Какое свойство материала называют выносливостью

§ 4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе материала для изготовления деталей машин необходимо прежде всего учитывать его механические свойства: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость, твердость и выносливость. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых металлы подвергают воздействию внешних сил (нагрузок). Внешние силы могут быть статическими, динамическими или циклическими (повторно-переменными). Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.
Напряжение – величина нагрузки, отнесенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца. Деформация – изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил. Различают деформации растяжения (сжатия), изгиба, кручения, среза (рис. 8). В действительности материал может подвергаться одному или нескольким видам деформации одновременно.

Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое растяжение (ГОСТ 1497-73). Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 9). По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значения деформации, а по оси ординат – нагрузки, приложенные к образцу.
Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок оценивается пределом прочности и пределом текучести. Важным показателем прочности материала является также удельная прочность – отношение предела прочности материала к его плотности. Предел прочности σв (временное сопротивление) – это условное напряжение в Па (Н/м2), соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца: σв=Pmax/F0, где Pmax – наибольшая нагрузка, Н; F0 – начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, м2. Истинное сопротивление разрыву Sк – это напряжение, определяемое отношением нагрузки Рк в момент разрыва к площади минимального поперечного сечения образца после разрыва Fк (Sк= Рк/ Fк).
Предел текучести (физический) σт – это наименьшее напряжение (в МПа), при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки: σт=Рт/F0 , где Рт – нагрузка, при которой наблюдается площадка текучести, Н.
Площадку текучести имеют в основном только малоуглеродистая сталь и латуни. Другие сплавы площадки текучести не имеют. Для таких материалов определяют предел текучести (условный), при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от расчетной длины образца: σ0,2=Р0,2/F0.
Упругость – способность материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки Руп оценивают пределом пропорциональности σпц и пределом упругости σуп.
Предел пропорциональности σпц – напряжение (МПа), выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемым напряжением и деформацией образца σпц=Рпц/F0.
Предел упругости (условный) σ0,05 – это условное напряжение в МПа, соответствующее нагрузке, при которой остаточная деформация впервые достигает 0,05% от расчетной длины образца l0: σ0,05=P0,05/F0, где P0,05 – нагрузка предела упругости, Н.
Пластичность, т. е. способность материала принимать новую форму и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь, характеризуется относительным удлинением и относительным сужением.
Относительное удлинение (после разрыва) δ – это отношение приращения (lк-l0) расчетной длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине l0, выраженное в процентах: δ=[(lк-l0)/l0]100%.
Относительное сужение (после разрыва) φ – это отношение разности начальной и минимальной площадей (F0-Fк) поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади F0 поперечного сечения, выраженное в процентах: φ=[(F0-Fк)/F0]100%.
Чем больше значения относительного удлинения и сужения для материала, тем он более пластичен. У хрупких материалов эти значения близки к нулю. Хрупкость конструкционного материала является отрицательным свойством.
Ударная вязкость, т. е. способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам, определяется как отношение затраченной на излом образца работы W (в МДж) к площади его поперечного сечения F (в м2) в месте надреза КС=W/F.
Для испытания (ГОСТ 9454-78) изготовляют специальные стандартные образцы, имеющие форму квадратных брусочков с надрезом. Испытывают образец на маятниковых копрах. Свободно падающий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу. При этом фиксируется работа.
Определение ударной вязкости особенно важно для некоторых металлов, работающих при минусовых температурах и проявляющих склонность к хладноломкости. Чем ниже порог хладноломкости, т. е. температура, при которой вязкое разрушение материала переходит в хрупкое, и больше запас вязкости материала, тем больше ударная вязкость материала. Хладноломкость – снижение ударной вязкости при низких температурах.
Циклическая вязкость – это способность материалов поглощать энергию при повторнопеременных нагрузках. Материалы с высокой циклической вязкостью быстро гасят вибрации, которые часто являются причиной преждевременного разрушения. Например, чугун, имеющий высокую циклическую вязкость, в некоторых случаях (для станин и других корпусных деталей) является более ценным материалом, чем углеродистая сталь.
Твердостью называют способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Высокой твердостью должны обладать металлорежущие инструменты: резцы, сверла, фрезы, а также поверхностноупрочненные детали. Твердость металла определяют способами Бринелля, Роквелла и Виккерса (рис. 10).
Способ Бринелля (ГОСТ 9012-59) основан на том, что в плоскую поверхность металла вдавливают под постоянной нагрузкой стальной закаленный шарик. Диаметр шарика и величину нагрузки устанавливают в зависимости от твердости и толщины испытываемого металла. Твердость по Бринеллю определяют на твердомере ТШ (твердомер шариковый). Испытание проводят следующим образом. На поверхности образца, твердость которого нужно измерить, напильником или абразивным кругом зачищают площадку размером 3-5 см2. Образец ставят на столик прибора и поднимают до соприкосновения со стальным шариком, который укреплен в шпинделе прибора. Груз опускается и вдавливает шарик в испытываемый образец. На поверхности металла образуется отпечаток. Чем больше отпечаток, тем металл мягче.
За меру твердости НВ принимают отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка диаметром d и глубиной t, который образуется при вдавливании силой Р шарика диаметра D (см. рис. 10, а).

Числовое значение твердости определяют так: измеряют диаметр отпечатка с помощью оптической лупы (с делениями) и по полученному значению находят в таблице, приложенной к ГОСТу, соответствующее число твердости.
Преимущество способа Бринелля заключается в простоте испытания и точности получаемых результатов. Способом Бринелля не рекомендуется измерять твердость материалов с НВ>450, например закаленной стали, так как при измерении шарик деформируется и показания искажаются.
Для испытания твердых материалов применяют способ Роквелла (ГОСТ 9013-59). В образец вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм. Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах. Условная величина единицы твердости соответствует осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Испытание проводят на приборе ТК. Значение твердости определяется по глубине отпечатка h и отсчитывают по циферблату индикатора, установленному на приборе. Во всех случаях предварительная нагрузка Р0 равна 100 Н.
При испытании металлов с высокой твердостью применяют алмазный конус и общую нагрузку P=P0+P1=1500 Н. Твердость отсчитывают по шкале «С» и обозначают HRC.
Если при испытании берется стальной шарик и общая нагрузка 1000 Н, то твердость отсчитывается по шкале «В» и обозначается HRB.
При испытании очень твердых или тонких изделий используют алмазный конус и общую нагрузку 600 Н. Твердость отсчитывается по шкале «А» и обозначается HRA. Пример обозначения твердости по Роквеллу: HRC 50 – твердость 50 по шкале «С».
При определении твердости способом Виккерса (ГОСТ 2999-75) в качестве вдавливаемого в материал наконечника используют четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136°. При испытаниях применяют нагрузки от 50 до 1000 Н (меньшие значения нагрузки для определения твердости тонких изделий и твердых, упрочненных поверхностных слоев металла). Числовое значение твердости определяют так: замеряют длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки и с помощью микроскопа и по полученному среднему арифметическому значению длины диагонали находят в таблице соответствующее число твердости. Пример обозначения твердости по Виккерсу – HV 500.
Для оценки твердости металлов в малых объемах, например, на зернах металла или его структурных составляющих применяют способ определения микротвердости. Наконечник (индентор) прибора представляет собой алмазную четырехгранную пирамиду (с углом при вершине 136°, таким же, как и у пирамиды при испытании по Виккерсу). Нагрузка на индентор невелика и составляет 0,05-5 Н, а размер отпечатка 5-30 мкм. Испытание проводят на оптическом микроскопе ПМТ-3, снабженном механизмом нагружения. Микротвердость оценивают по величине диагонали отпечатка.
Усталостью называют процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению. Усталость металла обусловлена концентрацией напряжений в отдельных его объемах, в которых имеются неметаллические включения, газовые пузыри, различные местные дефекты и т. д. Характерным является усталостный излом, образующийся после разрушения образца в результате многократного нагружения (рис. 11) и состоящий из двух разных по внешнему виду частей. Одна часть излома 1 с ровной (затертой) поверхностью образуется вследствие трения поверхностей в области трещин, возникших от действия повторно-переменных нагрузок, другая часть 2 с зернистым изломом возникает в момент разрушения образца. Испытания на усталость проводят на специальных машинах. Наиболее распространены машины для повторно-переменного изгибания вращающегося образца, закрепленного одним или обоими концами, а также машины для испытаний на растяжение – сжатие и на повторно-переменное кручение. В результате испытаний определяют предел выносливости, характеризующий сопротивление усталости.

Рис. 11. Усталостный излом

Выносливость – свойство материала противостоять усталости. Предел выносливости – это максимальное напряжение, которое может выдержать металл без разрушения заданное число циклов нагружения. Между пределом выносливости и пределом прочности существует приближенная зависимость: σ-1≈0,43σв; σ-1р≈0,36σв, где σ-1 и σ-1р – соответственно пределы выносливости при изгибе и растяжении-сжатии.

В многочисленных опытах было замечено, что число циклов до момента разрушения зависит от величины возникающих максимальных напряжений. При больших напряжениях для разрушения достаточно небольшого количества циклов нагружения, и наоборот, при малых напряжениях деталь может проработать практически бесконечно долгое время, поэтому в этом случае число циклов, до которого должно проводиться испытание, предварительно оговаривается [25, 26].

Предварительно задаваемая наибольшая продолжительность испытаний на усталость называется базой испытаний. Цель испытаний на усталость заключается в определении такой механической характеристики, которая могла бы количественно охарактеризовать способность материалов сопротивляться усталости. К этой характеристике относится предел выносливости.

Пределом выносливости называется максимальное по абсолютному значению напряжение цикла, при котором еще не происходит усталостное разрушение до базы испытаний.

Для определения предела выносливости испытанию подвергают партию одинаковых образцов. Наибольшее распространение получили испытания на чистый изгиб при симметричном цикле изменения напряжений вращающихся образцов. Первый образец нагружают до высоких напряжений, приблизительно равных 0,5…0,7 от предела прочности материала; в следующих образцах напряжения создают меньшими и при каждом напряжении фиксируют число циклов нагружения, которое выдерживает образец до разрушения.

По результатам испытания строят кривую зависимости числа циклов нагружений до разрушения от максимального напряжения, создаваемого в образце (рис. 11.4). Эта кривая носит название кривой усталости или кривой Вёлера — по имени немецкого ученого, занимавшегося исследованием усталостной прочности материалов. Кривая усталости многих материалов асимптотически приближается к некоторому значению (см. рис. 11.4), которое обычно и принимается за предел выносливости. Опыт показал, что образцы, выдержавшие 10-106 циклов нагружений, могут проработать практически неограниченно долго.

Рис. 11.4. Кривая усталости

Кривые усталости обычно строят в полулогарифмических координатах omax = —lg/V или двойных логарифмических lgomax — lg/V. Для сталей кривая усталости в координатах lgomax — lgTV имеет вид двух прямых: наклонной и горизонтальной — с точкой пересечения, имеющей абсциссу Ng (рис. 11.5).

Рис. 11.5. Кривая усталости, построенная в логарифмических координатах

Анализ кривой усталости показывает, что при напряжении, меньшем некоторого определенного значения, образцы не разрушаются при любом большом числе циклов, поэтому длительность испытаний ограничивают. Предварительно задаваемую наибольшую продолжительность испытаний на усталость называют базой испытаний NG. Для сталей за базу испытаний обычно принимают 107 циклов.

По кривой усталости определяют характеристику прочности материала — предел выносливости.

Предел выносливости обозначают оЛ, где R = tfmin/omax — коэффициент асимметрии цикла. Для симметричного цикла (R = -1) предел выносливости обозначают о_1? для отнулевого цикла (R = 0) — о0.

Для сталей предел выносливости определяют по кривой усталости как напряжение, соответствующее долговечности NG (точке перелома кривой усталости). Для легких сплавов кривая усталости не имеет горизонтального участка и предел выносливости определяют для выбранной базы испытаний.

Значения пределов выносливости o_j и о0 для конструкционных материалов приведены в справочниках. Для сталей существует приближенная, установленная экспериментально зависимость между пределами выносливости и прочности ов (в МПа).

Для углеродистой стали

Для легированной стали

Для серого чугуна

Для цветных металлов и их сплавов

Для расчета на усталость деталей, работающих при циклическом растяжении—сжатии или циклическом кручении, необходимо знать соответствующие значения пределов выносливости.

Если экспериментальных данных о таких пределах выносливости нет, их значения можно определить по эмпирическим зависимостям

Здесь o_lp, g_] и т_! — пределы выносливости при циклических растяжении—сжатии, изгибе и кручении соответственно. Если требуемая долговечность детали в циклах меньше базовой NG, для которой имеется в справочнике предел выносливости а_1С, то предел выносливости для требуемой долговечности о_ш можно определить из уравнения наклонного участка кривой усталости, построенной при симметричном цикле испытания образцов (рис. 11.6):

Следовательно,

откуда

Для сталей показатель степени т уравнения кривой усталости (11.10) можно принимать равным 9.

Рис. 11.6. Кривая усталости при симметричном цикле испытаний, построенная в логарифмических координатах