Испытания долговечности

Многие детали машин (валы, шатуны, зубчатые колеса) испытыва­ют во время работы повторяющиеся циклические нагружения. Цикл на­пряжения - совокупность изменения напря-жений между двумя его пре­дельными значениями σ_max и σ _min в течение периода Т. При экспери­ментальном исследовании соп-ротивления усталости материала за основ­ной принят синусо-идальный цикл изменения напряжения (рис. 1.6.). Он харак-теризуется коэффициентом асимметрии цикла R = σ _min / σ_max; ам­плитудой напряжения σ_a = (σ _max - σ _min) / 2; средним напряжением цикла σ _m = (σ _max + σ _min)/2.

Рис. 1.6. Синусоидальный цикл изменения напряжений

Различают симметричные циклы (R = -1) и асим-метричные (R из­меняется в широких пределах). Различные виды циклов характеризуют различные режимы работы деталей машин.

Долговечность металлов определяется испытаниями на усталость, ползучесть и длительную прочность, износ, коррозию и другими методами.

Процессы постепенного накопления повреждений в материале под дей­ствием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, обра­зованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью. Усталостью металла называется разрушение металлов под действием повторных или знакопеременных нагрузок. Уста­лостное разрушение происходит, например, у пружин автомати­ки, деталей кулачковых механизмов, и т.д., работающих в ре­жимах «нагружение - разгрузка», «растяжение - сжатие»; при многократном повторении ударных или плавно возрастающих нагрузок. У валов, передающих крутящий момент, материал ко­торых испытывает изгиб с вращением, происходит многократ­ное изменение знака напряжений (растяжение - сжатие) и т.д. Около 80% всех разрушений носят усталостный характер. Усталостное разрушение имеет ряд характерных признаков. Устало­стный излом (рис. 1.7) состоит из зоны с ровной и блестящей поверхностью, которая включает в себя: место зарождения разрушения и зону стабильного развития трещины (1); участок раз­вития трещины (З); связанный с окончательным разрушением. Очаг разрушения обычно расположен вблизи поверхности. В зоне усталости нередко можно видеть полосы, расходящиеся от очага разрушения (усталостные бороздки) и отра­жающие последовательное положение растущей тре­щины (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Излом усталости: 1 – зона очага разрушения; 2 – зона стабильного развития трещины; 3 – зона долома; 4 – усталостные бороздки

Характерно, что ус­талостное разрушение раз­вивается в деталях, рабо­тающих при напряжениях, меньших предела текучести металла. Образование уста­лостной трещины связано с реальным строением метал­лов - наличием различно ориентированных зерен и блоков, неметаллических включений, микропор, дислокаций и других дефектов кристаллической решетки.

Трещины являются сильными концентраторами напря­жений, и из них образуются микротрещины, далее соединяю­щиеся в общую усталостную микротрещину, постепенно рас­пространяющуюся на сечение. Разрушение происходит в ре­зультате возрастания напряжения в оставшейся зоне сечения.

Таким образом, усталость - процесс постепенного нако­пления повреждения металла под действием повторных переменных напряжений, приводящих к образованию трещин и разрушению.

Свойство металла сопротивляться усталости называется выносливостью.

Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости, под которым понимают максимальное напряжение, которое не вызывает разрушения образца при любом числе циклов (физический предел выносливости) или заданном числе циклов (ограниченный предел выносливости). Предел выносливости при симметричном цикле обозначается σ_-1

Методика проведения испытаний материалов на усталость регламенти­рована ГОСТ 25.502 - 79. Для определения предела выносливости испыты­вают не менее 15 образцов. Каждый образец испытывают только на одном уровне напряжений - до разрушения или до базового числа циклов. По ре­зультатам испытаний отдельных образцов строят диаграммы усталости в координатах максимальное напряжение - число циклов (рис. 1.8.).

Переход кривой усталости в горизонталь наблюдается обычно на сталях после 10⁷ циклов нагружения. Для цветных сплавов это значение составляет обычно 10⁸ циклов нагружения. Ордината, соответствующая постоянному значению σ_max, является физическим пределом выносливости.

Предел выносливости, т.е. сопротивление усталостному разрушению, резко снижается при наличии концентраторов напряжений. Чем тщательнее обработана поверхность детали, тем выше предел выносливости. По сравнению с полированными образцами шлифованные имеют σ_-1 на 10 - 15%, а фрезерованные на 45 – 50% ниже.

Рис. 1.8. Диаграмма усталости в различных координатах для материалов, имеющих (1) и не имеющих (2) физического предела выносливости

Термической усталостью называют усталость металлов, вы­званную напряжениями от циклических колебаний температуры. Термическая усталость отличается от силовой меньшим числом циклов и сравнительно высоким уровнем напряжений.

В холодильной и криогенной технике температурные гради­енты и соответствующие термические напряжения могут возни­кать из-за нагрева или охлаждения конструкций при заполнении или сливе охлаждающей жидкости, при попадании криогенных продуктов на относительно теплую поверхность металла емкостей, трубопроводов, деталей арматуры, могут быть вызваны различием теплофизических свойств, входящих в конструкцию деталей из разных материалов. Особенно опасно многократное наложение термических напряжений на напряжения от внешних нагрузок. Кроме того, некоторые металлы могут претерпевать структурные превращения при охлаждении. Все это может явиться причиной преждевременного разрушения детали.

Многие детали должны работать под нагрузкой в течение дли­тельного времени при определенной температуре. При этом про­исходит медленная пластическая деформация металла под дейст­вием постоянной нагрузки, создающей в детали напряжения, превышающие предел упругости, но меньшие, чем предел текуче­сти материала детали при данной температуре. Такая деформация называется ползучестью.

Различают ползучесть при высоких и низких темпе-ратурах. Более подробно изучена высокотемпературная ползу-честь. При деформации нагретого металла в нем развиваются два противопо­ложных процесса: упрочнение за счет наклепа при пластической деформации и разупрочнение в результате наг-рева. Если второй процесс преобладает, то в металле начинают развиваться диффу­зионные разупрочняющие процессы - отдых, коагуляция фаз, рекристаллизация, способствующие ползучести. Если при высо­ких температурах ползучесть происходит в ре-зультате диффузи­онных процессов, то при низких температурах она осуществляет­ся за счет движения и размножения дислокаций, имеет термоактивизированную природу и зависит от ряда факторов, из которых наибольшую роль играют температура испытаний и структура металла.

Основными критериями жаропроч­ности металлов являются предел дли­тельной прочности и предел ползу­чести.

Пределом длительной прочности называют напряжение, которое приводит к разрушению образца при заданной темпера-туре за определенное время, соответствующее условиям экс-плуатации изделий. Предел длительной прочности обозначают σ , где индексы t и τ обозначают температуру и время испы-таний: например, σ = 300 МПа означает, что длительная прочность металла при испытании в течение 200 ч при 700 °С составляет 300 МПа.

Кривая ползучести состоит из четырех участков (рис. 1.9). Участок ОА соответствует упругой и пластической дефор-мации, возникшей в момент приложения нагрузки. Участок АВ характе­ризует неустановившуюся ползучесть, где металл дефор-мируется с неравномерной скоростью, участок ВС – установив-шуюся пол­зучесть и участок CD - ускоренное разрушение, связанное с обра­зованием шейки.

а б

Рис. 1.9. Кривые длительной прочности (а) и ползучести (б)

Пределом ползучести называют напряжение, вызы-вающее заданную суммарную деформацию за определенное время при данной температуре. Предел ползучести обозначают σ , где t - температура, δ - суммарное удлинение, τ - время. Например, σ ⁼ 350 МПа означает, что предел ползучести металла при1 %-й деформации за 1000 ч при температуре испытаний 400°С составляет 350 МПа. Для деталей, длительное время работающих при повышенных температурах, задается обычно скорость ползу­чести на установившейся стадии процесса, например 0,1 % за 10⁴ ч или за 10⁵ ч.

Таблица 1.1.

Обозначения основных механических свойств по отечественным

и зарубежным стандартам

Свойства	Обозначение, стандарт	Определение
отечест- венный	зару- бежный
Модуль упругости (elastic modulus)	Е	Е	Отношение приращения напряжения к соответ-ствующему приращению удлинения в пределах упругой деформации
Предел текучести физический	σ	Re	Напряжение, при котором материал изменяет свою длину при постоянной нагрузке
Предел текучести условный (yield strength)	σ 0,2	Rp0.2	Напряжение для мате-риалов, не имеющих площадки текучести, при котором остаточное удлинение составляет 0,2% первоначальной длины
Временное сопротивление, или предел прочности (tensile strength)	σв	Rm	Напряжение, соответ-ствующее наибольшей нагрузке, предшеству-ющей разрушению образца
Относительное удлинение (specific elongation)	δ	А5,А10	Отношение приращения расчетной длины образца после разрушения к начальной расчетной длине, %
Относительное сужение (reduction of area)	Ψ	Z	Отношение разности первоначального сече-ния и минимальной площади поперечного сечения образца после разрушения к первона-чальной площади, %
Предел ползучести (creep limit)	σ	R	Пример: напряжение, которое вызывает де-формацию 0,2% за 100 ч при 700°С
Предел длительной прочности (stress-rupture strength)	σ	R	Пример: напряжение, вызывающее разруше-ние металла за 1000 ч испытаний при постоян-ной температуре 700°С
Предел выносливости (fatigue strength)	σR	σк, τк	Максимальное напря-жение, которое вы-держивает материал не разрушаясь при дос-таточно большом числе повторно – переменных нагружений (циклов)

Условия эксплуатации многих изделий, работающих при низ­ких температурах, предусматривают их длительную безаварий­ную работу (более 10 лет) под нагрузкой. В таких изделиях, как резервуары и емкости для хранения и транспортировки криоген­ных жидкостей, обладающих повышенным запасом упругой энер­гии в системе, деформация, обусловленная ползучестью, может способствовать значи-тельному росту напряжений в отдельных зонах конструкции. При этом, учитывая действие низких темпе­ратур эксплуатации, существенно усиливается опасность хрупко­го разрушения. При низкотемпературных испытаниях ползучести необходи­мая температура создается за счет того, что образец находится в среде охлаждающей жидкости, а постоянное нагружение переда­ется на образец через верхний или нижний захват испытательной машины.

В табл. 1.1. приведены отечественные и зарубежные обозначе­ния основных механических свойств и их наименования на рус­ском и английском языке.