10.4.2. Механические свойства, определяемые при динамических нагрузках

При работе деталей машин возможны динамические нагрузки, при которых многие металлы проявляют склонность к хрупкому разрушению. Опасность разрушения усиливают надрезы – концентраторы напряжений. Для оценки склонности металла к хрупкому разрушению под влиянием этих факторов проводят динамические испытания на ударный изгиб на маятниковых копрах (рис. 10.23).

1

5

4

3

2



a

б

Рис. 10.23. Схема маятникового копра (а) и испытание под удар (б): 1 – образец; 2 – маятник; 3 – шкала; 4 – стрелка шкалы; 5 – тормоз

Стандартный образец устанавливают на две опоры и посредине наносят удар, приводящий к разрушению образца. По шкале маятникового копра определяют работу К, затраченную на разрушение, и рассчитывают основную характеристику, получаемую в результате этих испытаний – ударную вязкость:

, (10.8)

где S₀ – площадь поперечного сечения образца в месте надреза.

Единица измерения ударной вязкости – мегаджоуль на квадратный метр (МДж/м²) или джоуль на сантиметр в квадрате (Дж/см²).

В соответствии с ГОСТ 9454 – 78 предусмотрены испытания образцов с концентратором напряжений трех видов: U-образным (радиус надреза r = 1 мм); V-образным (r = 0,25 мм) и Т-образным (трещина усталости, созданная в основании надреза). Соответственно ударную вязкость обозначают КCU, КСV, КСТ.

Основным критерием ударной вязкости является КСU. Она состоит из двух составляющих:

KCU = KC_З + KC_Р, (10.9)

где КС₃ – работа зарождения трещины; КС_р ≈ КСТ – работа распространения трещины.

Чем острее надрез, тем меньше KС₃. Критерий KСТ является критерием трещиностойкости, оценивающим сопротивление материала распространению трещины.

Ударная вязкость из всех характеристик механических свойств наиболее чувствительна к снижению температуры. Поэтому испытания на ударную вязкость при пониженных температурах используют для определения порога хладноломкости – температуры или интервала температур, в котором происходит снижение ударной вязкости.

Х ладноломкость – свойство металлического материала терять вязкость, хрупко разрушаться при понижении температуры. Хладноломкость проявляется у железа, стали, металлов и сплавов, имеющих ОЦК или ГПУ решетку. Она отсутствует у металлов с ГЦК решеткой.

На переход от вязкого разрушения к хрупкому указывают изменения строения излома и резкое снижение ударной вязкости (рис. 10.24) в интервале температур (t_в – t_x) (граничные значения температур вязкого и хрупкого разрушения). Строение излома изменяется от волокнистого матового при вязком разрушении (t ≥ t_в) до кристаллического блестящего цвета при хрупком разрушении (t ≤ t_x). Порог хладноломкости обозначают интервалом температур (t_в – t_н) либо одной температурой t₅₀, при которой в изломе образца имеется 50% волокнистой составляющей и KСТ снижается наполовину.

10.4.3. Механические свойства, определяемые при переменных нагрузках

Многие детали машин (валы, шатуны, зубчатые колеса) испытывают во время работы повторяющиеся циклические нагружения. Цикл напряжения – совокупность изменения напряжений между двумя его предельными значе-ниями σ_max и σ_min в течение периода Т. При экспериментальном исследовании сопротивления усталости материала за основной принят синусоидальный цикл изменения напряжения. Он характеризуется коэффициентом асимметрии цикла R = σ_max/σ_min; амплитудой напряжения σ_а = (σ_max + σ_min)/2; средним напряжением цикла σ_m = (σ_max – σ_min)/2 (рис. 10.25).

Различают симметричные (R= –1) и асимметричные (R изменяется в широких пределах) циклы. Различные виды циклов характеризуют различные режимы работы деталей машин.

П роцессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а свойство противостоять усталости – выносливостью (ГОСТ 23207).

Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической нагрузки имеет ряд особенностей:

1. Происходит при напряжениях, меньших, чем при статической нагрузке (меньших предела текучести и временного сопротивления).

2. Начинается на поверхности (или вблизи от нее) локально, в местах концентрации напряжений (деформации). Локальную концентрацию напряжений создают повреждения поверхности в результате циклического нагружения либо надрезы в виде следов обработки, воздействия среды.

3. Протекает в несколько стадий, характеризующих процессы накопления повреждений в материале, образования трещин усталости, постепенное развитие и слияние некоторых из них в одну магистральную трещину и быстрое окончательное разрушение.

4. Имеет характерное строение излома, отражающее последовательность процессов усталости. Излом состоит из очага разрушения (места образования микротрещин) и двух зон – усталости и долома (рис. 10.26). Очаг разрушения примыкает к поверхности и имеет небольшие размеры и гладкую поверхность.

З ону усталости формирует последовательное развитие трещины усталости. В этой зоне видны характерные бороздки, имеющие конфигурацию колец, что свидетельствует о скачкообразном продвижении трещины усталости. Зона усталости развивается до тех пор, пока в уменьшающемся рабочем сечении напряжения возрастут настолько, что вызовут его мгновенное разрушение. Эту последнюю стадию разрушения характеризует зона долома.

О способности материала работать в условиях циклического нагружения судят по результатам испытаний образцов на усталость (ГОСТ 25.502). Их проводят на специальных машинах, создающих в образцах многократное нагружение (растяжение – сжатие, изгиб, кручение). Образцы (не менее 15 штук) испытывают последовательно на разных уровнях напряжений, определяя число циклов до разрушения. Результаты испытаний изображают в виде кривой усталости, которая в логарифмических координатах – максимальное напряжение цикла σ_mах (или σ_a) – число циклов нагружений N – состоит из участков прямых линий (рис. 10.27). Горизонтальный участок определяет напряжение, не вызывающее усталостного разрушения после неограниченно большого или заданного (базового N₆) числа циклов.

Э то напряжение представляет собой физический предел выносливости σ_R (R – коэффициент асимметрии цикла), при симметричном цикле σ_–1. Наклонный участок кривой усталости характеризует ограниченный предел выносливости, равный напряжению σ_к, которое может выдержать материал в течение определенного числа циклов.

Кривые с горизонтальным участком типичны для сталей при невысоких температурах испытаний. Кривые без горизонтального участка (кривая 2 на рис. 10.27) характерны для цветных металлов, а также для всех материалов, работающих при высоких температурах или в коррозионной среде. Такие материалы имеют только ограниченный предел выносливости.

Кривые усталости позволяют определить следующие критерии выносливости:

1) циклическую прочность – физический или ограниченный предел выносливости. Она характеризует несущую способность материала, т.е. то наибольшее напряжение, которое он способен выдержать за определенное N;

2) циклическую долговечность – число циклов (или эксплуатационных часов), которые выдерживают материал до образования усталостной трещины определенной протяженности или до усталостного разрушения при заданном напряжении. Долговечность также может быть неограниченной (при σ_max < σ_–1) и ограниченной (при σ_max > σ_–1).

Кривые выносливости в области ограниченной долговечности определяют на основе статистической обработки результатов испытаний. Это связано со значительным разбросом долговечности из-за ее высокой чувствительности к состоянию поверхности образцов.

Кроме определения рассмотренных критериев многоцикловой выносливости, для некоторых специальных случаев применяют испытания на малоцикловую усталость. Их проводят при высоких напряжениях (выше _т) и малой частоте нагружения (обычно не более 5 с^–1). Эти испытания имитируют условия работы конструкций, которые воспринимают редкие, но значительные циклические нагрузки, вызывающие упруго-пластические деформации. База таких испытаний не превышает 5·10⁴ циклов, поэтому малоцикловую усталость материала характеризует левая верхняя ветвь кривой усталости (рис. 10.27).

Кривые усталости характеризуют стадию разрушения и не отражают процессы, ему предшествующие. Более показательна обобщенная диаграмма усталости (рис. 1.28), содержащая дополнительные линии (штриховые), выделяющие в процессах усталости три стадии.

Рис. 10.28. Обобщенная схема усталостного разрушения (схема): I – область постепенного накопления повреждений до возникновения трещины усталости; II – область распространения трещины; III – область долома

Обобщенная диаграмма позволяет установить дополнительные критерии выносливости. Из них наиболее важное значение имеет живучесть, определяемая скоростью роста трещины усталости (СРТУ). Живучесть характеризует способность материала работать в поврежденном состоянии после образования трещины. Живучесть – критерий надежности материала, с помощью которого прогнозируют работоспособность детали, рассчитанную на циклическую прочность по ограниченному пределу выносливости. При высокой живучести (малой СРТУ) можно своевременно дефектоскопией обнаружить трещину, заменить деталь и обеспечить безаварийную работу конструкции.