Усталость металлов и сплавов

Тема 8. Усталость металлов и сплавов

Вопросы по теме 8:

8.1. Понятие об усталости. Общие положения.

8.2. Характеристики сопротивления усталости. Проведение испытаний.

8.3. Влияние различных факторов на сопротивление усталости.

8.4. Стадии усталостного разрушения. Фрактографические особенности усталостных изломов.

8.5. Влияние структурных факторов на сопротивление усталости. Пути повышения усталостной прочности сталей и сплавов.

8.1. Понятие об усталости. Общие положения.

        Усталостью называют разрушение под действием циклически повторяющегося напряжения, много меньшего предела текучести. Термин «усталость» впервые был введен в 1839 году французским инженером Понселе, который отмечал снижение прочности чугунных и стальных конструкций при периодическом воздействии растягивающих и сжимающих напряжений.

        Деталями, которые традиционно разрушаются от усталости, являются все узлы подвижного железнодорожного состава: вагонные рамы, оси колеса, сцепки, а также железнодорожные рельсы. Усталостному разрушению подвержены валы двигателей, валы-шестерни, компрессорные лопатки и т.п. Иногда проявление усталости является неожиданным. Так, по причине усталости разрушаются провода высоковольтных ЛЭП из-за раскачивания их ветром.

        До этого, мы всегда имели дело с монотонным нагружением. Для характеристики напряжений при циклическом (усталостном) нагружении недостаточно знать только σmax. В данном случае не менее важным является то, как изменяется напряжение за цикл нагружения. Циклом нагружения называют множество значений напряжения за один период его изменения (Т). Параметрами цикла нагружения являются: максимальное напряжение цикла, σmax; минимальное напряжение цикла, σmin; коэффициент асимметрии цикла, R = σmin / σmax; среднее напряжение цикла, σm = ½ (σmax + σmin) и амплитуда цикла, то есть максимальное отклонение от среднего, σa = ½ (σmax - σmin). В графическом виде все эти параметры показаны на рисунке 8.1.

[pic 1]

Рисунок 8.1. Цикл нагружения и его характеристики:

Для полного описания цикла нагружения из этих 5 характеристик достаточно знать любые 2, остальные достаточно просто рассчитать.

        Наиболее часто в лабораторной практике встречаются симметричный и отнулевой положительный циклы. При симметричном цикле σmin = -σmax и тогда R = -1, σm = 0, а  σa = σmax. Такой цикл наиболее легко создать и поддерживать во время испытаний, поэтому он очень популярен у механиков.

        При отнулевом положительном цикле: σmin = 0, тогда R = 0, σm = σa = 1/2 σmax.Такой цикл наиболее часто используют металловеды, поскольку при таком цикле влияние структуры наиболее значительно, а, кроме того, важным является сохранение микрорельефа поверхности разрушения с возможностью ее последующего изучения с помощью сканирующего электронного микроскопа.

8.2. Характеристики сопротивления усталости. Проведение испытаний.

        Проведение испытаний на усталость регламентируют ГОСТ 25.502-79 и ГОСТ 25.504-82.

Оборудованием для усталостных испытаний являются специальные усталостные машины, которые отличаются большим разнообразием. По характеру нагрузок их делят на: машины на растяжение-сжатие, на изгиб, на кручение, для испытаний повторными ударами, для испытаний в условиях сложного напряженного состояния, для испытаний на контактную выносливость. В пределах каждого из указанных типов возможно дополнительное деление в зависимости от конструкции нагружающих механизмов на: машины с нагружением непосредственно грузами, машины с рычажными устройствами, машины с кривошипными или кулачковыми механизмами, машины с гидравлическим, пневматическим и электромагнитным нагружением. Самыми прогрессивными безусловно, являются машины с электромагнитным нагружением, которые могут обеспечивать нагружение с частотой в несколько десятков килогерц и таким образом, позволяют проводить не только мегацикловые, но и гигацикловые испытания.