1.6. Усталость материалов деталей машин

Опыты показывают, что детали машин, длительное время подвергавшиеся действию переменных нагрузок, разрушаются при напряжениях значительно меньших, чем предел прочности o_в

Разрушение при циклическом нагружении происходит вслед­ствие возникновения микротрещин в зоне концентраций напря­жений. Трещины постепенно развиваются, проникая вглубь, поперечное сечение детали ослабляется и в некоторый момент про­исходит мгновенное разрушение.

Разрушение материала, вызванное циклическим действием напряжений, называется усталостью.

Типичный усталостный излом вала (рис. 3.3) имеет две ярко вы­раженные зоны: зону усталостного разрушения 1 с гладкой притертой поверхностью там, где усталостная трещина постепенно проникала в глубь сечения, и зону статического разрушения 2 крупнокристалличе­ского строения, по которому прои­зошло хрупкое разрушение вслед­ствие большого ослабления сече­ния. Около 80% всех случаев по­ломок деталей являются усталост­ными.

Способность материала воспринимать многократное действие переменных напряжений без разрушений называется сопро­тивлением усталости или выносливостью материала.

Рис. 3.3. Усталостное разрушение вала

1.7. Предел выносливости материалов

Для расчетов на прочность при повторно-переменных напря­жениях требуются механические характеристики материала. Они определяются испытанием на выносливость серии стандартных (тщательно отполированных) образцов на специальных маши­нах. Наиболее простым является испытание на изгиб при симмет­ричном цикле напряжений.

Задавая образцам различные значения напряжений о_мах> оп­ределяют число циклов N, при котором произошло их разрушение.

Рис. 3.4. Кривая усталости

По полученным данным строят кривую в координата (Углах --N, называемую кривой усталости (рис. 3.4).

Испытания показывают, что, начиная с некоторого напряжения, кривая стремится к горизонтальной асимптоте. Это озна­чает, что при определенном напряжении o_r образец, не разруша­ясь, может выдержать бесконечно большое число циклов нагружения. Опыт показывает, что стальной образец, выдержавший Nо=10⁷ циклов, может их выдержать неограниченно много.

Число циклов Nо называют базой испытании. При испытании образца после прохождения No циклов опыт прекращают. Для закаленных сталей и цветных металлов No=10⁸.

Напряжение, соответствующее No, принимают за предел вы­носливости.

Пределом выносливости называется наибольшее напряжение, при котором образец или деталь может сопротив­ляться без разрушения неограниченно долго, и обозначается а я для образца и (o_r}_d для детали.

Для образцов и деталей при коэффициенте асимметрии цик­ла R= - 1 предел выносли- вости при нормальных напряжениях обозначаются о – 1 и (о - 1)_D , а при отнулевом цикле (R=0) соответсвенно о₀ и (о₀)_D

При отсутствии в таблицах экспериментальных данных для определения пределов выносливости принимают эмпирические соотношения. Так, например, для углеродистой стали: