9 Механічні властивості,що визначаються при циклічномунавантаженні9.1 Характеристика навантажень та особливості руйнування при втомі
Вивчення втомного процесу і руйнування від втоми має велике прикладне значення, оскільки значне число деталей і конструкцій в експлуатації піддається дії знакозмінних циклічних навантажень. Втома – процес поступового накопичення ушкоджень матеріалу під дією повторно-змінних напружень, що призводить до зменшення довговічності, утворення тріщин і руйнування. Витривалість – властивість матеріалу протистояти втомі (ГОСТ 2860-65).
Циклічна довговічність характеризує працездатність матеріалу в умовах циклів напружень, що багато разів повторюються. Цикл напруження – сукупність зміни напружень між двома його граничними значеннями ?max і ?min протягом періоду (Т).
На рис. 9.1 наведені різні випадки прикладення навантаження при випробуванні на витривалість.
Різні види циклів характеризують різні режими роботи деталей машин.
Руйнування від втоми порівняно з руйнуванням від статичного навантаження має ряд особливостей.
1 Воно відбувається при напруженнях, менших, ніж при статичному навантаженні; менших від межі текучості або тимчасового опору.
2 Руйнування починається на поверхні (або поблизу від неї) локально, в місцях концентрації напружень (деформації). Локальну концентрацію напружень створюють пошкодження поверхні внаслідок циклічного навантаження або надрізи у вигляді слідів обробки, дії середовища.
3 Руйнування проходить у декілька стадій, що характеризують процеси накопичення ушкоджень у матеріалі, утворення тріщин втомі, поступовий розвиток і злиття деяких із них в одну магістральну тріщину і швидке залишкове руйнування.
4 Руйнування має характерну будову зламу, що відображає послідовність процесів утоми. Злам складається з осередку руйнування (місця утворення мікротріщин) і двох зон – втоми і долому (рис. 9.2).
Рисунок 9.1 – Різні випадки прикладення навантаження при випробуванні на витривалість: І – асиметричний знакозмінний цикл; ІІ – симетричний знакозмінний цикл; ІІІ – асиметричний знакосталий віднульовий позитивний цикл; ІV – асиметричний знакосталий віднульовий негативний цикл; V – знакосталий пульсуючий цикл розтягування
Рисунок 9.2 – Злам втомного руйнування
Кожна із зазначених зон має характерні ділянки, які відображають загальний характер утомного руйнування: місце зародження тріщини (3); приосередкова зона (7); втомні борозни (2); втомні лінії (1); сходинки скидання (6); зона прискореного розвитку тріщини (4); зона долому (5)
Осередок руйнування прилягає до поверхні і має невеликі розміри та гладку поверхню.
Зону втоми формує послідовний розвиток тріщини втоми. У цій зоні видно характерні борозни, які мають конфігурацію кілець, що свідчить про стрибкоподібне просування тріщини втоми. Зона втоми розвивається доти, поки в робочому перетині, що зменшується, напруження зростуть настільки, що спричинять його миттєве руйнування. Цю останню стадію руйнування характеризує зона долому.
Про здатність матеріалу працювати в умовах циклічного навантаження роблять висновки за результатами випробувань зразків на втому (ГОСТ 25.502-79). Їх проводять на спеціальних машинах, що створюють у зразках багаторазове навантаження (розтягування - стискування, згин, кручення). Зразки (не менше до 10 шт.) випробовують послідовно на різних рівнях напружень, визначаючи число циклів до руйнування. Результати випробувань зображають у вигляді кривої втоми Велера (рис. 9.3) в координатах: напруження циклів (?) – число циклів напружень (N). Область обмеження числом циклів випробування N = 104 умовно вважається малоцикловою втомою. Напруження, що викликало руйнування зразка, визначається за формулою
? = М/W МПа,
де М = ?·l– згинаючий момент;
– момент опору перетину;
? – навантаження, прикладене до зразка, Н;
l– плече, мм;
d – діаметр робочої ділянки зразка, мм.
Рисунок 9.3 – Криві втоми: 1 – для сталі; 2 – для кольорових металів
Горизонтальна ділянка визначає напруження, яке не викликає втомного руйнування після необмеженого великого або заданого (базового Nб) числа циклів. Це напруження є фізичною межею витривалості ?R (R – коефіцієнт асиметрії циклу), при симетричному циклі ?-1. Похила ділянка кривої втоми характеризує обмежену межу витривалості, що дорівнює напруженню ?к, яке може витримати матеріал протягом певного числа циклів (Nк).
Криві з горизонтальною ділянкою типові для сталей при невисоких температурах випробувань. Криві без горизонтальної ділянки (крива 2 на рис. 9.3) характерні для кольорових металів, а також для всіх матеріалів, що працюють при високих температурах або в корозійному середовищі. Такі матеріали мають тільки обмежену межу витривалості.
Криві втоми дозволяють визначити такі критерії витривалості:
циклічну міцність – фізичну або обмежену межу витривалості. Вона характеризує несучу здатність матеріалу, тобто те найбільше напруження, яке він здатний витримати за певний час роботи;
2) циклічну довговічність – число циклів (або експлуатаційних годин), які витримує матеріал до утворення втомної тріщини певної протяжності або до втомного руйнування при заданому навантаженні. Довговічність також може бути необмеженою (при ?max < ?-1) і обмеженою (при ?max > ?-1).
Втомні тріщини виникають на певному етапі знакозмінного навантаження після декількох тисяч циклів.
На цей час немає єдиної теорії, яка дозволила б пояснити поведінку матеріалу під дією циклічного навантаження і причину виникнення втомного зламу. Проте у результаті проведення багатьох досліджень стало можливим зробити такі припущення.
Матеріал, що складається з великої кількості безладно орієнтованих кристалітів, при прикладенні навантаження має нерівномірний розподіл напружень по перерізу (рис. 9.4). У результаті цього по межах кристалітів виникають мікроскопічні концентрації напружень. На ці концентрації напружень, що викликаються прикладенням зовнішнього навантаження, можуть накладатися і власні мікронапруження, що існують між складовими частинами гетерогенної структури. Цим можна пояснити те, що навіть при прикладенні зовнішнього навантаження, яке менше межі текучості якого-небудь матеріалу, в деяких кристалах, що знаходяться під підвищеним навантаженням, відбувається пластична деформація.
Рисунок 9.4 – Неоднорідний розподіл напружень у полі-кристалічному зразку
При навантаженні відбувається деформація зрушення кристаліту під дією знакозмінних і коливних навантажень уздовж певних площин ковзання. У результаті може відбутися пластична деформація.
Коли відбувається пластична деформація матеріалу, то міцність його поступово зростає у міру збільшення величини цієї деформації. Відбувається зміцнення матеріалу. Під дією знакозмінного навантаження деякі кристаліти можуть досягти такої величини зміцнення, що під дією постійного навантаження вони вже не деформуватимуться пластично, а відбудеться лише пружна деформація. Цей процес називається зміцненням під дією знакозмінного навантаження.
У зв'язку з тим, що пластичність матеріалу знижується у міру збільшення ступеня деформації, зусилля, діючі на окремі кристаліти, можуть перевищити міцність матеріалу на розрив. У результаті цього матеріал руйнуватиметься.
Можна припустити, що початковою стадією такого руйнування буде необоротне зміщення атомів кристалічних ґраток. У результаті дії знакозмінного навантаження цей процес призводить до утворення субмікроскопічних тріщин, розміщених уздовж певних ліній або смуг ковзання.
Механізм утомного руйнування пов'язаний з розвитком і накопиченням у поверхневому шарі мікропластичної деформації, утворенням макротріщин, які зі зростанням напружень долають межі зерен, зливаються, утворюючи магістральну тріщину втоми. Ця тріщина росте переривчасто – стрибками, пов'язаними з місцевою пластичною деформацією (наклепом) металу біля її вершини. Для поширення тріщини на деяку довжину необхідно, щоб біля її вершини була вичерпана пластичність. У результаті настає руйнування, пов'язане з утворенням поверхонь розділу. У табл. 9.1 наведені схеми втомних зломів при знакозмінних напруженнях.
Величина межі втоми матеріалу значною мірою залежить від різних факторів, які можуть чинити і сприятливу, і несприятливу дію.