5. Испытания долговечности металлов

Долговечность металлов определяется испытаниями на усталость, ползучесть и длительную прочность, износ, коррозию и другими методами.

5.1. Усталостные испытания

Усталость представляет собой процесс постепенного накопления повреждений в металле под действием переменных напряжений, приводящих к образованию и развитию усталостных трещин. Из-за различной ориентировки зерен и блоков, макро- и микро­дефектов напряжения в металле распределяются неравномерно. При расчетной нагрузке ниже временного сопротивления в отдельных перенапряженных локальных объемах происходит пластиче­ская деформация и, как следствие ее предельного развития, воз­никают микротрещины. Микротрещины постепенно сливаются, образуя макротрещину, с течением времени распространяющуюся на все сечение.

Усталостные характеристики при комнатной температуре обыч­но определяют при испытании образцов круглого сечения на изгиб с вращением (рис. 53). Испытывают серию образцов при различ­ной нагрузке и определяют разрушающее напряжение и соответ­ствующее ему число циклов нагружения. В зависимости от усло­вий работы изделия испытания проводят при комнатной, высокой и низкой температурах, при симметричных и асимметричных цик­лах, при наличии или отсутствии агрессивных сред и концентра­торов напряжений на испытуе­мых образцах.

Н а рис. 54 приведена конс­трукция установки для усталос­тных испытаний образцов при температуре до 20 К, разработан­ная институтом прикладной хи­мии (ГИПХ). Нагружение про­изводится по схеме поперечного изгиба консольно укрепленных об­разцов круглого сечения. Нагружение образцов осуществляется с помощью пневматического устройства, внутри которого нахо­дится герметичный сильфонный нагружающий узел. Усилие на образец передается от штока через рычаг и подшипник, установ­ленный на хвостовой части образца. Заданное давление нагруже­ния поддерживается автоматически редуцирующими устройствами. Также автоматически осуществляется регистрация и запись де­формации образца. Температура образца измеряется термопарами. Количество циклов нагружения образца регистрируется механи­ческим счетчиком, соединенным приводом с электродвигателем. При разрушении образца электродвигатель отключается.

При испытании строят кривую усталости — график, характе­ризующий зависимость между максимальными или амплитудными напряжениями (деформации) цикла и долговечностью серии оди­наковых образцов, испытанных при одинаковом среднем напря­жении (деформации) цикла или при одинаковом коэффициенте асимметрии цикла,

Типичная зависимость между уровнем действующих цикличе­ских напряжений и числом циклов до разрушения N имеет три характерных участка (рис. 55). Первый участок называют участком квазистатического разрушения, так как в этой области разруше­ние мало отличается от разрушения при однократном приложе­нии нагрузки. Второй участок характеризует малоцикловую усталость, при которой разрушение сопровождается пластической деформацией. На третьем участке имеет место многоцикловое усталостное разрушение, проходящее при почти полном отсут­ствии пластической деформации.

Хотя деление на мало- и многоцикловую усталость носит услов­ный характер, принято считать, что при малоцикловой усталости полное разрушение происходит в упругопластической области до 5*10⁴ циклов, а при многоцикловой от 5*10⁴ циклов и более.

Для кривых усталости, имеющих горизонтальный участок, определяют предел выносливости — наибольшее напряжение цикла, которое выдерживает металл без разрушения. Кроме того, в пределах спадающего участка кривой может быть определен предел ограниченной выносливости. Для стали предел выносли­вости обычно определяют на базе N = 10⁷, для цветных метал­лов N = 10⁸ циклов нагружения. Предел выносливости, опреде­ленный в стандартных условиях, обозначают σ_-1. Величина пре­дела выносливости углеродистых сталей при симметричном цикле обычно составляет 0,6σ_в.

Важной характеристикой выносливости металла является также усталостная долговечность, определяемая числом циклов нагружения образцов перед разрушением при заданном напря­жении.

Р азличают три стадии усталостного разрушения: зарождение усталостной трещины, ее медленный рост до критического размера и быстрый долом оставшегося сечения образца или детали. Про­цесс зарождения усталостных трещин зависит от качества по­верхности детали и свойств поверхностного слоя. Чем выше чистота обработки и твердость поверхностного слоя, тем меньше опасность усталостного разрушения. После зарождения трещины каждый последующий цикл нагружения приводит к ее постепен­ному подрастанию. Направление роста усталостной трещины за­висит от характера нагружения. При циклической нагрузке растя­жение—сжатие трещина развивается под прямым углом к на­правлению приложенного напряжения, а при кручении трещина развивается в плоскости под углом 45° к направлению напря­жения.

У сталость ответственна примерно за 50 % случаев всех ава­рийных разрушений, встречающихся в инженерной практике.

Термической усталостью назы­вают усталость металлов, вызван­ную напряжениями от цикличес­ких колебаний температуры. Тер­мическая усталость отличается от силовой меньшим числом циклов и сравнительно высоким уровнем напряжений.

В холодильной и криогенной технике температурные градиенты и соответствующие термические напряжения могут возникать из-за нагрева или охлаждения кон­струкций при заполнении или сливе охлаждающей жидкости, при попадании криогенных про­дуктов на относительно теплую поверхность металла емкостей, трубопроводов, деталей арматуры, могут быть вызваны разли­чием теплофизических свойств входящих в конструкцию деталей из разных материалов. Особенно опасно многократное наложение термических напряжений на напряжения от внешних нагрузок. Кроме того, некоторые металлы могут претерпевать структурные превращения при охлаждении. Все это может явиться причиной преждевременного разрушения детали.