строение (557054), страница 36
Текст из файла (страница 36)
На рнс. 74 представлены два типа кривых. Для материала типа 1 можно наблюдать участок кривой, близкнй к горизонтальному, Это значит, что прн напряжениях ниже этого уровня Разрушение материала не наступит прн испытаниях любой продолжительности. Напряжение, соответетвующее горизонтальному участку кривой, называют пределом усталости. Наличие горизонтального участка характерно для многих сталей. Для большинства цветных сплавов характерно поведение, описываемой кРивой 2, когда имеет место непрерывное понижение кривой с уменьшением воздействующего напряжения. Для таких материалов предел усталости (предел выносливости) определяется как напряжение, которое приводит к разрушению после определенного числа циклов (обычно 10'...
10' циклов). Применительно к конструкциям летательных аппаратов, испытывающих сравнительно небольшое число больших перегрузок, возникло понятие статической выносливости (малоцнкловая усталость). Таким образом, кривые статической выносливости представляют собой левую верхнюю часть кривых усталости, когда рассматривается сравнмтельно небольшое число цнклов нагружения (~, 5 10' циклов) и большой уровень действующих максимальных напряжений. Характер снижения прочности прн циклическом действии нагрузок зависит от многих факторов, которые условно подразделяются на конструктивные, металлургические, технологические н эксплуатационные.
К конструктивным относятся размеры детали, форма и размеры концентраторов напряжений. К металлургическим факторам относятся структурные изменения. Технологические факторы отражают влияние состояния поверхностных слоев — чистоту поверхности, наличие сжимающих илн растягивающих напряжений вблизи поверхности н т. д. Эксплуатационные условия, такие как характер нагруження, температура, агрессивная среда н др., также оказывают значительное действие на разрушение.
усталостное разрушение происходит, когда под воздействием приложенного напряжения в металле возникает н развивается трещина. Рост трещины совершается в течение большей части времени испытаний на усталость. После окончательного разрушения излом имеет две характерные зоны: одна ссютветствует периоду роста троицы, а вторая с более зернистой поверхностью, относятся к последнему периоду разрушения. На ранних стаднях усталостных испытаний вследствие движения дислокаций на поверхности образуется сетка полос скольжения, а после 5 )о полной продолжительности нспытаний на поверх- Рнс. 99. Обре»о»анне эиструэий (21 н ннтруэнй (/1 прн усталостя Рнс. 91. Схема уствлостпого рва»уже.
пня: 1 стадяя — нвнопление поврежде- яяй; 11 стадия — распространенн» тре. п(иям; П! стадяя — долом» Рнс. 92. Зависимость роста тре. щним от амплнтудм напряжений для раалнчнмх материалов. /р рь(/й/ ности возникают так называемые «устой- чивые полосы скольжения», растущие в / глубину и фактически являющиеся зародышами будущих трещин. Удаление полос скольжения после некоторого времени работы увеличивает выносливость материала. //9 / г "с' Изучение полос скольжения показы- /Г // л» /Г~ (рй// вает, что иа них образуются небольшие и очень тонкие выступы (экструзии), как бы выдавленные из металла полосы, а также тонкие впадины (интрузии), распространяющиеся от поверхности в глубь образца (рис. 90), В вершинах интрузиоииых впадин возникают усталостные трещины, которые при продолжении испытаний распространяются вдоль полос скольжения.
Таким образом, витрувия может расти и привести к усталостному разрушению путем распространения макротрещииы. Кривые усталости характеризуют конечную стадию разрушения и ие дают представления о процессах, предшествующих разрушению. Для анализа процессов применяют обобщенную диаграмму усталости, учитывающую все стадии усталости от стадии накопления повреждений и распространения трещины до стадии долома (рис. 91), Стадия распространения трещины определяет живучесть материала. При наличии большого числа циклов, характеризующих развитие трещины усталости, можно надеяться иа большую живучесть материала, его высокую надежность. При большой живучести скорость роста трещины усталости (СРТУ) мала и ее можно заранее обнаружить дефектоскопией. Рост трещины определяется одним из следующих факторов: накоплением очагов повреждения перед распространяющейся трещиной; накоплением пластической деформации в области перед !50 вершиной трещины.
Предполагается, что второй механизм преобладает в пластичных материалах при больших напряжениях. Важной характеристикой выносливости материала является скорость роста трещины при усталости (СРТУ), которую часто определяют в условиях малоцикловой усталости. В этом случае фиксируют величину приращения длины трещины (Й) с увеличением числа циклов (д/(/) и строят зависимость б1Н/(/ от относительной величины амплитуды колебаний напряжений в цикле (ЛК).
В этом случае получают диаграммы усталостиого разрушения материалов, по которым можно сделать заключение о трещиностойкости данного материала (рис. 92). Величина К, характеризует величину напряжений, ниже которых трещины не развиваются при заданном числе циклов. Критический коэффициент интенсивности напряжений Кв называется циклической вязкостью разрушения.
Теория развития усталостных трещин довольно сложна, однако, принято считать, что скорость распространения усталостной трещины выражается следующим образом: (1110/(/ = КС",' где /(/— число циклов; 1 — расстояние, на которое переместилась трещина; С вЂ” половина длины центральной трещины; К вЂ” постоянная, зависящая от величины напряжения и вида сплава; и — величина, изменяющаяся от 1 до 3. Все высокопрочные материалы из-за малой пластичности имеют низкое сопротивление распространению трещины и поэтому предел выносливости у иих не намного выше, чем у материала с низкой прочностью. Так, у алюминиевых сплавов предел усталости удалось повысить менее чем иа 50 о/1, в то время как прочность за счет легирования и термообработки повышена более чем иа 300%.
Таким образом, рост склонности к хрупкому разрушению ограничивает использование высокопрочных материалов, кроме композиционных материалов, имеющих очень высокое сопротивление распространению трещин. Если сравнить предел усталости композиционного материала иа алюминиевой основе с пределом усталости компактного алюминиевого сплава, то у композиционного он выше в несколько раз. Число циклов до разрушения зависит от окружающей среды.
При уменьшении давления воздуха число циклов до разрушения может увеличиваться на порядок. Зарождение трещины в вакууме требует столько же времени, как и на воздухе, однако ее распространение в вакууме происходит медленнее из-за адсорбции кислорода на поверхности трещины и соответственно понижении поверхностной энергии. Более опасной является коррозионная среда. Так, в морской воде предел усталости углеродистых и некоторых легированных сталей понижается в 3 ... 6 раз.
Такое явление носит название коррозиоиной усталости. Чем агрессивнее коррозионная среда и чем Меньше коррозионная устойчивость материалов, тем сильнее по- ннжается предел выносливости, причем с увеличением длительности испытаний влияние среды усиливается. Мало((иклоб>зя убулалосспь. Разрушение при малом числе циклов нагружения возникает в условиях развитых пластических деформаций в макрообъемах. Можно характеризовать величину пластических деформаций с помощью петли гистерезиса, выражающей связь между напряжением и деформацией в течение цикла нагружения и цикла разгрузки. Ширина петли гистерезиса является важной характеристикой циклического деформирования. Уменьшение ширины петли с числом циклов свойственно циклически упрочняющимся материалам, а ее увеличение характерно для циклически разупрочняющихся.
Циклически стабильные материалы имеют постоянную ширину петли. Такое деление условное, поскольку изменение ширины петли зависит от внешних условий и числа циклов нагружения. Помимо петли гистерезиса можно характеризовать поведение материала кривой накопленной (с числом циклов) деформации. При мягком нагружении различают два типа разрушения: усталостное и квазистатическое. Усталостное разрушение связано с накоплением усталостных повреждений и сопровождается образованием трещин усталости и малой пластической деформацией.
Квази'статнческое разрушение связано с накоплением пластической деформации до уровня, соответствующего разрушающей деформации. Этот тип разрушения встречаегся у разупрочняющихся и стабильных материалов. Для упрочняющнхся материалов характерно разрушение от усталости. В зависимости от условий эксплуатации процесс усталостного разрушения определяется амплитудой деформации или изменением величины нагрузки. По результатам испытаний можно построить зависимости между деформацией и числом циклов.
Для оценки малоцикловой усталости используют величину отношения (у „/(у„ где о „вЂ” максимальное напряжение цикла, вызывающее разрушение через 1>/ циклов. В большинстве случаев разрушение при усталости происходит в местах концентрации напряжений. Такими концентраторами напряжений могут быть отверстия, радиусы переходов, а также структурные несовершенства (включения, поры, границы зерен). Предотвращение разрушений из-за действия концентраторов напряжений как конструктивных, так и технологических, является важной проблемой в машиностроении.
Как и для случая статических испытаний, чувствительность к надрезу оценивается отношением работоспособности образцов с надрезом к работоспособности образцов без надреза. Отношение предела усталости образца без надреза к пределу усталости образца с надрезом называют эффективным коэффициентом концентрации напряжений (К>). Если принять за К, — отношение максимального напряжения вблизи надреза к среднему напряжению, то равенство К> и К, означает условие зарождения усталостной трещины от действия максималъ. бязи, МС/б Мг г(зу сс ссс г(> л> м ю' Рис. 93. Эпюры наяряжеина дл» гладких образное диаметром П, н Эе (а) н обраецоа с яадрезом пря о,>п. (5> Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
