3.1.3  Обобщенная  кривая (диаграмма) усталости

3.1.3  Обобщенная  кривая (диаграмма) усталости

Усталостные разрушения относятся к постепенным отказам, так как при работе детали происходит изменение несущей способности материала, и время предшествующей эксплуатации (число циклов нагружения) влияет на вероятность возникновения отказа — усталостной поломки детали.

Поэтому знакопеременные (усталостные) нагрузки   характеризуются  уровнем и  длительностью действия.  Характер сопротивления материала этим нагрузкам графически изображается кривыми усталости.

В.С.Иванова разрабо­тала  обобщенную диаграмму усталостных разрушений металлов при циклических нагружениях. С этой целью в усталост­ную диаграмму, кроме кри­вой Веллера  (рис.3.16), она ввела ряд до­полнительных линий.

Микроструктурным   ана­лизом было установлено, что если при напряжениях и чис­лах циклов,   определяющихлинию  ABCD, разрушение в поликристаллическом металле происходит по телу зерен, то   при более   высоких напряжениях и, следовательно, при меньших числах циклов — по границам зерен и определяется линией . Начало обра­зования субмикроскопических трещин следует линии , а перерождение их в микротрещины — линии

 

Рисунок  3.16 -   Усталостная   диаграмма металлов в  полулогарифмических координатах

Таким образом, процесс усталости разграничен на три пе­риода:    I — в    металле    происходит    накопление    упругихискажений кристаллической  решетки (область,расположенная левее линии  );   II — период развития   субмикроскопических    усталостных трещин доразмеров  микротрещин(область,заключеннаямеж­ду линиями   и );   III — период   развитиямикротрещин   до  размеров макро­трещин (область, заключенная между линиями   и  ).

Диаграмма позволила установить новые критерии устало­сти :  -  критическое число циклов  — число циклов, по  достижении   которого    принапряжении,   равном   пределу усталости, начинают возникать необратимыеискажениякристаллической   решетки — субмикроскопические трещины;   -  критическое    напряжение   усталости  — напряжение,   при котором разрушение наступает через   циклов;   - коэффициент ,  равный  разности  между крити­ческим напряжением  и  пределом   усталости,    выраженный   в  ка­сательных напряжениях;   - базовое число циклов  — число  циклов  до разрушения при минимальном напряжении ,    при    котором   еще  может на­ступить разрушение;   - циклическийпределупругости  —максимальное напряжение, при    котором  необратимые искажения кристалличе­ской решетки   не появляются,   как   бы   ни   было  велико   число   циклов нагружения;   - —    коэффициент   живучести    металла,    равный тангенсу угла наклона линии разрушения к оси ординат.

Три стадииусталостного  разрушения,рассмотренные

Ивановой В.С., представлены на так называемой полной  кривой усталости в виде трех   характерных областей (рис.3.17):

-область квазистатического разрушения I,

-область малоцикловой усталости II,

-область многоцикловой усталости III,

а также две переходных зоны (1 и 2).

Для разных материалов и условий нагружения продолжительность этих областей по числу циклов N и интервал их по напряжениям могут быть различными, однако общий характер в основном сохраняется.

 

Рисунок 3.17 -  Схематическое изображение полной кривой усталости:

—временное сопротивление;— напряжение   верхнего  разрыва;

  — -напряжениениж­него разрыва   (второй  разрыв); 

 

—критическое напряжение   (третий   вид разрыва);

— предел   выносливости,— циклический   предел   текучести;

— циклический предел упругости; — критическое    число    циклов; и— константы

Продолжительность области квазистатического разрушения может составлять от десятков до тысяч циклов.

Малоцикловая усталостьимеетдиапазонориентировочноот   NB = 5х102   до   NK = 104   циклов.

Область многоцикловой усталости имеет два участка (V и VI) и распространяется на долговечности, приблизительно превышающие 104 циклов.

    На полной кривой усталости    были  обнаруженыдвавида   разрыва  (на  рис.3.17 показаны штриховкой) :

-первый определяется напряжением   верхнего разрываи  представляет собой границу между квазистатическим разрушением и малоцикловой усталостью;

-второй — напряжением нижнего разрыва   

Соответствующие участки полной кривой усталости в этих точках могут не стыковаться (иметь разрыв).

Переходная зона 2 трансформируется в область многоцикловой усталости при достижении действующим напряжением некоторого значения. Кривая усталости имеет здесь перегиб или разрыв.

Кривая усталости на рис. 3.17 изображена для металлов в некоторых условиях испытания, когда обнаруживается физический предел выносливости, т. e. когда на ней есть горизонтальный участок VI. Это характерно для сталей при испытаниях образцов на воздухе при комнатной температуре, если N R   циклов.

При испытаниях цветных металлов и сплавов на воздухе, сталей и никелевых сплавов в коррозионных средах, при повышенной температуре и т. д. кривая многоцикловой усталости не имеет ярко выраженного перелома (участки V и VI  сливаются). В этих случаях говорят об условном пределе выносливости , который соответствует заданной долговечности, принятой  за  базу   испытаний

 N = N б .   

Физический предел выносливости обычно называют пределом выносливости, а условный — пределом ограниченной выносливости. В квазистати­ческой области II (см. рис. 3.17) процесс разрушения определяется большими пластическими деформациями, развивающимися под действием напряже­ний, близких к пределу прочности. В металле возникают значительные смещения, при этом в случае перемещения целых зерен путь смещения проходит по их границам, а при перемещениях частей зерен путь смещения проходит по самим зернам.

 

Рисунок 3.18 – Схема смещения скольжением

Большие перемещения реализуются одним из двух способов: скольжением или двойникованием.

Смещение скольже­нием (рис. 3.18 а) проходит по плоскостям 1, поскольку расстояния между соседними плоскостями с большей плотностью атомов типа 2 наибольшее и, следовательно, связь между этими атомными плоскостями наименьшая. Результат смещения скольжением показан на рис. 3.18 б. Смещение сколь­жением происходит при действии касательных напряжений.

Смещение двойникованием пояснено рис. 3.19. Если зерно нагружено растягивающим усилием Q (рис. 3.19 а), то одновременно со сдвигом по направлениям  действия  максимальных   касательных   напряжений  ?   части зёрен повернутся в направлении растяжения (рис.  3.19 б), так как деформация осуществляется   принудительно   под действием   внешней   силы, а смещающиеся   части   не могут свободно двигаться в  сторону   направления  ?.

В области многоцикловой усталости V (см. рис. 3.17) действующие напряжения  малы,   поэтому   не  могут  вызвать  значительных   пластических  деформаций.   Усталостное  повреждение  здесь  определяетсяиными механизмами, связанными, главным образом, с локальными микропластическими деформациями.

 

Рисунок  3.19 -  Схема смещения двойникованием:а — схема нагружения;   6 — результат деформирования.

 Реальный технический металл имеет дефекты строения, в частности точечные дефекты (например, вакансии и внедренные атомы), и линейные дефекты — дислокации. Такого рода дефекты могут переме­щаться под действием циклических напряжений. На рис. 3.20 а показа­на кристаллическая решетка с одной незавершенной атомной плоско­стью — с краевой дислокацией.

 

 

Рисунок   3.20 - Схема   перемещения краевой   дислокации

Под действием циклических напряжений дислокация переместиласьнаодинпараметр    кристаллической    решетки

(рис. 3.20 б), а после длитель­ного деформирования вышла на поверхность, образовав на ней сту­пеньку сдвига (рис. 3.20 в). Таким образом, и здесь происходит смещение путем сдвига, но это смещение является чрезвычайно локализованным, так что измеримых остаточных деформаций тело не обнаружи­вает. Далее протекает длительный процесс движения, слияния и накоп­ления подвижных дефектов у барьеров — более прочных зон зерна.

Этот процесс приводит к образованию в плоскостях активного скольжения множественных субмикротрещин, которые, развиваясь, растут до размеров микротрещин, выходя за размеры одного зерна. Когда в некотором се­чении плотность таких микротрещин станет критической, возникает магистральная трещина усталости (макроскопическая), развитие которой ведет к разрушению — разделению тела на две части.

В области малоцикловой усталости III (см. рис. 3.17) повреждение но­сит промежуточный — между квазистатическим и чисто усталостным — характер. При этом усталостные механизмы становятся определяющими при уменьшении напряжений, т. e. при подходе к области III, тогда как при их увеличении, т. e. при подходе к области I, преимущественными становятся механизмы разрушения от большой пластической деформации. Такую трансформацию механизмовразрушения можновидеть   на  изломах образцов

(рис. 3.21) .

 

Рисунок 3.21- Зависимость характера разрушения образцов от действующего напряжения:

 

Характер изломов, будучи типично усталостным при , существенно изменяется по мере роста  : он переходит в малоцикловой, квазистатический и — в предельном случае разрушения при однократной статистической нагрузке (? = ?в) — в статический.

   По мере увеличения уровня напряжений зона развития трещины уста­лости сужается и, следовательно, увеличивается площадь сечения, подвергаемая долому. На участке III в изломе обнаруживаются и следы   развития   усталостной  трещины, и следы вязкого разрушения, т. е. разрушение носит промежуточный между чисто усталостным и статическим изломами характер.