ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ НА МНОГОЦИКЛОВУЮ УСТАЛОСТЬ

В настоящее время циклические испытания механических свойств материалов имеют существенное значение, так как во время работы большая часть деталей машин, транспортных конструкций и др. претерпевают влияние переменных нагрузок.

В материалах, в результате циклических напряжений, появляются и со временем развиваются трещины, которые в дальнейшем приводят к полному разрушению.

Усталостью называется постепенный процесс увеличения повреждений в материалах под влиянием циклических нагрузок, который приводит к изменению его свойств, образованию трещин и дальнейшему разрушению.

Задачей усталостных испытаний является количественная оценка способности материала работать в условиях циклического нагружения, не разрушаясь при этом.

Методика выполнения испытаний на многоцикловую усталость

Многоцикловой усталостью называют усталость материала, при которой усталостное повреждение или разрушение происходит в основном при упругой деформирмации.

Существует много современных разнообразных методов испытаний на усталость. Они отличаются характером изменений напряжений во времени, схемой нагружения (растяжение-сжатие, изгиб, кручение), наличием или отсутствием концентраторов напряжений. Усталостные испытания выполняются при различных температурах и в различных средах.

Циклические напряжения, которые постоянно изменяются по величине, а во многих случаях и по знаку, воздействуют на образцы во время каждого усталостного испытания.

Цикл напряжений – это совокупность переменных значений за одно время их изменения. Максимальным напряжением цикла – σ_max называют напряжение, наибольшее по алгебраической величине. Минимальным напряжением цикла - σ_min – наименьшее по алгебраической величине.

Цикл является симметричным, если R_σ = -1 (кривая 1 на рис.1). Цикл называется асимметричным, если минимальное и максимальное напряжение цикла различны по величине (кривая 2 на рис.1). На практике чаще всего используют знакопеременные циклы с R_σ = -1.

Рисунок 1. Разновидности циклов напряжений:

1 – симметричный цикл, 2 – асимметричный

По ГОСТ 25.502-79 испытания на усталость проводят на образцах круглого и прямоугольного сечений, гладких и с надрезом. Некоторые из стандартных образцов показаны на рис. 2. Диаметр цилиндрической части гладких образцов d обычно составляет 5-10 мм, а у образцов с надрезом d=10…20 мм при глубине надреза t=0,25*d. Ширина рабочей части плоских образцов b = 10…20 мм и толщина h = 5…10 мм.

Рисунок 2. Рабочие части образцов для испытания на усталость:

a – тип II, б – тип IV, в – тип V, г – тип VII

Выносливость образцов существенно зависит от их размеров, часто они довольно выше у образцов с меньшим сечением. Поэтому для сравнения необходимо использовать данные, полученные на образцах одного типа.

Качество и состояние поверхностного слоя образца существенно влияют на итоговые результаты усталостных испытаний. Качество поверхности должно соответствовать 9-10 классу чистоты.

Количество циклов до разрушения при заданных характеристиках цикла является первоначальным результатом усталостного испытания одного образца. Разрушение образца; или образование трещины конкретной протяженности; или существенное развитие пластической деформации образца относят к критериям разрушения.

Подвергают испытанию часть образцов, как правило, не меньше 15. Каждый из них испытывают при конкретном значении максимального напряжения цикла σ_max (или σ_a). По полученным результатам испытаний строят кривую усталости.

Максимальное напряжение для первого образца обычно задают на уровне 2/3σ_B , а минимальное на уровне (0,3 – 0,5)σ_B. Из-за относительно большого разброса экспериментальных точек строить это кривые рекомендуется методом наименьших квадратов.

Типы циклов

Одной из наиболее распространенных в технических объектах форм циклов является синусоидальная, но могут встречаться и другие типы циклов (рис. 3), в том числе зубовидный (треугольный), трапециевидный, прямоугольный и др. Вместе с тем во многих машинах при наличии сложных источников возбуждения колебаний нагружение носит полигармонический характер, который может быть воспроизведен лишь в условиях испытаний с программным нагружением.

Рисунок 3. Различные формы циклов напряжений

Эксплуатационное нагружение по характеру создаваемого в изделиях напряженного состояния бывает весьма сложным, однако, обычно выделяют доминирующий тип нагружения и соответствующее ему напряженное состояние. К наиболее часто встречающимся типам нагружения, применительно к которым создаются испытательные машины, относятся: чистый и поперечный изгибы, осевое растяжение (сжатие), кручение, нагружение внутренним давлением при наложении гидростатического давления, комбинированные виды нагружения с целью воспроизведения различных сложнонапряженных состоянии.

Наиболее типичные схемы нагружения приведены на рис. 4.

Рисунок 4. Схемы нагружения образцов при циклических испытаниях: а – чистый изгиб при вращении; б – поперечный изгиб при вращении; в – чистый изгиб в одной плоскости; г – поперечный изгиб в одной плоскости; д – повторно-переменное растяжение-сжатие; е – повторно-переменное кручение

Список литературы:

1. Терентьев В.Ф., Кораблева С.А. Усталость металлов. – M.: Издательство Наука, 2015. – 479 c.;
2. Терентьев В.Ф. Усталость металлических материалов. – M.: Издательство Наука, 2003. – 254 c.;
3. Терентьев В.Ф., Оксогоев А.А. Циклическая прочность металлических материалов. Учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. – 61 с.;
4. Москвитин В.В. Циклические нагружения элементов конструкций. – М.: Наука, 1981. — 344 с.