Испытания материалов на растяжения и усталость

Многие изделия из металлов и сплавов в процессе эксплуатации подвергаются циклическому нагружению. В результате действия знакопеременных напряжений детали разрушаются еще до достижения предела упругости.

Процесс постепенного снижения прочности материала вследствие появления и развития в нем трещин под действием циклических длительно действующих нагрузок называют усталостью, а разрушение в результате этого процесса — усталостным. Свойство материала противостоять усталости называют сопротивлением усталости.

Усталостные трещины появляются на поверхности изделия и затем распространяются вглубь изделия. Распространение усталостных трещин происходит медленно. При испытаниях на усталость стремятся установить количественную оценку сопротивления усталости материала. Усталостное разрушение обычно начинается при напряжениях ниже не только предела прочности, но и предела текучести. Усталостное разрушение происходит хрупко, без заметных следов пластической деформации. Установлено, что усталостное разрушение наблюдается при циклических растяжении, сжатии, изгибе и кручении, а также при более сложных видах нагружения.

Методы испытаний металлов на усталость регламентированы ГОСТ 25.502: при растяжении — сжатии, изгибе и кручении; при симметричных и асимметричных циклах напряжений или деформаций, изменяющихся по простому периодическому закону с постоянными параметрами; при наличии и отсутствии концентрации напряжений; при нормальной температуре и влажности; при много- и малоцикловом нагружении в упругой и упругопластической областях.

Цикл напряжения — совокупность последовательных значений переменных напряжений за один период процесса их изменения. Напряжения σ цикла могут быть изображены графически, а также определены по формуле:

где σm — среднее напряжение цикла; σа — амплитуда цикла; f(t) — непрерывная периодическая функция, характеризующая форму цикла.

Максимальные напряжения цикла — наибольшие алгебраические значения напряжений цикла (рис. 5.29):

Минимальные напряжения цикла — наименьшие алгебраические значения напряжений цикла, равные разности среднего напряжения цикла и амплитуды:

Средние напряжения определяют по формуле

Амплитуды напряжений цикла — наибольшие (положительные) значения переменной составляющей цикла напряжений, определяемые по формулам:

Рис. 5.29 Цикл напряжений при испытании на усталость

При испытании образцов на усталость с постоянным средним напряжением цикла предел выносливости определяют как наибольшее значение амплитуды напряжений цикла, при которой не происходит усталостного разрушения после произвольно большого числа циклов нагружения. База испытаний — задаваемая наибольшая продолжительность испытаний на усталость (число циклов или время).

Под усталостной долговечностью понимают характеристику сопротивления усталости материала, которую определяют числом циклов нагружения, выдержанных образцом до разрушения при задаваемом напряжении. Типы образцов стандартизованы (ГОСТ 25.502).

Для построения кривой распределения долговечности и оценки среднего значения и среднего квадратического отклонения логарифма долговечности на заданном уровне напряжений испытывают не менее 10 одинаковых образцов до полного разрушения или появления макротрещин.

Для установления предела выноcливости материала испытуемый образец предварительно подвергают действию знакопеременных напряжений, превышающих предел выносливости для данного материала. Затем у последующих образцов уровень напряжений постепенно уменьшают до значения, при котором образец разрушается при заданном числе циклов. По результатам испытаний не менее 10 образцов строят диаграмму зависимости напряжения от числа циклов (кривая усталости). ГОСТом 25.502 рекомендовано построение кривых усталости в полулогарифмических или в двойных логарифмических координатах.

При испытаниях металлов на усталость напряжения в образце определяют в зависимости от схемы нагружения, например, при растяжении и сжатии

где Р — осевая сила (нагрузка), приложенная к образцу, Н; F — площадь расчетного поперечного сечения образца, м2.

Разрушение, возникающее под действием циклически изменяющихся напряжений, называетсяусталостью. Усталостью определяется степень долговечности почти всей техники. Это основной путь разрушения деталей транспортной техники — вагонов, мостов, шестерен, тросов, рельсов, подшипников и т.д. Многие металлы имеют предел выносливости σ-1, ниже которого металл не подвержен усталостному разрушению.

Усталостная долговечность N – характеристика выносливости материала, определяемая числом циклов, пройденных образцом перед разрушением при задаваемом напряжении.

Определение сопротивления усталости. Многие детали машин в процессе работы, кроме воздействия статических нагрузок, подвергаются знакопеременным (циклическим) нагрузкам, которые изменяются по величине или направлению. В результате длительной службы металл постепенно переходит из пластичного состояния в хрупкое («устает»). Это объясняется тем, что знакопеременные нагрузки приводят к образованию в изделиях микротрещин, которые постепенно расширяются и ослабляют связь между зернами металла, вследствие чего разрушение наступает при меньших напряжениях, чем предел текучести. Усталости подвержены вагонные оси, коленчатые валы, лопатки турбин, рессоры, пружины.

Способность металла противостоять действию знакопеременных нагрузок называют выносливостью металла. Пределом выносливости считается наибольшее напряжение, которое материал выдерживает, не разрушаясь, заданное число циклов. Число циклов может колебаться от 106 до 107.

Известно, что плохая обработка поверхности (надрезы, коррозия, дефекты материала конструкции) резко снижает предел выносливости. Тщательное шлифование, полирование и упрочнение поверхности деталей значительно повышают сопротивление усталости и увеличивают срок службы изделия.

Испытания на усталостную прочность производят на различных машинах в зависимости от характера работы изделий. Наиболее распространенными типами машин являются: машины для испытания на изгиб при вращении; машины для испытания на растяжение сжатие; машины для испытания на кручение.

Усталостью называют процесс изменения состояния и свойств материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к появлению и развитию трещин, а затем к полному разрушению тела. Различают знакопеременность нагружения (рис. 4.7) и многократность.

Усталость уже проявляется при наличии повторности нагрузок одного направления, например пульсации с изменением нагрузки от нуля до некоторого максимума (рис. 4.7).

Знакопеременность нагружения значительно усиливает развитие усталостных процессов, и наиболее опасным является симметричный (а) цикл по сравнению с асимметричным (б-г) циклом с положительным средним напряжением σср.

Опасность усталостного нагружения, по сравнению с однократным статическим, заключается в более низкой величине разрушающего напряжения, в более резком и неблагоприятном влиянии на прочность неоднородности микроструктуры, надрезов, остаточных растягивающих напряжений, коррозионного воздействия и т.д., в менее пластичном строении излома, что чаще приводит к внезапной заключительной стадии излома — долому.

Кривые усталости, называемые кривыми Велера, бывают двух типов: для невысоких температур кривые с некоторого известного числа циклов практически переходят в горизонталь (рис. 4.8); при высоких температурах испытания и для всех материалов в коррозионной среде кривые непрерывно понижаются.

Пределом выносливости называют наибольшую величину максимального напряжения цикла, не вызывающего разрушения практически при очень большом числе циклов. Очевидно, что такой предел (60-100 МПа) может быть установлен только для сталей, имеющих кривую усталости с горизонтальным участком. Левой части кривой усталости соответствует так называемая малоцикловая усталость при малом числе циклов или разрушение от повторно-переменных нагрузок (при числе циклов от тысяч до десятков и сотен тысяч).

На рис. 4.12 приведена схема полной кривой усталости, где в зависимости от приложенных напряжений и числа циклов представлен весь диапазон разрушений от статического (точка А), квазистатического (линия ВСD; здесь, несмотря на переменный характер напряжений, остаточные напряжения накапливаются, в конце линии DE развивается шейка и характер излома принципиально не отличается от статического) до многоцикловой усталости — участок FGH.

Рис. 4.12 Схема полной кривой усталости

Повторно-статическое разрушение может происходить и от нагрузок, которые прежде считали статическими, например, от пусков и остановов машин, турбин, котлов, от резких изменений режима их эксплуатации, от термических, магнитных, монтажных напряжений при их повторных изменениях в процессе длительной эксплуатации. Многие повреждения связаны с малоцикловой усталостью.

Кривую усталости можно строить только при доведении испытания до полного разрушения образца или изделия, по началу развития трещины, по накоплению определенной поврежденности. Существует большое число электрических, оптических, магнитных, акустических и других методов определения начала появления усталостной трещины. Ввиду трудоемкости испытаний разработано и предложено большое число упрощенных, ускоренных и косвенных методов определения усталостной прочности.

Возрастание роли усталостной прочности сталей связано в настоящее время с выработкой деталей машин расчетного ресурса, с необходимостью продления срока их дальнейшей эксплуатации. Кроме того, применение материалов с более высокой прочностью не приводит к пропорциональному увеличению усталостной прочности.

Характеристики усталостной прочности образцов и различных изделий получены преимущественно при стационарном циклическом повторении нагрузки. В реальных условиях эксплуатации подобные регулярные режимы являются редким исключением. Имеются различные сочетания нагрузок, вибраций (нередко одновременно несколько различных и не стационарных частот и амплитуд), кратковременных статических и ударных нагрузок. Диапазон изменения частоты в условиях работы различного оборудования чрезвычайно широк: от нескольких циклов нагружения в месяц до нескольких тысяч циклов в секунду.

Увеличение частоты (в определенной степени) эквивалентно увеличению скорости деформирования и нагружения. Наложение на повторные нагружения малой частоты небольших по амплитуде вибраций, но значительно большей частоты, во многих случаях приводит к значительному снижению прочности и долговечности деталей.

Наличие надрезов, царапин, рисок от резца и т.д. снижает сопротивление усталости сталей. Создание в поверхностном слое остаточных сжимающих напряжений за счет поверхностной обработки металла (наклепа, азотирования, цементации и т.д.) благоприятно влияет на усталостную прочность.

При повышении температуры форма кривой Велера снижается наиболее круто. Горизонтальный участок, существовавший при пониженной и комнатной температурах, переходит в наклонный, поэтому оценивают лишь ограниченный предел выносливости, отнесенный к определенной базе (числу циклов) испытаний. При повышенных температурах влияние концентрации напряжений обычно снижается из-за возрастания местной пластичности.

Влияние окружающей среды при усталостных явлениях отмечается довольно отчетливо. В течение практически всего времени работы оборудования усталостные процессы развиваются в поверхностной зоне из-за отсутствия макропластических деформаций. Следовательно, большая длительность нагружения способствует усилению влияния внешних воздействий, в том числе коррозионных, на усталостную прочность. Возникает смешанное разрушение от коррозионного и механического воздействий, т.е. происходит коррозионная усталость.

Микроструктура и химический состав существенно влияют на сопротивление усталости. Отмечают снижение усталостной прочности с увеличением размера зерна. Строгое соблюдение режимов термической обработки влияет на усталостную прочность. В сложных условиях эксплуатации прочность материала зависит в большой степени от температуры закалки. Так, заниженная температура закалки приводит к недостаточному сопротивлению ползучести, а повышенная — к значительному росту зерна, что может быть причиной преждевременного разрушения материала от недостаточной усталостной прочности.

В процессе циклических испытаний при высоких температурах изменяются состояния поверхностного слоя (обеднение углеродом и легирующими элементами, окисление по границам зерен, изменение микрорельефа и т.д.) и структуры в целом (выделение и коагуляция фаз, сдвиги, рекристаллизация), которые значительно влияют на физико-механические свойства материала. Существенное различие проявляется во влиянии неметаллических включений в сталях на усталостную и статическую прочность.

Неметаллические включения при однократных нагрузках обычно влияют слабее (местная пластическая деформация снижает концентрацию напряжений вблизи включений), чем при повторных (на физико-механические характеристики).