Поняття про механізм явища утоми. Методи визначення границі
витривалості. Діаграми утоми
Всі метали, застосовувані в техніці, є полікристалічними речовинами, що
складаються з окремих зерен і не представляють того однорідного
моноліту, яким вважають матеріал відповідно до основних гіпотез опору
матеріалів. Зерна технічних металів являють собою сукупність кристалів,
що мають неправильне огранювання, які звичайно називають кристалітами.
Полікристаличність матеріалу й неминуча його неоднорідність приводять до
того, що під дією тих або інших навантажень в окремих зернах виникають
перенапруження й створюються можливості появи мікротріщин. При цьому у
випадку напружень, викликаних статичними навантаженнями, подібні
мікротріщини не небезпечні. Якщо ж напруження змінні в часі, то має
місце тенденція до розвитку мікротріщин, що приводить в остаточному
підсумку до усталостного зламу деталі.
Крім зазначеної гіпотези, існує й трохи інший підхід до пояснення
фізичної природи явища втоми. Зокрема, виникнення втомленосних тріщин
можна пояснити вичерпанням здатності кристалічних зерен пручатися
зрушенню.
. Кубики, у свою чергу, складаються із системи взаємодіючих між собою
атомів, розташованих у строго певному для даного матеріалу порядку,
образуя так звані просторові атомні ґрати. Форма й розміри елементів
останньої залежать від сил взаємодії атомів і визначають характерні
властивості даної речовини.
Деформація матеріалу звичайно пов’язана з перекручуванням кристалічних
ґрат і зміною міжатомних відстаней. При цьому у випадку невеликих
напружень взаємодія між атомами, не порушується, і при наступних
розвантаженнях зазначені перекручування ґрат зникають. Якщо ж напруження
більші, то в кристалічних зернах пластичних матеріалів по деяких
площинах, які називаються площинами ковзання, або площинами слабини,
кристаллита відбуваються необоротні зрушення. Зрушені відносно один
одного групи атомів уже не утворять єдиних атомних ґрат. Получившееся
при цьому нове утворення виявляється більш міцним у результаті посилення
площин ковзання усередині окремих зерен. Тепер для його руйнування
потрібне більше зусилля.
Однак зміцнення при зрушеннях супроводжує роззміцнення (розпушення).
Тому процес зрушення обов’язково супроводжується появою зон, де атомні
зв’язки порушуються, а нові не створюються. Проявляється це в тому, що
утворюються дрібні мікротріщини, кожна з яких у певних умовах
(наприклад, при сусідстві декількох зерен, ослаблених тріщиною) може
з’явитися вогнищем розвитку втомленостної тріщини, що приводить в
остаточному підсумку до руйнування від утоми.
Таким чином, зі сказаного видно, що механізм утворення тріщин при
повторно-змінних навантаженнях досить складний і не може вважатися
повністю вивченим.
З безсумнівних положень теорії втоми можна відзначити наступні:
1) процеси, що проходять при повторно-змінних навантаженнях у металі,
носять різко виражений місцевий характер;
2) із двох видів напружень – нормальних і дотичних – вирішальний вплив
на процеси утоми до утворення першої тріщини включно мають дотичні
напруження, що викликають пластичні зсуви й руйнування шляхом зрізу.
Розвиток втомленостної тріщини, безсумнівно, може прискорюватися при
наявності напружень, що розтягують, як у пластичних, так і, особливо, у
малопластичних і крихких матеріалів типу чавуну, у яких поява тріщини
відриву значно підвищує чутливість до напружень, що розтягують.
Утворення тріщин найчастіше спостерігається в зернах, що лежать ближче
до поверхні деталі. Пояснюється це тим, що поверхневі шари матеріалу
певною мірою мають сліди ушкоджень різними технологічними операціями при
обробці деталі (внутрішні напруження, сліди механічної обробки), не
говорячи вже про ті випадки, коли зовнішні шари при повторно-змінних
навантаженнях випробовують найбільші напруження (при згинанні й
крутінні).
17.3. Методи визначення границі витривалості. Діаграми утоми
.
, 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. 17.3.
^
`
j·
торних 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. 17.4. При
обертанні зразка його зовнішні волокна будуть випробовувати поперемінно
то розтягання (коли вони розташовані зверху), то стискання (при повороті
зразка на ).
Рис. 17.3. 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. 17.4. 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. 17.5). 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. 17.5. 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. 17.5, 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. 17.5, 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.
У зв’язку з тим, що по кривої утоми, побудованої в координатах — , або,
що те ж саме, — (рис. 17.6, ), часто буває важко визначити границю
витривалості, застосовують два інших способи побудови діаграм утоми.
Перший спосіб полягає в тім, що по осі абсцис відкладають величину,
оберненому числу циклів (рис. 17.6, ). Границю утоми тоді визначають як
ординату в місці перетинання кривої утоми з віссю напруг.
а
б
в
г
Рис. 17.6. Способи побудови діаграм утоми
Другий спосіб заснований на поданні результатів випробувань у
напівлогарифмічних (рис. 17.6, ) або логарифмічних (рис. 17.6, )
координатах. Як видно із креслення, критерієм для судження про межу
утоми тут є перелом кривої.
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.
Для гладких зразків ці співвідношення приблизно наступні: для сталі ;
для чавуну ; для сталей і легких сплавів ; для чавуну .
Маючи величину тимчасового опору , границі витривалості стали при
симетричному циклі можна приблизно знайти по наступних емпіричних
співвідношеннях відповідно для розтягання-стискання, згину й крутіння:
; ; . (17.4)
Для кольорових металів спостерігається менш стійке співвідношення між
межею втоми й тимчасовим опором; згідно з дослідними даними в цьому
випадку .
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
