Длительное действие на металлические изделия пере­менных напряжений может вызвать постепенное накопление по­вреждений, образование трещин и разрушение. Процесс посте­пенного накопления повреждений и разрушение металлов под действием многократно приложенных нагрузок носит название усталость. Свойство металлов сопротивляться усталости носит название выносливость.

Проблема усталости к настоящему времени имеет исключи­тельно большое значение. По нашим ориентировочным подсчетам исследованиями усталости металлов в СССР занимаются свыше 1500 научных работников. И несмотря на такое большое внимание к проблеме, количество усталостных разрушений металлов в экс­плуатации не только не уменьшается, а, наоборот, возрастает. Объясняется это увеличением количества объектов, работающих в режиме переменных нагрузок.

Усталость является наиболее распространенной причиной раз­рушения машинного оборудования и конструкций в период экс­плуатации. Значительный ущерб приносят усталостные разру­шения рельсовому транспорту, энергетике, авиации, автотранс­порту, химическому и металлургическому оборудованию, свар­ным конструкциям и многим другим областям и объектам современ­ной техники.

Характерной особенностью разрушений металла от усталости является пониженный уровень необходимых для этого напряжений по сравнению с их уровнем, приводящим к разрушению при одно­кратном приложении нагрузки. Наибольшее напряжение, не при­водящее еще к разрушению от усталости того или иного образца металла, называется пределом выносливости. Предел выносливо­сти всегда меньше, чем предел прочности ав или предел текуче­сти от при соответствующих видах нагружения. Характер изме­нения напряжений в пределах каждого цикла может быть раз­личным: плавно изменяющимся (например, по синусоиде), тра-

пециевидным или треугольным (рис. 6). Изменяющиеся в пределах цикла на­пряжения в общем случае могут быть выражены аналитически:

О + vj (0.

Т + тJ (0,

где от и хт — средние напряжения цикла; та и оа — амплитуды цикла; f (t) — некоторая непрерывная перио­дическая функция, изменяющаяся от + 1 до —1.

Если среднее напряжение цикла (ат, тт) равно нулю, то цикл называется симметричным, если оно отлично от нуля, то цикл носит название асиметричного (или несимметричного). В сим­метричных циклах наибольшее (0тах, ттах) и наименьшее (от1п, ттт) напряжения равны по величине и противоположны но знаку. В асимметричных циклах максимальное и минимальное напря­жения всегда имеют разную величину:

^шах =	<*а;
^шах === Ъп	+ та;
°mln =	—<*а;
^ mm '	— та.

Степень асимметрии цикла принято выражать отношением ниж­него (или минимального) напряжения цикла к верхнему (или мак­симальному) напряжению никла, взятыми с соответствующими

знаками:

Ъmin T-max

Различные виды циклов напряжений и соответству­ющие значения коэффи­циентов асимметрии пока­заны на рис. 7.

Рис. 7. Разновидности циклов на­пряжений и соответствующие им зн ачения коэффициентов асиммет - рии К а

Влияние среднего (постоянного) напряжения цикла (ат; хт) на сопротивление металлов усталости заключается в том, что с ростом средних растягивающих напряжений предельная амплитуда цикла оа (пред) уменьшается, а с ростом средних сжимающих напряжений Оа (пред) увеличивается (рис. 8). Количественно эта закономерность выражается в виде коэффициентов влияния асим­метрии цикла:

Т. е. б виде отношения приращения предельной амплитуды к соот - ьетствующему приращению среднего напряжения цикла. Вели­чина коэффициентов и фх зависит от свойств металлов и изме­няется в пределах 0 <фа < 0,5; 0 < фт < 0,2.

Для мягких сталей указанные величины коэффициентов меньше, чем для твердых.

Таким образом, предельная амплитуда для несимметричного цикла с коэффициентом асимметрии R будет связана с предельной амплитудой при симметричном цикле следующей зависимостью:

°R = — Ф°т>

где от — алгебраическая величина среднего напряжения

При усталостных испытаниях на симметричный изгиб или ра­стяжение-сжатие приложение к испытуемому образцу постоян­ного крутящего момента не оказывает заметного влияния на пре­дельную амплитуду [81 ].

На рис. 8 дана типичная диаграмма зависимости предельных амплитуд цикла от средних напряжений. Значения верхних и нижних напряжений цикла ограничиваются пределами текуче­сти соответственно при растяжении от и при сжатии и т. Если амплитуда рабочих переменных напряжений оа (ра6) остается постоянной с изменением величины средних напряжений цикла от и равна оа (пред) при симметричном цикле, то отношение К —

°а (раб)/°а (пред) буДЄТ ИЗМЄНЯТЬСЯ СОГЛаСНО НИЖНЄЙ КрИВОЙ,

изображенной на рис. 8. Это отношение К можно рассматривать как коэффициент, корректирующий величину запаса предела

прочности (п = аа-(|-рс-)-) при циклическом нагружении металли-

0а (раб) /

ческих образцов или деталей в зависимости от величины и знака средних напряжений цикла. Чтобы учесть влияние среднего на­пряжения цикла, запас предела прочности по предельной ампли­туде следует умножить на коэффициент К. На рис. 8 показан ча­стный случай, когда (тт«=! — с т и фо^0,5. Здесь неблагоприят­ное проявление средних растягивающих напряжений может вы-

Рис. 8. Изменение соотношений рабочих амплитуд напряжений и предельных ампли - туд напряжений оа' (пред) = / (<W «* за­висимости от изменений средних напряже­ний цикла

ражаться в двукратном пониже­нии запаса предела прочности от действия средних растягива­ющих напряжений. Благоприят­ное проявление средних сжима­ющих напряжений может выра­жаться также в двукратном повышении запаса предела прочности (абсцисса Б /(=0,5); при этом оно распространяется на значительно больший диапа­зон их значений (О—А), чем в случае средних растягиваю­щих напряжений. Положитель­ная роль средних сжимающих напряжений может проявляться даже в области, где нижние значения напряжений цикла достигают величины предела теку­чести при сжатии (участок Б—А абсциссы). Чрезмерно большие средние сжимающие напряжения могут приводить и к неблаго­приятному эффекту в смысле снижения величины запаса предела прочности (участок левее точки А на абсциссе).

На рис. 9 (по данным Смита) показаны результаты испытаний на осевое растяжение мягких сталей 13 различных марок при раз­личных значениях средних напряжений. Они показывают боль­шое колебание величины ф, среднее значение которой ф = 0,2.

На сопротивление усталости деталей машин и частей сооруже­ний оказывает существенное влияние ряд факторов: состав и струк­тура материала; вид напряженного состояния и характер измене­ния его во времени; форма и размеры нагружаемых объектов; состояние поверхности; остаточная напряженность; температура; активность окружающей среды и др. В связи с этим определить расчетным методом пределы выносливости для реальных кон­струкций, в которых, как правило, действуют многие из перечис­ленных выше факторов, чрезвычайно трудно. В настоящее время ведутся активные исследования, касающиеся вскрытия природы усталостного разрушения [65, 145, 177] и разработок аналити­ческого прогнозирования усталостных характеристик для раз­личных конкретных практических случаев [73].

Анализ полученных результатов усталостных испытаний в соот­ветствии с известными положениями статистической теории по­добия усталостных разрушений (по С. В. Сереисену и В. П. Ко - гаеву) показал, что пределы выносливости образцов мягкой стали удовлетворительно описываются уравнением типа

lg(<W*e—8.9) = 1,4 — 0,231 lg 2 “ц2

р ' d

где о_1(? — предел выносливости образцов в номинальных напря­жениях; а0 — теоретический коэффициент концентрации напря­жений; d — диаметр образца в опасном сечении; р — радиус закругления вершины концентратора.

До настоящего времени сопротивление усталости определяют почти исключительно па базе экспериментальных исследований. При этом наиболее надежные результаты обеспечиваются при испытаниях натурных конструкций или их элементов. Для экспе­риментальных исследований по усталости создан ряд установок, позволяющий вести испытания как мелких, так и крупных образ­цов или элементов конструкций [11, 93, 102, 158]. Например, широко используют гидропульсаторные установки, резонанс­ные машины с механическим или электромагнитным силовозбуж - дением, а также многочисленные конструкции, осуществляющие изгиб вращающихся образцов.

Лабораторные испытания на усталость малых образцов регла­ментируются в СССР положениями соответствующего стандарта, согласно которому испытания можно проводить на гладких и на­дрезанных образцах при симметричном и асимметричном циклах, при нормальной (+20° С), повышенной и пониженной температу­рах. Предусматриваются также испытания в агрессивных сре­дах. Стандарт не распространяется на испытания деталей, узлов, сварных, заклепочных и других соединений, а также на испыта­ния при ударных или тепловых циклических воздействиях. Та-

ким образом, роль тестированных методических указаний весьма ограничена и в испытательной практике пользуются весьма раз­нообразными средствами и методами, стараясь в каждом конкрет­ном случае по возможности полнее имитировать эксплуатацион­ные условия.

Для сравнительных целей допускаются испытания образцов металла или изделий на одном уровне переменных напряжений с фиксированием долговечности (по числу циклов до разрушения). К такому способу прибегают при испытании сложных дорогостоя­щих или крупногабаритных моделей, или натурных изделий, из­готовление и испытание которых в крупных сериях вызывает большие затруднения. Однако в этих случаях следует особо вы­бирать условия испытания (вид и уровень нагрузки, среду и др.), с тем чтобы они полнее отвечали эксплуатационным.

Весьма часто можно наблюдать пересечение кривых усталости, построенных для разных испытуемых объектов (рис. 10), а также для образцов, отличающихся формой (т. е. степенью концентрации и градиентом напряжений), остаточной напряженностью, абсо­лютными размерами, составом и структурой и др. [96]. От вы­бора уровня напряжений при усталостных испытаниях в этих случаях будет многое зависеть. Неудачно выбранный уровень напряжений может привести к ошибочным выводам по резуль­татам усталостных испытаний.

Графическая запись результатов испытаний на усталость (кри­вая усталости) показана на рис. 11. Как правило, кривые уста­лости строятся в координатах о — lg N, где о — либо амплитуда

цикла, либо верхнее напря­жение цикла. Обычно огра­ничиваются цикловой базой 107 циклов, полагая, что в этих пределах кривая уста-

Рис. 11. Типичная кривая усталости круглых образцов стали 45 при испыта­нии на симметричный изгиб при вра­щении

лости выходит на горизонталь. В связи с большим разбросом экспериментальных точек на построение кривой усталости ре­комендуется затрачивать не менее десяти одинаковых образцов. При необходимости вероятностных оценок сопротивления уста­лости осуществляют статистическую обработку результатов ис­пытаний [165]; для этого используют большое количество образ­цов (испытания ведут на четырех-пяти уровнях напряжений по 6—15 образцов на каждом уровне). Величины пределов выносли­вости в разных случаях могут различаться и потому, что скорость развития усталостной трещины может быть разной дли разных объектов и условий испытаний.

Появившаяся при определенных условиях нагружения уста­лостная трещина может при сохранении этих условий прогрессивно увеличиваться или замедлять свое развитие вплоть до полной стабилизации. Такие неразвивающиеся трещины часто наблю­даются при испытаниях образцов с резкой концентрацией напря­жений, с остаточными напряжениями и с различными упрочняю­щими поверхностными обработками. Это явление находит объ­яснение в перераспределении рабочих и остаточных напряжений в процессе роста усталостной трещины [83].

За критерий усталостного разрушения может быть принято либо полное разрушение испытанного образца, либо появление трещины заданных размеров. В зависимости от выбора критерия разрушения числовые характеристики сопротивления усталости могут в большой степени отличаться друг от друга.

В настоящее время классические испытания на усталость малых гладких шлифованных образцов при температуре 2СГ С следует считать не только недостаточными, но и зачастую беспо­лезными. Немецкие металлургические фирмы, например, сов­сем отказались от таких испытаний своей продукции, так как по­лучаемая при этом информация не дает представления об экс­плуатационной стойкости материалов.

Состояние поверхности деталей, концентраторы напряжений, окружающая среда, температура и прочие факторы настолько сильно влияют на сопротивление усталости, что сама по себе усталостная прочность металла гладких шлифованных образцов не является сколько-нибудь показательной. Кроме того, между пределом выносливости а_! образцов и временным сопротивлением разрыву а„ для сталей существует довольнс устойчивая зависи­мость (рис. 12), которую можно использовать для расчетного опре­деления предела выносливости на основе кратковременных испы­таний на растяжение [81]. В большинстве случаев испытания на усталость ведут при напряжениях от изгиба или кручения. Реже применяют осевые (растяжение-сжатие) или сложные нагрузки (изгиб + кручение и др.). При этом различают испытания при заданных величинах напряжений (мягкая нагрузка) и деформаций (жесткая нагрузка) В последнем случае усталостной характери­стикой испытуемого объекта является предельная величина

Рис. 12. Зависимость между пределами выносливости а_г при симметричном цикле и пре­делами прочности сталей при растяжении (70

деформации при заданной долговечности. Испытания на усталость при жесткой нагрузке производят преимущественно на неболь­шой цикловой базе (10—105 циклов), что определяет высокий уровень действующих напряжений (превышение предела теку­чести в опасных местах испытуемого объекта).

Сопротивление материалов переменным деформациям является характеристикой, отличающейся от соответствующей характери­стики сопротивления переменным нагрузкам. Различные мате­риалы могут обнаруживать существенно различную способность сопротивляться переменным деформациям даже при близких зна­чениях сопротивления переменным напряжениям.