Методи визначення границі витривалості. Діаграми утоми

Щоб визначити границю витривалості того або іншого матеріалу, потрібно на відповідній іспитовій машині випробувати партію зразків з даного матеріалу в кількості не менш 6—12 шт. Для цього найчастіше беруть гладкі циліндричні зразки діаметром 7—10 .

Границі витривалості матеріалу при обраній характеристиці циклу , зрозуміло, будуть різними залежно від виду деформації, при якій випробовують зразки, тобто залежно від того, при змінних напруженнях розтягання-стискання, змінному крутінні, згинанні або в умовах складного напруженого стану їх випробовують. Тому, ставлячи перед собою ціль одержання границі витривалості, варто заздалегідь указати, при якому виді деформації й характері зміни напружень за цикл потрібно визначити границю витривалості.

Відповідно до поставлених вимог вибирають необхідну випробувальну машину. Для випробування матеріалу на витривалість при змінному розтяганні-стисканні можна взяти інерційну машину, схема якої наведена на рис. 3.

У лабораторних умовах симетричний цикл здійснити простіше, ніж будь-який інший. Схема найпростішої установки для визначення границі витривалості при згинанні у випадку симетричного циклу показана на рис. 4. При обертанні зразка його зовнішні волокна будуть випробовувати поперемінно то розтягання (коли вони розташовані зверху), то стискання (при повороті зразка на ).

Рис. 3. Інерційна машина для випробувань на витривалість

Число обертів в хвилину найпоширеніших вномленостних машин звичайно порядку ( ). Тому випробування на втому з метою одержання границі витривалості вимагає тривалого часу, обчислювального тижнями безперервної роботи машини. За останнім часом у багатьох випадках при дослідженні витривалості матеріалів і конструктивних деталей застосовують більш швидкохідні машини — , а в деяких випадках і (ультразвукові частоти). В останньому випадку для випробування потрібні тільки десятки хвилин.

Рис. 4. Схема установки

При випробуванні партії зразків з метою одержання границі витривалості необхідно давати такі навантаження на окремі зразки, щоб вони руйнувалися, витримавши різне число циклів навантаження.

Обробка отриманих експериментальних даних звичайно супроводжується побудовою кривої утоми, що у літературі часто називається кривою Веллера (рис. 5). Криву утоми будують по точках у координатах числа циклів і напруження . Кожному зразку, що зруйнувався, на діаграмі відповідає одна точка з координатами (число циклів до руйнування) і (напруження), тобто крива утоми являє собою функцію .

Рис. 5. Крива Веллера

Порядок установлення навантажень на випробовувані зразки в більшості випадків приймають спадаючої, тобто на перший зразок дають навантаження, що значно перевищує границю витривалості, а навантаження на наступні зразки поступово знижують. Зрозуміло, кожний з менш навантажених зразків буде витримувати все більше й більше число циклів. Може бути прийнятий і інший порядок установлення навантажень.

Будуючи криву утоми по точках зразків, що зруйнувалися, легко переконатися, що, наприклад, при випробуванні сталі (рис. 5, крива ), при високому рівні напружень крива круто падає, а в міру зниження їх крутість зменшується, і крива асимптотично наближається до деякої горизонтальної прямої, що відтинає на осі ординат відрізок, величиною якого й визначається границя витривалості. Ордината точки на кривій, де остання практично починає збігатися із зазначеної асимптотою, відповідає такому напруженню, при якому зразок не зруйнується, пройшовши число циклів, що відповідає заздалегідь заданій величині, так званій базі випробування .

Неважко зрозуміти, що за базу випробування саме й приймають то число циклів, при якому правий кінець кривої утоми проходить практично паралельно осі абсцис. Виходячи із цього, базою випробування на витривалість називається найбільше число повторно-змінних навантажень, істотне перевищення якого не повинне приводити до усталостних руйнувань випробовуваного зразка при даному напруженні.

Для чорних металів (стали, чавуну й т.п.) за базу випробувань звичайно приймають 10 млн. циклів, а для кольорових (міді, алюмінію, і т.п.) — число, в 5—10 разів більше. З розгляду характеру втомленостної кривої для кольорових металів (рис. 5, крива ) видно, що на великій ділянці вона спадає досить поступово, тобто крива прагне до асимптоти повільно, тому й доводиться в цьому випадку за базу випробування приймати більше число циклів. Взагалі для таких металів можна говорити тільки про деяку умовну границю утоми. Умовною границею утоми називається максимальне напруження, при якому не відбувається руйнування при здійсненні певного, наперед заданого числа циклів, що відповідає тій або іншій прийнятій базі випробування.

.

а

Рис. 6. Способи побудови діаграм утоми

На закінчення відзначимо, що, згідно численним експериментальним даним, для деяких матеріалів можна помітити певні співвідношення між границями витривалості при різних видах деформації, і зокрема, між границями витривалості при згинанні , крутінні й розтяганні-стисканні при симетричних циклах.