Что такое статическая ударная и циклическая прочность металлов

Характеристики статической и усталостной прочности

ОА – чистая упругость, АВ – площадка текучести, ВСМ – упрочнение материала, М – появление шейки, МД – деформирование шейки Д – разрушение. s в (.) А-предел текучести, s в (.) М – предел прочности

Усталость материала — в материаловедении — процесс постепенного накопления повреждений под действиемпеременных (часто циклических) напряжений, приводящий к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению материала за указанное время.

В типичном усталостном изломе можно выделить три зоны:

место зарождения трещины;

зона стабильного развития трещины, которая чаще всего характеризуется линиями усталости, представляющие собой примерно концентрические контуры. Фокус этих контуров находится в месте зарождения усталостной трещины. Поверхность этой зоны гладкая, притертая. Такой характер поверхности является результатом наклёпа, вызываемого повторяющимися нажатиями двух поверхностей трещины одна на другую или их взаимным трением при перемене знака напряжения.

N-число циклов нагружения, No-базовое число циклов, s-предел выносливости – наибольшее напряжение при котором образец может сопротивляться бесконечно долго, т.е. не разрушаться. s0-для нолевого цикла, s1-для симметричного цикла.

33. Факторы, влияющие на усталостную прочность деталей машин. Коэффициент запаса прочности.

Основные факторы, влияющие на прочность деталей машин

Прочность деталей машин зависит от условий их нагружения и поведения соответствующих конструкционных материалов в этих условиях.

Условия нагружения характеризуются: уровнем общей и местной напряженности, температурой поверхности, числом и формой циклов нагружения, наличием ударных нагрузок, характером распределения и величиной остаточных напряжений, накоплением коррозионных, усталостных и других повреждений. С учетом анализа перечисленных факторов нагружения выбирается материал и методы определения их эксплуатационных свойств. К числу основных характеристик материала относятся сопротивление деформациям и разрушению. Учитывая постоянную тенденцию к снижению массы конструкции и повышению надежности, важное значение приобретает анализ и обоснование сопротивления неупругим деформациям.

В зависимости от условий нагружения и характеристик материала по условиям прочности отказы могут быть при усталостном разрушении, пластической деформации, хрупком разрушении и нарушении сцепления в соединениях с натягом, приводах и передачах трения и резьбовых соединениях.
Наиболее опасным является усталостное разрушение деталей, возникающее при переменных напряжениях и превышающее предельное значение для данных условий.

Пластическая деформация сопровождается образованием местной или общей ползучести металла из малоуглеродистой и низколегированных сталей. При увеличении нагрузки, вызвавшей пластическую деформацию, может произойти общее разрушение изделия.

Хрупкое разрушение деталей происходит при одноразовом воздействии больших нагрузок, или изменении структуры металла (охрупчивание) под влиянием температурного и (или) радиационного воздействия, или в результате постоянного накопления остаточных напряжений высокого уровня.
Нарушение сцепления вызывается нагрузками, превышающими предельно допустимые значения. Этот вид отказа недопустим в грузоподъемных машинах, т.к. нарушение прессовых соединений в них может вызвать падение груза, самопроизвольное движение тележки или крана и др.

Проворот валиков или втулок приводит к быстрому изнашиванию в сопряжениях этих деталей. Значительную опасность представляет и самоотвинчивание резьбовых соединений.

При сложном нагруженном состоянии номинальные нагружения распределяются неравномерно как по длине детали, так и по ее сечению. Выравниванием и уменьшением номинальных напряжений можно существенно повысить несущую способность детали. При проектировании машины это можно сделать различными способами: заменой элементов, работающих на изгиб, равномерно нагруженными растянутыми и сжатыми элементами; оптимизацией формы опасных сечений элементов и детали в целом; обеспечением равной прочности по длине; параллельной передачей нагрузки несколькими элементами; созданием начальных напряжений обратного знака и др. При нагружении изделий в отдельных зонах происходит концентрация напряжений, которые называют местными. Концентрация напряжений может быть вызвана резким изменением формы детали, прессовыми посадками, концентрацией нагрузок, неоднородностью материала, дефектами при изготовлении детали и другими причинами.

35. Зубчатые передачи: общие сведения, достоинства и недостатки, основные параметры эвольвентного зацепления.

Механизм, в котором два подвижных звена являются зубчатыми ко­лесами, образующими с неподвижным звеном вращательную или поступатель­ную пару, называют зубчатой передачей

Виды зубчатых передач: цилиндрические зубчатые передачи с внешним зацеплением; реечная передача;цилиндрическая передача с внутренним зацеп­лением; зубчатая винтовая передача; конические зубчатые передачи; ги­поидная передача

В большинстве случаев зубчатая передача служит для передачи враща­тельного движения. В некоторых механизмах эту передачу применяют для преобразования вращательного движения в поступательное (или наоборот).

Зубчатые передачи — наиболее распространенный тип передач в совре­менном машиностроении и приборостроении; их применяют в широких диапазонах скоростей (до 100 м/с), мощностей (до десятков тысяч кило­ватт).

Основные достоинства зубчатых передач по сравнению с другими передачами:

— технологичность, постоянство передаточного числа;

— высокая нагрузочная способность;

— высокий КПД (до 0,97-0,99 для одной пары колес);

— малые габаритные размеры по сравнению с другими видами передач при равных условиях;

— большая надежность в работе, простота обслуживания;

— сравнительно малые нагрузки на валы и опоры.

К недостаткам зубчатых передач следует отнести:

— невозможность бесступенчатого изменения передаточного числа;

— высокие требования к точности изготовления и монтажа;

— шум при больших скоростях; плохие амортизирующие свойства;

— громоздкость при больших расстояниях между осями ведущего и ве­домого валов;

— потребность в специальном оборудовании иинструменте для нареза­ния зубьев;

— зубчатая передача не предохраняет машину от возможных опасных перегрузок.

Источник

Определение характеристик прочности

Прочность – свойство материала сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних сил.

В зависимости от способа приложения нагрузки различают прочность при растяжении, изгибе, сжатии, кручении, прочность на срез, при действии циклической или знакопеременной нагрузки – усталостную прочность и др.

В зависимости от скорости приложения нагрузки различают

статическую прочность, характеристики которой определяются при медленном равномерном возрастании нагрузки;

динамическую прочность, характеристики которой определяются при ударном приложении нагрузки.

В зависимости от температуры испытания различают

прочность при температуре ( ) °C, низкотемпературную прочность и прочность при повышенной и высокой температуре.

1.1. Определение характеристик статической прочности

Основными характеристиками статической прочности материалов являются предел текучести σ_т, который характеризует способность материала
сопротивляться пластической деформации, и предел прочности при растяжении (временное сопротивление) σ_в. Значения названных характеристик определяют по ГОСТ 1497-84 (Металлы. Методы испытаний на растяжение). Для испытаний применяют специальные цилиндрические или плоские стандартные разрывные образцы (рис. 1), которые изготавливаются на металлорежущих станках из заготовок. Правила вырезки этих заготовок из изделий указаны в стандартах. Образец закрепляют в испытательной машине, схема которой приведена на рис. 2, и нагружают.

Рис. 1. Стандартные образцы для испытания на статическое осевое
растяжение: а – круглые образцы; б – плоские образцы с головками

На рис. 2 обозначено: 1 – собственно машина; 2 – винт грузовой; 3 – нижний
захват (активный); 4 – образец; 5 – верхний захват (пассивный); 6 – силоизмерительный датчик; 7 – индикатор нагрузок;
8 – привод нагружающего механизма.

Результаты испытаний фиксируются на диаграмме растяжения (график зависимости напряжения σ от деформации ε, рис. 3). При этом силу Р, растягивающую образец, относят к первоначальной площади поперечного сечения F₀ (это отношение называется напряжением σ), а удлинение образца Dl – к первоначальной длине расчетной части образца l₀:

Предел текучести физический (нижний предел текучести) σ_т – наименьшее напряжение, соответствующее растягивающему усилию Р_т, при котором образец деформируется без заметного увеличения этого усилия, Н/м 2 (МПа, кгс/мм 2 ):

где Р_т – наименьшая нагрузка, соответствующая стадии текучести материала на диаграмме растяжения образца, Н (кгс);

F₀– начальная площадь поперечного сечения образца, м 2 (мм 2 ).

Предел прочности при растяжении (временное сопротивление) σ_в – напряжение, соответствующее наибольшему усилию Р_max, предшествующему разрыву образца, Н/м 2 (МПа, кгс/мм 2 ):

1.2. Определение характеристик прочности при циклическом нагружении
(испытания на усталость)

Процесс постепенного накопления напряжения в металле при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушению, называется усталостью. Разрушение таких деталей, как валы, рессоры, рельсы, шестерни и др., в эксплуатации происходит в результате циклического нагружения при напряжении, значительно меньшем, чем временное сопротивление металла. Свойство металла выдерживать большое число циклов переменных напряжений, т. е. противостоять усталости, называется выносливостью, или циклической (усталостной) прочностью.

Усталостная прочность – способность металла сопротивляться упругим и пластическим деформациям при переменных нагрузках, она характеризуется наибольшим напряжением σ_-1, которое выдерживает металл, не разрушаясь при бесконечно большом числе циклов нагружения, и называется пределом усталости, или пределом выносливости. Для оценки способности материала сопротивляться действию циклических напряжений и исследования различных стадий усталостного разрушения в технике широко используют кривые усталости (рис. 4), которые показывают связь между уровнем переменного напряжения σ и числом циклов до разрушения N (кривые Велера).

Для углеродистой конструкционной стали предел усталости условно принимается равным (0,4 – 0,5) σ_в.

Значение предела выносливости зависит от многих факторов: степени загрязненности металла неметаллическими включениями, макро- и микроструктуры металла, состояния поверхности, формы и размеров детали и др.

Важной характеристикой конструктивной прочности (надежности) металла является живучесть при циклическом нагружении.Живучесть − это способность металла работать в поврежденном состоянии после образования трещины до полного разрушения, она измеряется числом циклов нагружения или скоростью развития трещины усталости при данном напряжении. Живучесть является самостоятельным свойством, которое не зависит от других свойств металла. Живучесть имеет важное значение для оценки работоспособности деталей, работа которых контролируется различными методами дефектоскопии. Чем меньше скорость развития трещины усталости, тем легче ее обнаружить.

1.3. Определение характеристик динамической прочности

Основной характеристикой динамической прочности материалов является ударная вязкостьKCUилиKCV, Дж/м 2 (кгс∙м/см 2 ).

В процессе эксплуатации многие детали машин испытывают динами-ческие (ударные) нагрузки. Для определения стойкости металла к удару и одновременной оценки его склонности к хрупкому разрушению проводят испытания на ударный изгиб по ГОСТ 9454-78 (Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах).
Метод основан на разрушении стандартного образца для испытания на динамическую прочность (рис. 5) с концентратором посередине одним ударом маятникового копра. Концы образца располагают на опорах (схема испытания представлена на рис. 6). При испытании определяют полную работу, затраченную на разрушение образца ударным изгибом (работу удара), по значению которой рассчитывается ударная вязкость.

Ударную вязкость (KC) в Дж/см 2 (кгс·м/см 2 ) вычисляют по формуле:

где K – работа удара, Дж (кгс·м);

где Н₁ – начальная высота рабочей
части образца, см;

B − начальная ширина образца, см.

Для определения ударной вязкости применяют образцы (обычно размером 10 ´ 10 ´ 55 мм) с U— или V-образным надрезом. Надрез посередине образца называется концентратором. Испытания проводят на маятниковом копре 1 (рис. 6, а). Маятник 2, падая с определенной высоты, разрушает образец 3, свободно установленный на двух опорах копра (рис. 6, б). Работа удара K (Дж или кгс×м), затраченная на излом (разрушение) образца, фиксируется стрелкой на шкале копра и определяется из разности энергии маятника в положении его до и после удара. Ее можно определить по формуле:

где G – сила тяжести, Н, G = mg;

m – масса маятника, кг;

h₁ – исходная высота подъема маятника, м;

h₂ – высота подъема маятника после разрушения образца, м.

Если образец имеет U-образный надрез, то в обозначение ударной вяз-кости добавляется буква U (КСU), а если V-образный, то добавляется буква
V (КСV).

Рис. 6. Схема испытаний на ударную вязкость:

а – маятниковый копер; б – установка образца

Для обозначения работы удара и ударной вязкости при пониженной и повышенной температуре вводится цифровой индекс, указывающий температуру испытания. Цифровой индекс ставят вверху после буквенных составляющих, например: KCV −40 – работа удара, определенная на образце с концентратором вида V при температуре минус 40 °С; KCU +100 – ударная вязкость, определенная на образце с концентратором вида U при температуре плюс 100 °С.

1.4. Определение характеристик жаропрочности – прочности металла
при высокой температуре

Жаропрочность − свойство металлов при высокой температуре соп-ротивляться деформации и разрушению при действии приложенных напряжений. Жаропрочность зависит от химического состава, структуры и технологии изготовления сплава.

Основными характеристиками жаропрочности являются предел ползучести σ_пл и предел длительной прочности σ_дл. О жаропрочности судят по результатам длительных испытаний на статическое осевое растяжение стандартных образцов (см. рис. 1) при высокой температуре (ГОСТ 9651-84), на ползучесть (ГОСТ 3248-81) и длительную прочность (ГОСТ 10145-81). Образец при испытаниях помещается в термостат, в котором поддерживается заданная температура.

Пределом ползучести называется напряжение, которое вызывает за установленное время испытания при данной температуре заданное удлинение образца (суммарное или остаточное) или заданную скорость ползучести на прямолинейном участке кривой ползучести.

Предел ползучести является базовой расчетной характеристикой конст-рукций, работающих с ограниченной суммарной деформацией ползучести. Например, для подвижных узлов турбин (валов, лопаток) суммарная деформация ползучести за весь период работы не должна превышать определенного значения, обусловленного конструктивными соображениями работоспособности.

Ползучесть − свойство металлов медленно и непрерывно пластически деформироваться при статическом нагружении, особенно при высокой температуре. При повышенной температуре металлы приобретают способность получать остаточные деформации («ползти») даже в тех случаях, когда действующие напряжения лежат значительно ниже предела текучести (упругости) данного металла при заданной температуре.

Испытания на ползучесть дают возможность получения кривой ползу-чести, представляющей собой графическое изображение зависимости деформации от времени при постоянных температуре и напряжении, по которой определяют деформацию за установленное время или скорость ползучести.

Пределом длительной прочности называется напряжение, которое вызывает разрушение материала при заданной температуре за определенное время.

Предел длительной прочности обозначается как напряжение МПа, с числовыми индексами − верхний указывает температуру в градусах, а нижний − длительность испытания в часах. Например, означает, что температура испытания − 650 °С, длительность испытания − 100 000 ч.

Источник

Механические свойства металлов

Поведение металла под нагрузкой определяется его механическими свойствами (прочностью, пластичностью, твердостью, упругостью, жесткостью, вязкостью). Методы испытаний механических свойств в зависимости от характера действия нагрузки делят на три группы: статические, когда нагрузка возрастает медленно (плавно); динамические – нагрузка возрастает с большой скоростью (мгновенно) – удар; циклические – при повторно-переменных нагрузках, когда нагрузка многократно изменяется по величине и знаку (испытания на усталость).

Механические свойства металлов при статическом нагружении.В результате испытаний определяют следующие характеристики металлов: прочность, пластичность, твердость, упругость, жесткость.

Прочность – свойство металла сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних сил. В зависимости от способа статического нагружения различают прочность при растяжении, сжатии и изгибе.

Испытания на растяжение. Для испытаний применяют специальные цилиндрические или плоские образцы. Расчетная длина образца равна десяти- или пятикратному диаметру. Образец закрепляют в испытательной машине и нагружают. Результаты испытаний отражают на диаграмме растяжения.

На диаграмме растяжения пластичных металлов (рис. 13, а) можно выделить три участка: ОА – прямолинейный, соответствующий упругой деформации; АВ – криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при возрастании нагрузки; ВС – соответствующий упругопластической деформации при снижении нагрузки. В точке С происходит разрушение образца с разделением его на две части.

От начала деформации (точка О) до точки А образец деформируется пропорционально приложенной нагрузке. Участок ОА – прямая линия. Максимальное напряжение, не превышающее предела пропорциональности, практически вызывает только упругую деформацию, поэтому его часто называют пределом упругости металла.

Рис. 13. Диаграмма растяжения пластичных металлов:

а – с площадкой текучести; б – без площадки текучести

При испытании пластичных металлов на кривой растяжения образуется площадка текучести АА¢. В этом случае напряжение, отвечающее этой площадке, s_т называют физическим пределом текучести. Физический предел текучести – это наименьшее напряжение, при котором металл деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки.

Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от первоначальной длины образца, называют условным пределом текучести (σ_0,2).

Участок А¢В (см. рис 13, а) соответствует дальнейшему повышению нагрузки и более значительной пластической деформации во всем объеме металла образца. Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке (точка В), предшествующей разрушению образца, называют временным сопротивлением, или пределом прочности при растяжении σ_в. Это характеристика статической прочности:

где Р_max – наибольшая нагрузка (напряжение), предшествующая разрушению образца, МПа;

У пластичных металлов, начиная с напряжения σ_в, деформация сосредоточивается (локализуется) в одном участке образца, где появляется сужение, так называемая шейка. В результате развития множественного скольжения в шейке образуется множество вакансий и дислокаций, возникают зародышевые несплошности. Сливаясь, они образуют трещину, которая распространяется в поперечном направлении растяжению, и образец разрушается (точка С). Кривая растяжения образца без площадки текучести показана на рис. 13, б.

Пластичность – свойство металла пластически деформироваться, не разрушаясь под действием внешних сил. Это одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Для определения пластичности не требуется образцов и оборудования. После испытания металла на растяжение эти же образцы измеряют и определяют характеристики пластичности. Показатели пластичности – относительное удлинение δ и относительное сужение ψ.

Относительным удлинением δ называется отношение абсолютного удлинения, т. е. приращения расчетной длины образца после разрыва (l – l₀), к его первоначальной расчетной длине l₀, выраженное в процентах:

(4)

где l₀ – первоначальная длина образца, мм;

l – длина образца после разрыва, мм.

Относительным сужением y называется отношение абсолютного сужения, т. е. уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва (F_о – F), к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженное в процентах:

(5)

где F₀ – первоначальная площадь поперечного сечения образца, мм 2 ;

Твердость – свойство металла сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела. Для определения твердости часто не требуется изготовления специальных образцов, испытания проводятся без разрушения металла.

Твердость металла можно определять прямыми и косвенными методами: вдавливанием, царапаньем, упругой отдачей, магнитным методом. Прямые методы состоят в том, что в металл вдавливают твердый наконечник (индентор) различной формы из закаленной стали, алмаза или твердого сплава (шарик, конус, пирамида). После снятия нагрузки на индентор в металле остается отпечаток, размер которого характеризует твердость.

Существует множество методов определения твердости металлов. Но лишь некоторые из них нашли широкое применение в машиностроении. Все они названы в честь своих создателей.

Метод Бринелля. В плоскую поверхность металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 10; 5 или 2,5 мм (рис. 14, а). После снятия нагрузки в металле остается отпечаток (лунка). Диаметр отпечатка d измеряют специальным микроскопом с точностью 0,05 мм. На практике пользуются специальной таблицей, в которой каждому диаметру отпечатка соответствует определенное число твердости НВ.

Диаметр шарика и нагрузку устанавливают в зависимости от испытуемого металла, его твердости и толщины. Для стали и чугуна нагрузка Р = 3000 кг, диаметр шарика d = 10 мм. Например, твердость технически чистого железа, по Бринеллю, равна 80 – 90 единицам НВ.

Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов с твердостью более НВ450, так как шарик может деформироваться и получится искаженный результат. Этот метод в основном используется для измерения твердости неупрочненного металла заготовок и полуфабрикатов.

Метод Роквелла. Твердость определяют по глубине отпечатка. Наконечником служит стальной закаленный шарик диаметром 1,58 мм для мягких металлов или алмазный конус с углом при вершине 120° – для твердых и сверхтвердых (более HRC70) металлов (рис. 14, б).

Шарик и конус вдавливаются в металл нагрузкой 60, 100 или 150 кг. Отсчет результатов измерений определяется по показанию стрелки на шкале индикатора твердомера (рис. 15, а). После включения нагрузки стрелка перемещается по шкале индикатора твердомера (рис. 15, б) и указывает значение твердости (рис. 15, в).

Рис. 15. Показания индикатора прибора ТК

При вдавливании стального шарика нагрузка – 100 кг (отсчет по внутренней (красной) шкале индикатора), твердость обозначают как НRВ. При вдавливании алмазного конуса отсчет твердости осуществляется по показанию стрелки на наружной (черной) шкале индикатора (см. рис. 15, в). Нагрузка 150 кг – для твердых металлов. Это основной метод измерения твердости закаленных сталей. Обозначение твердости – НRC. Для очень твердых металлов, а также мелких деталей нагрузка – 60 кг, обозначение твердости – НRА.

Определение твердости по Роквеллу дает возможность испытывать мягкие и твердые металлы, а отпечатки от шарика или конуса очень малы, поэтому можно измерять твердость готовых деталей. Измерения не требуют никаких вычислений – число твердости читается на шкале индикатора твердомера. Поверхность для испытания должна быть шлифованной.

Метод Виккерса. В испытуемую поверхность (шлифованную или полированную) вдавливается четырехгранная алмазная пирамида под нагрузкой 5, 10, 20, 30, 50, 100 кг. В металле остается квадратный отпечаток. Специальным микроскопом твердомера измеряют величину диагонали отпечатка (рис. 16). Зная нагрузку на пирамиду и величину диагонали отпечатка, по таблицам определяют твердость металла, обозначаемую как HV.

Этот метод универсальный. Его можно использовать для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев большой твердости (после азотирования, нитроцементации и т. п.). Чем тоньше металл, тем меньше должна быть нагрузка на пирамиду, но чем больше нагрузка, тем точнее получаемый результат.

Прочность при динамическом нагружении(испытания на ударную вязкость – на удар).В процессе эксплуатации многие детали машин испытывают динамические (ударные) нагрузки. Для определения стойкости металла к удару и одновременной оценки его склонности к хрупкому разрушению проводят испытания на ударный изгиб. В результате определяют ударную вязкость – характеристику динамической прочности.

Для определения ударной вязкости применяют 20 типов образцов (обычно размером 10 ´ 10 ´ 55 мм) с U- или V-образным надрезом. Надрез посередине образца называется концентратором. Испытания проводят на маятниковом копре 1 (рис. 17, а). Маятник 2, падая с определенной высоты, разрушает образец 3, свободно установленный на двух опорах копра (рис. 17, б). Работа удара К (Дж или кгс×м), затраченная на излом (разрушение) образца, фиксируется стрелкой на шкале копра и определяется из разности энергии маятника в положении его до и после удара. Ее можно определить по формуле:

где G – вес маятника, Н;

h₁ – высота подъема маятника до разрушения образца, м;

h₂ – высота подъема маятника после разрушения, м.

Ударная вязкость обозначается КС (прежнее обозначение – a_н) и подсчитывается как отношение работы, затраченной на разрушение образца К, к площади поперечного сечения образца в месте надреза F, МДж/м 2 :

Определение ударной вязкости является наиболее простым и показательным способом оценки способности металлов, имеющих объемно центрированную кубическую решетку, к хрупкости при работе в условиях низких температур, называемой хладноломкостью.

Прочность при циклическом нагружении(испытания на усталость). Многие детали (валы, рессоры, рельсы, шестерни) в процессе работы подвергаются повторно-переменным нагрузкам. Разрушение таких деталей при эксплуатации происходит в результате циклического нагружения при напряжении, значительно меньшем, чем временное сопротивление металла. Процесс постепенного накопления напряжения в металле при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушению, называется уста-лостью. Свойство металла выдерживать большое число циклов переменных напряжений, т. е. противостоять усталости, называется выносливостью, или циклической (усталостной) прочностью.

Усталостная прочность – способность металла сопротивляться упругим и пластическим деформациям при переменных нагрузках. Она характеризуется наибольшим напряжением s_-1, которое выдерживает металл при бесконечно большом числе циклов нагружения не разрушаясь и называется пределом усталости, или пределом выносливости. Для углеродистой конструкционной стали предел усталости принимается равным (0,4 – 0,5) s_в.

Значение предела выносливости зависит от целого ряда факторов: степени загрязненности металла неметаллическими включениями, макро- и микроструктуры металла, состояния поверхности, формы и размеров детали и др.

Разрушение металлов при усталости отличается от разрушения при однократных нагрузках особым видом излома. При знакопеременной нагрузке происходит постепенное накопление напряжения, обусловленное движением дислокаций. Поверхность детали, как наиболее нагруженная часть сечения, претерпевает микродеформацию, и в наклепанной (упрочненной деформацией) зоне возникают микротрещины. Из множества микротрещин развитие получает только та, которая имеет наиболее острую вершину и наиболее благоприятно расположена по отношению к действующему напряжению.

Пораженная трещиной часть сечения детали не несет нагрузки, и она перераспределяется на оставшуюся часть, которая непрерывно уменьшается, пока не произойдет мгновенное разрушение. Таким образом, для усталостного излома характерно, как минимум, наличие зоны прогрессивно растущей трещины 1 и зоны долома 2 (рис. 18).

Важной характеристикой конструктивной прочности (надежности) металла является живучесть при циклическом нагружении.

Живучесть – это способность металла работать в поврежденном состоянии после образования трещины. Она измеряется числом циклов нагружения до разрушения или скоростью развития трещины усталости при данном напряжении. Живучесть является самостоятельным свойством, которое не зависит от других свойств металла. Живучесть имеет важное значение для оценки работоспособности деталей, работа которых контролируется различными методами дефектоскопии. Чем меньше скорость развития трещины усталости, тем легче ее обнаружить.

Для повышения усталостной прочности деталей желательно в поверхностных слоях металла создавать напряжение сжатия методами поверхностного упрочнения (механическими, термическими или химико-термическими).

3. металлические сплавы

Чистые металлы в большинстве случаев не обеспечивают требуемого комплекса механических и технологических свойств, поэтому для изготовления деталей машин наибольшее распространение получили металлические сплавы – вещества, обладающие металлическими свойствами, представляющие собой сочетание какого-либо металла (основа сплава) с другими металлами или неметаллами. Например, латунь – сплав меди (металл) с цинком (металл), сталь – сплав железа (металл) с углеродом (неметалл). Большинство сплавов получают путем сплавления, т. е. соединения компонентов сплава в жидком состоянии. Есть и другие способы образования сплавов. Так, металлокерамические сплавы образуются путем спекания из порошков.

Источник