Настоящее немецкое качество!
Продукция FUNKE заслуживает внимания и высокого одобрения. Настоящее немецкое качество. Специалист по проектированию и монтажу систем наружного водопровода и канализации. Антонов А.С.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНОЛОГИЯ

Разрушение металлов при действии переменных нагрузок происходит, как правило, вследствие усталости. Усталость металлов — процесс постепенного накопления повреждений в материале под действием переменных напряжений, приводящий к образованию усталостной трещины, ее развитию и разрушению. Выносливость — свойство материала противостоять усталости. При многоцикловой усталости даже пластичные металлы разрушаются хрупко, т. е. без видимых следов остаточной деформации, излом состоит из двух частей, различающихся по внешнему виду. Область распространения трещины 1 имеет ясно выраженное тонковолокнистое строение, область окончательного излома 2 имеет более или менее крупнозернистый вид, ничем не отличающийся от обычного хрупкого излома надрезанных образцов. Впервые явление усталости материалов было обнаружено в середине XIX ст. при эксплуатации различных машин того времени. Оказалось, что детали, подвергающиеся переменному нагружению в течение достаточно большого количества циклов (105—108), разрушаются при напряжениях, значительно более низких, чем предел прочности или даже предел текучести. Весьма неприятной особенностью усталостного разрушения металлов является то, что возникновение и развитие усталостной трещины трудно обнаружить, поскольку оно при многоцикловой усталости не сопровождается заметными пластическими деформациями и может привести к внезапному разрушению с катастрофическими последствиями. Систематические исследования усталости металлов были начаты Велером. Пионерами изучения усталостной прочности металлов в нашей стране были В. Л. Кирпичев, М. А. Воропаев и К. К. Симинский. Дальнейшее развитие науке о прочности при переменных напряжениях получила в работах С. В. Серенсена, Н. Н. Давиденкова, И. А. Одинга, Г. В. Ужика, Н. П. Щапова, И. В. Кудрявцева, Н. Н. Афанасьева, В. С. Ивановой, Р. М. Шнейдеровича, В. П. Когаева, С. И. Кишкиной и др. Типичные зависимости для металла между уровнем действующих циклических напряжений, величиной удлинения после разрушения и числом циклов до разрушения по результатам испытаний при пульсирующем цикле, когда нагрузка изменяется от нуля до максимального растягивающего значения. Зависимость между действующими напряжениями и числом циклов до разрушения имеет три участка. На участке I, который называется участком квазистатического разрушения, разрушение происходит путем направленного пластического деформирования. И ни от числа циклов до разрушения, чем не отличается от разрушения при однократном приложении нагрузки. Относительное удлинение при этом равно относительному удлинению при статическом разрушении, а в некоторых случаях превышает его. Излом ничем не отличается от излома при статическом разрушении металлов. На участке II имеет место малоцикловая усталость, когда разрушение происходит путем возникновения и развития усталостной трещины, сопровождающейся заметными пластическими деформациями. Участок III — участок многоциклового усталостного разрушения при почти полном отсутствии остаточного удлинения образца. В некоторых случаях этот участок на кривой переходит в горизонтальную линию, соответствующую напряжению, что свидетельствует об отсутствии разрушения при напряжениях ниже, даже если число циклов нагружения существенно увеличивается. Число циклов нагружения, при котором имеет место переход от одного участка к другому, для различных материалов и режимов нагружения различно. Исследование разрушения металлов в условиях многоциклового изменения нагрузки осуществляется, как правило, при синусоидальном цикле нагружения. Различают симметричный и асимметричные циклы нагружения. При симметричном нагружении среднее напряжение Цикла (равно нулю и напряжение изменяется от минимальных напряжений сжатия до максимальных напряжений растяжения. При асимметричных циклах нагружения среднее напряжение не равно нулю и может иметь любые значения как в области растяжения, так и в области сжатия. Разновидности циклов нагружений и соответствующие им значения коэффициентов асимметрии цикла. Результаты исследования усталости металлов представляются в виде кривых усталости — графиков, характеризующих зависимость между максимальными или амплитудными напряжениями (деформациями) и числом циклов до разрушения, полученными при испытании партии одинаковых образцов при одинаковом среднем напряжении (деформации) цикла или при одинаковом коэффициенте асимметрии цикла. Для черных металлов база испытания составляет 10 х 10е циклов, для цветных металлов — (50 — 100) циклов. При испытании в условиях высоких температур, при воздействии коррозионных сред и в некоторых других случаях усталостное разрушение может иметь место и после большего количества циклов. Усталостное разрушение, как было указано выше, происходит путем возникновения трещины, ее развития и окончательного разрушения. Соответственно в изломе образца можно различать две зоны — тонковолокнистую зону развития усталостной трещины и крупнозернистую зону окончательного излома. В зависимости от вида нагружения (изгиб, растяжение), уровня напряжений, наличия концентраторов напряжений зоны разрушения образцы могут иметь различный вид. Здесь зона окончательного разрушения заштрихована, направление развития усталостной трещины показано стрелками. Как видно из этого рисунка, более высоким уровням напряжений соответствует уменьшение зон развития усталостных трещин. На соотношение зон в изломе оказывают влияние температура, режим нагружения и другие факторы. Нахождение однозначной связи между характеристиками механических свойств металлов, определяемых по диаграмме растяжения, и пределом выносливости имело бы большое практическое значение, однако такие попытки не дали существенных результатов. Сравнение пределов выносливости металлов и соответствующих им пределов прочности и других характеристик механических свойств показывает отсутствие однозначной связи между этими величинами. Несоответствие между указанными величинами возрастает при увеличении предела прочности металлов, наличии концентрации напряжений, воздействии коррозионных сред и т. п. Как видно, линейная зависимость между ними наблюдается лишь для гладких образцов из сталей с пределом прочности меньше 100 кгс/мм2. При концентрации напряжений, обусловленной наличием надрезов, отверстий, дефектами сварки, неровностями поверхности, предел выносливости существенно ниже предела выносливости полированных образцов и при отсутствии специальной упрочняющей обработки он практически не увеличивается с увеличением предела прочности. Еще значительнее снижается предел выносливости при наличии коррозионных сред. Аналогичная картина имеет место и для других металлов. Приведены результаты исследования выносливости гладких образцов из различных алюминиевых сплавов в воздухе и в 3%-ном растворе NaCl. И в этом случае при воздействии коррозионных сред предел выносливости существенно снижается и, начиная с некоторой величины, если не использовать специальные методы защиты, практически не зависит от предела прочности. Соотношения, имеющие место в этом случае, характеризуются существенным рассеянием. В литературе предложено много эмпирических зависимостей, связывающих предел выносливости гладких образцов при изгибе и характеристики механических свойств. Ни одна из этих зависимостей не является достаточно точной и универсальной и их следует применять с большой осторожностью. Чувствительность характеристик сопротивления усталостному разрушению к влиянию различных конструктивных, эксплуатационных и технологических факторов вызвала необходимость создания разнообразных машин для испытаний на усталость и проведения обширных экспериментальных исследований.