заключается в том, что, если рабочая точка располагается под кривой усталости, то образец выдерживает неограниченное количество циклов, если над кривой – ограниченное.
На примере испытания при высоких температурах образцов никелевого жаропрочного сплава ЖС32У получены следующие значения предела выносливости (см. табл. 2).
Таблица 2.
Знание предела выносливости позволяет правильно выбрать металл для изготовления деталей и узлов конструкции в свете их безопасной эксплуатации.
Меры повышения выносливости.
С целью повышения выносливости (прочности) металла инженеры-конструкторы принимают множество различных мер. Наиболее эффективными из них считаются:
- Выбор металла с повышенной прочностью (легированная сталь, титан);
- Упрочнение поверхности изделия (термообработка, азотирование, шлифование, полирование, гальваническая обработка, накатка);
- Нанесение на поверхность защитного слоя (цинка, хрома, никеля);
- Рационализация (усовершенствование) конструкции (увеличение радиуса скруглений, устранение концентраторов напряжений);
- Обеспечение постоянной затяжки резьбового крепежа в процессе работы.
Ученые разрабатывают новые способы повышения прочности материалов – получение сплавов с высокой конструктивной прочностью путем равномерного распределения высокодисперсных частиц упрочняющей фазы, создание новых материалов с заданными прочностными характеристиками.