Предел выносливости материалов. Диаграммы Веллера и Хея — Зодерберта. Эффект Ребиндера

Изучение явления усталости показало, что при известных условиях разрушение материала при переменных напряжениях может и не произойти. Свойство материала выдерживать, не разрушаясь, больше число циклов переменных напряжений называют его выносливостью. Пределом выносливости (пределом усталости) называют наибольшую величину циклического напряжения, при котором материал может работать неограниченно долго без разрушения. Предел выносливости обозначается 2014-09-28 18-38-06 Скриншот экрана.

Усталостную прочность определяют по результатам экспериментальных исследований определенного числа образцов, подвергнутым испытаниям при различных уровнях циклических напряжений, вплоть до их разрушений. Результаты испытаний серии одинаковых образцов наносят на плоскость 2014-09-28 18-39-46 Скриншот экрана или 2014-09-28 18-40-42 Скриншот экрана, где2014-09-28 18-41-32 Скриншот экрана–  это максимальное за период цикла напряжение, а 2014-09-28 18-44-55 Скриншот экрана – число циклов до полного разрушения, получая при этом так называемую диаграмму Веллера.

2014-09-28 18-46-23 Скриншот экрана

Опыт по определению предела выносливости производится следующим образом. Заготавливается партия образцов испытываемого материала. Выбирают ряд уровней циклических напряжений, при которых будут испытывать образцы. Первый уровень напряжений, как правило, наибольший и составляет величину равную 0,7-0,8 предела текучести материала,  остальные уровни напряжения берутся ниже. На каждом уровне напряжений испытывают 5-6 образцов. Эти образцы закладываются в машину и нагружаются. Когда произойдет излом или разрыв, машина автоматически выключается, а счетчик оборотов показывает число циклов , необходимое для разрушения образца.Эксперименты показывают, что при испытаниях образцов на одном и том же уровне напряжений наблюдается значительный разброс разрушений. В таких случаях устанавливают вероятность разрушения в течение некоторого времени t на данном уровне напряжений.

С понижением уровня напряжения долговечности испытываемых образцов возрастают настолько, что приходится назначать некоторое предельное время выдержки 2014-09-28 18-50-37 Скриншот экрана , называемое базой испытаний, при которой образцы снимают с испытаний, когда часть из них не разрушилась. Напряжение, при котором 50% образцов разрушаются при 2014-09-28 18-51-42 Скриншот экрана, а остальные 50% проходят базу испытаний, называется ограниченным или условным пределом выносливости. 

Базы  2014-09-28 18-53-08 Скриншот экрана по числам циклов составляют обычно 2014-09-28 18-54-01 Скриншот экрана для черных металлов, для сплавов цветных металлов иногда до 2014-09-28 18-54-42 Скриншот экрана . В настоящие время нет ясного представления о том, существует ли у материалов абсолютный предел выносливости, так как нередко образцы разрушаются после того, как они предварительно выдержали десятки и даже сотни миллионов циклов. Это можно объяснить наличием в материале технологических дефектов в виде пор, расслоений, неметаллических включений и дефектов поверхностей обработки. Наличие экспериментальных данных об испытаниях конструкционных цветных сплавов дает основание утверждать, что последние не имеют абсолютного предела выносливости. Особую область исследований представляют испытания материалов в условиях коррозионно-агрессивных сред. Многие материалы в этих условиях определенно не имеют абсолютного предела выносливости. Также кроме напряженного состояния в материале еще проявляются электрохимические явления, получившие название эффект Ребиндера.

Предел выносливости при асимметрических циклах нагружения

Наиболее опасным циклом нагружения является симметричный цикл нагружения. Однако большое количество деталей машин работает при асимметричных циклах нагружения.  Рассмотрим  диаграмму Хея-Зодерберта для  стали 45.

2014-09-28 19-36-25 Скриншот экрана

Диаграмма Хея-Зодерберта строится в координатах амплитуды напряжений– 2014-09-28 19-16-50 Скриншот экрана, постоянная составляющая цикла– 2014-09-28 19-17-50 Скриншот экрана. Так как 2014-09-28 18-41-32 Скриншот экрана при 2014-09-28 19-19-07 Скриншот экранавсегда меньше предела прочности 2014-09-28 19-20-03 Скриншот экрана, то все возможные механические состояния материалов находятся в пределах треугольника оав, причем уравнение прямой I имеет вид:

2014-09-28 19-21-24 Скриншот экрана

Уравнение прямой 2 представляется так:

2014-09-28 19-22-18 Скриншот экрана

Кривая 3– экспериментальная кривая предела выносливости, полученная при разных амплитудах и постоянных составляющих циклах 2014-09-28 19-23-17 Скриншот экрана на одной и той же базе 2014-09-28 19-24-09 Скриншот экрана. Ордината при абсциссе  2014-09-28 19-25-02 Скриншот экранапредставляет собой предел выносливости при симметричном цикле нагружения, 2014-09-28 19-25-50 Скриншот экрана обозначается через 2014-09-28 19-26-39 Скриншот экрана.

Для кривой выносливости левее луча  2014-09-28 19-28-47 Скриншот экранаможно записать эмпирическую зависимость:

2014-09-28 19-29-51 Скриншот экрана,

где К – эмпирический коэффициент, для стали 45 равный 0,6; для других марок сталей около 0,4.

Правее этого луча 2014-09-28 19-28-47 Скриншот экрана  в некоторый момент начинается медленное развитие шейки, как это имеет место при быстром нагружении материала.

Кривая пределов выносливости продолжена в область отрицательных напряжений, где значение  2014-09-28 18-41-32 Скриншот экранаменьше абсолютного значения 2014-09-28 19-33-59 Скриншот экрана . В этой области амплитуды пределов выносливости быстро возрастают. Это обстоятельство дает основание утверждать, что при знакопостоянных напряжениях сжатия усталостные разрушения сталей отсутствуют.

Для сравнения с диаграммой Хея-Зодерберга для стали представим такую же диаграмму для серого чугуна. Чугун С4 12-28 представляет относительно хрупкий материал.

2014-09-28 19-37-17 Скриншот экрана

Кривая пределов выносливости доходит до линии I, уравнение которой 2014-09-28 19-21-24 Скриншот экранатак как чугун разрушается без образования шейки. В области сжимающих напряжений кривая выносливости имеет экстремум и располагается внутри треугольника оав. Это означает, что сопротивление циклическому сжатию ниже сопротивления статическому сжатию. Предел выносливости стали связан с пределом прочности материала и зависит от вида деформации.

Известны следующие эмпирические зависимости для определения предела выносливости при симметричном цикле нагружения:

при изгибе 2014-09-28 19-40-37 Скриншот экрана

при растяжении 2014-09-28 19-41-30 Скриншот экрана

при кручении 2014-09-28 19-42-13 Скриншот экрана

В настоящее время нет достаточно чёткого объяснения того, что в условиях значительных сжимающих напряжений пластические материалы не разрушаются. По-видимому, под действием растягивающих напряжений микротрещина будет развиваться и расти, а под действием сжимающих напряжений закрываться .