При переменных напряжениях после некоторого числа циклов может наступить разрушение детали, в то время как при неизменном во времени напряжении разрушение не происходит.

Причиной разрушения материала при переменных напряжениях является образование микротрещин в зоне повышенных напряжений, обусловленных различными факторами и их проникновением вглубь тела.

В результате развития трещин сечение ослабляется и происходит внезапное разрушение.

Основные характеристики цикла и предел усталости.

При одноосном напряженном состоянии σ_max и σ_min - наибольшее и наименьшее напряжения цикла.

Отношение = r – коэффициент ассиметрии цикла.

В случае, если σ_max = - σ_min, r = -1, цикл называется симметричным. В случае, если σ_min = 0 или же σ_max= 0, цикл называется пульсационным.

 

Циклы, имеющие одинаковые показатели r, называются подобными. Любой цикл может быть представлен как результат наложения постоянного напряжения σ_m на напряжение, меняющееся по симметричному циклу с амплитудой σ_а. При этом

σ_m = , σ_a= .

Процесс образования трещин при переменных напряжениях связан с накоплением пластических деформаций и называется усталостью или выносливостью. Для оценки усталостной прочности в условиях заданного цикла достаточно знать σ_max иσ_min или σ_m и σ_a.

Опытным путем ( испытания на усталость ) установлено, что для большинства черных металлов можно указать такое наибольшее максимальное напряжение, при котором материал не разрушается при любом числе циклов. Такое напряжение называется пределом усталости или пределом выносливости – σ_r , где r- коэффициент цикла.

Для симметричного цикла σ_r = σ_-1, для пульсационного σ_r = σ₀.

Для цветных металлов и закаленных сталей не удается установить число циклов, после которых образец не разрушился бы в дальнейшем. Поэтому в таких случаях вводят условный предел выносливости – напряжение, при котором образец способен выдержать 10⁸ циклов.

Для достоверного определения предела выносливости нужно испытать большое число образцов (40 - 60) с последующей обработкой результатов.

Для устранения этой трудоемкой операции, предел выносливости связывают с известными механическими характеристиками материала.

Принято считать : для сталей при изгибе σ_{-1 =} (0,4÷0,5)σ_вр, для высокопрочных сталей σ_-1=(400+σ_вр) МПа, для цветных металлов σ_-1=(0,25÷0,5)σ_вр.

При кручении, для обычных сталей τ_-1=0,56σ_-1, для хрупких материалов

τ_-1=0,8σ_-1.

Для несимметричных циклов путем задания постоянного значения _т путем последовательных испытаний образцов находят такое наибольшее значение амплитуды σ_а, при котором материал способен еще выдержать неограниченное число циклов. В результате серии испытаний строится график σ_т-σ_а, характеризующий прочность материала в условиях несимметричных циклов. Эта диаграмма называется диаграммой усталостной прочности. Условно она представляется в виде наклонной прямой. Точка А соответствует σ_вр - предел прочности при простом растяжении, а точка В отражает результаты испытания в условиях симметричного цикла.

Если рабочая точка (р.т.) с напряжениями σ_т и σ_а располагаетсяниже предельной прямой АВ деталь может в условиях циклических напряжений работать неограниченно долго, если выше, то деталь разрушается после некоторого числа циклов.

Влияние различных факторов на предел усталости.

На предел усталости деталей, кроме материала, оказывают влияние следующие факторы :

Концентраторы напряжений. Они учитываются коэффициентом концентрации k_т=,где σ_max и σ_ном – наибольшее местное и номинальное (без учета эффекта концентрации) напряжения.

Данные по величине k_т приводятся в виде таблиц и графиков в справочниках.

Наряду с концентрацией напряжений на усталостную прочность оказывает влияние и состояние поверхности. Этот фактор учитывается коэффициентом качества поверхности ε_п=, где σ_-1 и σ_-1п – соответственно предел усталости детали со стандартной обработкой поверхности и состояние поверхности рассчитываемой детали. Эти данные приводятся в виде графиков.

Следующим является масштабный фактор или размеры детали. Этот фактор учитывается коэффициентом масштабного фактора: ε_м=, где σ_-1Д и σ_-1

соответственно, предел усталости детали и предел усталости стандартного образца и определяется из таблиц и графиков.

Запас усталостной прочности и его определение.

Для опрделения запаса усталостной прочности на диаграмме σ_т-σ_а откладывают рабочие значения σ_т и σ_а с учетом всех поправок. Затем соединяют рабочую точку с началом координат и продолжают до пересечения с диаграммой. Значение коэффициента запаса опрделяют графически, как отношение: п_r=, которое характеризует степень близости рабочих условий к предельным для данного материала.