» » Прочность при одноступенчатой переменной нагрузке
20.01.2015

Под циклической прочностью, вибропрочностью или динамической прочностью понимается поведение материала при нагрузках, изменяющихся последовательно с изменением амплитуды. При этом исходят из динамических нагрузок в HCF (High Cycle Fatiguc)-диапазоне (многоцикловая усталость), амплитуды которых находятся ниже предела текучести и соответствуют, таким образом, нагрузке, преобладающей в машиностроении. От них нужно отличать нагрузки в LCF (Low Cycle Fatigue)-диапазоне (малоцикловая усталость), когда происходит медленная смена нагрузок, порядок величины от 0,2 в минуту и более до 1 в час или 1 в день и менее того.
Амплитуды смены нагрузки в области LCF (малоцикловой усталости), находятся много выше предела текучести. При одинаковой высоте в серии амплитуд испытания для установления предела усталости называются одностадийными испытаниями.
Испытание динамическрй прочности происходит на испытательных машинах на растяжение — сжатие, которые могут с помощью сервогидравлического управления наносить пульсирующие нагрузки, или нагрузки наносятся резонансными пульсаторами, механическим возбуждением, магнитными и ультразвуковыми возбуждениями. Для исследования динамического режима прочности также применяются испытания на усталость при знакопеременном изгибе вращающегося образца, испытания на знакопеременное кручение и изгиб.
Переменная нагрузка на материал с амплитудами напряжения, лежащими ниже предела текучести, может привести к повреждениям вследствие образования трещин, их развития и излома. Этот факт свидетельствует о том, что в материале ниже предела текучести также протекают микропластические процессы, которые в конце концов приводят к усталости материала и благодаря ее аккумуляции к излому. Таким образом, срок службы материала при динамической нагрузке зависит от амплитуды напряжения и числа смен нагрузки.
Связь между этими параметрами изображается на так называемом графике Вёлера (рис. 3.2.1). График Вёлера — это линия, при превышении которой с определенной вероятностью наступает излом образцов. Расширенная диаграмма Вёлера (см. рис. 3.2.1) содержит наряду с линией Вёлера и область перенапряжения, в которой материал не подвергается усталости; при превышении этой области создается определенная вероятность образования трещин, однако без того, чтобы эти трещины при соответствующей амплитуде могли расти.
Прочность при одноступенчатой переменной нагрузке

Наконец, эта диаграмма содержит "граничную линию" следов деформации. Это значит, что выше этой линии при исследовании структуры могут быть установлены следы микроскольжения, которые ведут к изменениям материала и повреждениям. Кривую Вёлера можно разделить по зависимостям амплитуды напряжения от числа циклов нагрузки на различные участки. Выше предела текучести существует участок прочности при переменном растяжении, или кратковременной циклической прочности (малоцикловая усталость). Затем следует участок временной прочности, при которой срок службы образца ограничен уровнем и числом циклов нагрузки. В частности, у стали выше числа циклов переменной нагрузки 10в7 происходит переход графика Вёлера в горизонтальную ветвь. Это и есть зона, в которой материал называется выносливым.
У многих цветных металлов и их сплавов, а также у аустенитных сталей (г.ц.к.-структура) отсутствует предел усталости в изложенном смысле, так что также выше числа циклов нагрузки 10в7 еще могут наступить разрушения.
Если материал подвергается нагрузке в реактивных средах, то нет больше определенного предела усталости, график не имеет горизонтального участка. Это может быть при нагрузках в масле с определенными добавками, в газовых атмосферах и в водных средах, особенно в конденсированном паре, например в паротурбинном производстве. В этих случаях существуют условия усталости поглощения или вибрационного коррозионного растрескивания (рис. 3.2.2). В тех случаях, когда должно одновременно существовать воздействие среды и смены нагрузки, часто нельзя установить внешне видимых следов коррозии (вибрационное коррозионное растрескивание в пассивной зоне).
Прочность при одноступенчатой переменной нагрузке

В частности, в зоне перехода от предела выносливости к пределу усталости или (соответственно) при изменениях подъема графика Вёлера на нагрузочном уровне часто имеют место значительные рассеивания (разбросы) чисел циклов нагружения, поэтому для получения надежных данных необходимы большие затраты на образцы, причем тогда могут быть указаны линии определенной вероятности излома. Допустимые числа циклов нагружения зависят также от среднего напряжения амплитуды колебаний. От уровня среднего напряжения назначаются предельные давления, предельные переменные нагружения и предельные нагрузки на растяжение. Влияние среднего напряжения изображается с помощью диаграмм предела усталости, которые справедливы для постоянного числа циклического нагружения N (срок службы). В диаграмме предела усталости по Хайгу (Haigh) амплитуда напряжения, допустимая для постоянного числа переменного нагружения, наносится в зависимости от среднего напряжения, т.е. от отношения напряжений R (рис. 3.2.3). При этом R определяется как отношение нижнего к верхнему напряжению.
Прочность при одноступенчатой переменной нагрузке
Прочность при одноступенчатой переменной нагрузке

В другом изображении, по Смиту, указывается уровень верхнего и нижнего напряжения (σ0 или σu) при различных средних напряжениях, чтобы, смотря по обстоятельствам, при данных условиях подойти к одинаковым числам циклов нагружения (рис. 3.2.4). Так как микроскопические процессы, существенные для усталости материала, проявляются в таких "местах образования зародышей", как, например, неоднородность поверхности, то качество поверхностй отчетливо влияет на предел выносливости и предел усталости (рис. 3.2.5).
Прочность при одноступенчатой переменной нагрузке

Благодаря более высокому качеству поверхности, например полировке, может повышаться предел усталости деталей. Напряжение предварительного сжатия на поверхности также повышает предел усталости, как это можно установить из диаграмм предела усталости. Влияние полирования раскаткой на предел усталости видно из рис. 3.2.6. Если при нагрузках в пластической зоне препятствия при изменении формы путем надреза ведут к кажущемуся возрастанию прочности при испытании на растяжение, то надрезы при переменных нагрузках проявляются ниже предела текучести всегда как уменьшающие срок службы. Уменьшение срока службы образца с надрезом в сравнении с ненадрезанным образцом выражается коэффициентом концентрации напряжений
Прочность при одноступенчатой переменной нагрузке