Najvyššie napätie, pri ktorom sa materiál ničí. Ako sa uvádza hranica únosnosti? Plastická deformácia a rekryštalizácia

Limit výdrže označené (alebo), kde R index zodpovedá koeficientu asymetrie cyklu. Takže napríklad pre symetrický cyklus sa označuje, pre nulový cyklus (at) pre konštantný cyklus.

Symetrický limit vytrvalosti cyklu je najmenší v porovnaní s inými typmi cyklov, tzn.

Napríklad, ; .

obmedzená hranica únosnosti

Na výpočet dielov, ktoré nie sú určené na dlhodobú prevádzku, je potrebné určiť najvyššiu hodnotu napätia, ktorú materiál môže vydržať pri danom počte cyklov (N), ktorej hodnota je menšia ako základná hodnota (). V tomto prípade sa z únavovej krivky a daného počtu cyklov (N) určí zodpovedajúce napätie (), tzv limit obmedzenej únosnosti.

Limitné faktory odolnosti symetrického cyklu

Pri posudzovaní pevnosti dielu pracujúceho pri statickom zaťažení sú mechanické charakteristiky materiálu dielu úplne totožné s mechanickými charakteristikami materiálu vzorky získanými ako výsledok experimentu. Toto nezohľadňuje rozdiel ani v tvare, ani v rozmeroch dielu a vzorky, ani niektoré iné rozdiely.

Pri výpočte časti na únavu je potrebné vziať do úvahy vyššie uvedené faktory. Medzi najvýznamnejšie faktory, ktoré ovplyvňujú medzu únavy v symetrickom cykle, patrí koncentrácia napätia, absolútne rozmery prierezu dielca a drsnosť jeho povrchu. To sa dá ľahko vysvetliť skutočnosťou, že všetky uvedené faktory prispievajú k vzniku a šíreniu mikrotrhlín.

Vplyv koncentrácie stresu

V blízkosti drážok, na okrajoch otvorov, na miestach, kde sa mení tvar tyče, na zárezoch atď. pozoruje sa prudký nárast napätí v porovnaní s menovitými napätiami vypočítanými pomocou obvyklých vzorcov pre pevnosť materiálov. Tento jav sa nazýva koncentrácia stresu a dôvodom, ktorý spôsobuje výrazné zvýšenie napätia, je koncentrátor stresu.

Zóna šírenia zvýšených napätí má čisto lokálny charakter, preto sa tieto napätia často nazývajú lokálne.

Pri napätiach, ktoré sú premenlivé v čase, vedie prítomnosť koncentrátora napätia na vzorke k zníženiu medze únosnosti. Vysvetľuje sa to tým, že viacnásobná zmena napätí v zóne centra koncentrácie napätia vedie k vzniku a ďalšiemu rozvoju trhliny, po ktorej nasleduje únavové porušenie vzorky.

Aby bolo možné posúdiť vplyv koncentrácie napätia na zníženie odolnosti vzorky proti únave, berúc do úvahy citlivosť materiálu na koncentráciu napätia, zavádza sa koncept efektívny pomer koncentrácia, čo je pomer medze únosnosti štandardnej vzorky bez koncentrácie napätia k limitu únosnosti vzorky s koncentráciou napätia: (alebo ).

Vplyv absolútnych rozmerov prierezu

S nárastom veľkosti prierezov vzoriek, zníženie hranice únosnosti... Tento vplyv je zohľadnený koeficientom vplyvu absolútnych rozmerov prierezu (predtým sa tento koeficient nazýval mierkový faktor). Uvedený koeficient sa rovná pomeru medze únavy hladkých vzoriek s priemerom d k medze únavy hladkej štandardnej vzorky s priemerom 7,5 mm: (alebo ).

Drsnosť povrchu

Mechanická obnova povrch dielu má výrazný vplyv na hranicu únosnosti. Je to spôsobené tým, že hrubšia povrchová úprava dielca vytvára ďalšie sedadlá pre koncentrátory stresu, a preto vedie k vzhľadu dodatočné podmienky pre vznik mikrotrhlín.

Prvé experimenty na štúdium fenoménu únavovej zlomeniny uskutočnil nemecký vedec a inžinier A. Weller, ktorý dospel k nasledujúcim záverom.

1. Zlyhanie konštrukcie môže nastať pri napätiach nižších ako ain a dokonca nižších ako g t, ak je počet zaťažovacích cyklov dostatočne veľký.
2. Počet cyklov potrebných na zničenie, čím menej, tým väčšie napätie pri max a
3. Vždy si môžete vybrať také kombinácie šek a oh ach, pri ktorom bude dielec pracovať po daný počet cyklov bez toho, aby sa zničil.

V budúcnosti boli Wellerove závery doplnené o nasledujúce experimentálne potvrdené hypotézy.

4. Pevnosť pri napätiach, premenlivá v čase, závisí predovšetkým od prítomnosti koncentrátorov napätia, veľkosti súčiastky a od stavu povrchových vrstiev súčiastky.
5. Pevnosť pri napätiach, ktoré sú premenlivé v čase, výrazne závisí od počtu cyklov, ale málo závisí od frekvencie zmien napätí v čase.
6. Sila závisí len málo od tvaru cyklu a je určená hlavne hodnotami shah a cr min.

Kvantitatívne hodnotenia pevnosti materiálov pri napätiach, ktoré sú premenlivé v čase, sa určujú z výsledkov skúšok. Experimenty sa vykonávajú na starostlivo vyleštených vzorkách, ktorých priemer sa pohybuje v pomerne širokom rozmedzí. Na skúšanie sa používajú špeciálne stroje, ktoré sa podľa princípov budenia záťaže pôsobiacej na vzorku delia na mechanické, elektromechanické a hydraulické stroje.

Pri existujúcich strojoch sa vzorky testujú odlišné typy cyklu. Najbežnejším typom testu je test symetrického zaťažovacieho cyklu. (r = - 1). Schéma takéhoto jednoduchého stroja je znázornená na obr. 16.1. Vzorka Y s kruhovým prierezom je upevnená v rukoväti vretena 2, ktoré sa otáča určitou rýchlosťou. Na konci vzorky je upevnené ložisko, ktorým sa na vzorku prenáša sila konštantnej hodnoty a smeru. F. Počítadlo pripevnené k vretene 4, ktorý počíta počet otáčok od začiatku skúšky vzorky po jej zničenie.

Na získanie charakteristík odolnosti proti únave v súlade s GOST je potrebné otestovať najmenej 10 rovnakých vzoriek z valcovaných výrobkov a 15 vzoriek z odliatkov. Test prvej vzorky prebieha pri amplitúde napätia rovnajúcej sa a A = (0,65 -> 0,75) a c. Podľa výsledkov testu sa určí počet cyklov JV, ktorý zodpovedá zničeniu vzorky. Potom sa testuje nová vzorka pri nižšej hodnote amplitúdy napätia a znova sa určí počet cyklov potrebných na zlyhanie. Po dôslednom vykonaní podobných testov pre všetky vzorky sa vykreslí graf o a = o a (N)(obr.16.6). Výsledný diagram sa nazýva diagram únavovej pevnosti, alebo Wellerov diagram.

V dôsledku početných experimentov sa zistilo, že ak pri izbovej teplote a obvyklé atmosferický tlak(s vylúčením korózie) vzorka vyrobená z ocele nízkej a strednej pevnosti alebo zliatiny titánu sa nezrúti pri počte cyklov zmeny napätia LH B = 10 7, potom možno predpokladať, že sa nezrúti nikdy. Takým spôsobom

Ryža. 16.6.

Rozdelím na obr. 16,6 zodpovedá krivke 1. Cykly N B volal základný počet skúšobných cyklov.

Hranica výdrže, alebo limit únavovej pevnosti, sa volajú najväčšiu hodnotu maximálne namáhanie cyklu, pri ktorom vzorka vydrží bez zlomenia základný počet skúšobných cyklov.

Hranica výdrže je označená písmenom a, kde je index G označuje, v akom cykle sa testy vykonali. V prípade symetrického cyklu faktor asymetrie cyklu G sa rovná -1, preto sa pre takýto cyklus používa označenie a,

Diagramy pre vysokopevnostné ocele a neželezné kovy vo všeobecnosti nemajú vodorovný rez. Preto bez ohľadu na to, ako znížime hodnotu maximálnych napätí, stále dochádza k procesu deštrukcie vzorky. Údaje o vzorkách ocelí s nízkou pevnosťou a zliatin titánu majú podobný charakter, ak sú skúšané za podmienok vysokej teploty alebo intenzívnej korózie. Diagram pre takéto vzorky zodpovedá krivke 2 na obr. 16.6.

Keďže limit únosnosti nie je na diagrame presne znázornený, jeho určenie sa vykonáva podľa podmieneného kritéria. Konvenčný limit odolnosti je definovaný ako hodnota maximálneho namáhania, ktorému vzorka vydrží po vopred stanovený počet cyklov. Pre legované ocele a neželezné kovy vezmite N = 10 8 .

Zvláštnosť prevádzky jednotlivých konštrukcií si nie vždy vyžaduje zabezpečenie trvania práce dielca počas základného počtu cyklov. Niekedy je táto požiadavka neúmerne prísna a jej splnenie je v rozpore s inými požiadavkami na diel. Takéto situácie sú typické pre produkty kozmickej technológie, lietadla a ďalšie Vozidlo, kedy minimálna hmotnosť každého dielu predurčuje najlepší výkon konštrukcie pre jej servisný účel. V takýchto a iných špeciálnych prípadoch sa pre výpočet častí zavádza pojem obmedzená únavová pevnosť (a,) Л, čo zodpovedá garantovanej práci dielu počas N cyklov. Význam N, zvyčajne menší ako počet základných cyklov N B. Stanovenie limitu únavy sa môže uskutočniť pomocou konvenčných kriviek únavovej pevnosti. Napríklad, ak N= 10 5, potom v súlade s krivkou 2 dostaneme (a,) 10 5 = 540 MPa (pozri obr. 16.6).

Ako výsledok mnohých experimentov boli stanovené kritériá pre približný (hrubý) odhad únavovej pevnosti dielu.

Takže napríklad pre ocele st, = (0,4-I), 5) st „, a pre neželezné kovy st (= = (0,25 - ^ 0,50) a„.

Podobne ako pri ohybových skúškach sa na vzorkách vykonávajú aj torzné skúšky, pri ktorých sa realizuje cyklická zmena šmykových napätí. V tomto prípade je možné zovšeobecniť všetky vyššie zavedené pojmy, pričom vo vzorcoch nahradíme označenia pre normálové napätia st označeniami pre tangenciálne napätia m, ktoré budú použité pri ďalšej prezentácii materiálu.

Experimentálne sa zistilo, že pre konvenčné ocele m = 0,6 st a pre vysokopevnostné m_, = 0,8 st,.

Ako bolo uvedené vyššie, charakteristiky únavovej pevnosti sú spojené s procesom iniciácie a šírenia trhlín vo vzorke, čo zase závisí od charakteristík konkrétnej vzorky, ako aj od typu a podmienok skúšania. Z tohto hľadiska nie je medza únavy charakteristikou materiálu v jeho čistej forme, ktorá sa výrazne líši od iných materiálových vlastností, napríklad modulu pružnosti alebo Poissonovho koeficientu. Výpočty by preto mali brať do úvahy parametre konkrétneho dielu a podmienky jeho zaťaženia, ktoré sa líšia od parametrov a skúšobných podmienok štandardnej vzorky. Zovšeobecnenie výsledkov získaných v ohybe a krútení na iné typy zaťaženia si vyžaduje vyvážený prístup a určité skúsenosti, pretože spoľahlivosť výpočtu je výrazne znížená.

August Weller (A. Wohler, 1819-1914) – nemecký vedec, mechanik a inžinier, významne prispel k vedeckému základu dizajnu kovové konštrukcie pri cyklickom zaťažení, autor grafického znázornenia vzťahu medzi amplitúdami cyklického napätia a počtom cyklov do zlyhania, nazvaného Wellerova krivka.
GOST 25.507-85. Výpočty a skúšky pevnosti v strojárstve. Metódy únavového testu pre podmienky prevádzkového zaťaženia. Všeobecné požiadavky.

Pre pevnostné výpočty pri opakovanom - striedavom namáhaní je potrebná znalosť mechanických charakteristík materiálu. Stanovujú sa únavovým testovaním série vysoko leštených štandardných vzoriek na špeciálnych strojoch. Najjednoduchší je test symetrických zaťažovacích cyklov ohybom.

Priradením rôznych hodnôt napätia vzorkám sa určí počet cyklov. N, pri ktorej došlo k ich zničeniu. Na základe získaných údajov sa vytvorí krivka - N volal krivka únavy. Ak je táto krivka vynesená v logaritmických súradniciach, potom má tvar priamky (obr. 6). Ako je možné vidieť na obr. a pri nízkych napätiach vzorka vydrží veľmi veľký počet zaťažovacích cyklov bez toho, aby sa zničila.

Obr

Po prvýkrát vykonal August Wöhler v rokoch 1857 až 1870 úplné skúšky náprav železničných vozňov na ohyb, krútenie a axiálne zaťaženie. Wöhlerova krivka únavy znázornená na obr. 7 je vlastná dielom vyrobeným z neželezných zliatin. Stálosť krivky odolnosti je udržiavaná až do veľmi nízkych úrovní stresu. Preto bol zavedený koncept limitu podmienenej vytrvalosti a základného počtu cyklov.

Obr. 7. Wöhlerova vytrvalostná krivka

Limit podmienenej odolnosti alebo limit obmedzenej odolnosti je maximálne maximálne napätie, pri ktorom nedochádza k deštrukcii, keď sa vykoná určitý počet cyklov, berúc za základ - .

V logaritmických súradniciach rovnica zodpovedá priamke s exponentom krivky vytrvalosti pre hladké vzorky so symetrickým cyklom.

Pre konštrukčnú a legovanú oceľ je hranica únosnosti v bode priesečníka ľavej a pravej vetvy únosnosti (obr. 6, Obr. a). Tiež sa predpokladalo, že striedavé napätia menej ako limitovaná únosnosť nemá žiadny vplyv. Preto je pravá vetva výdrže rovnobežná s osou x. Podľa GOST 21354-87 je však výdrž kontaktu ovplyvnená napätím viac a pre pevnosť v ohybe - napätia sú väčšie ... V dôsledku toho pravá vetva nie je horizontálna, ale má určitý sklon.

Vo všeobecnosti je predpoklad, že pravá vetva únosnosti je horizontálna, v rozpore s fyzikálnou podstatou javu únavy, ak sa únava uvažuje ako dôsledok hysteréznych strát pri zaťažení a odľahčení súčiastky s premenlivým režimom. Nesúhlasí ani s dislokačnou teóriou lomu Taylora, Orawana a Polanyiho, ktorá potvrdzuje proces postupnej deformácie kryštálovej mriežky a štruktúry v dôsledku pohybu dislokácií a hromadenia vakancií pôsobením vnútorných napätí; v dôsledku toho sa vytvárajú ohniská mikrotrhlín aj za ideálnych podmienok.

Ak vezmeme do úvahy skutočnosť, že ohnisko tvorby trhlín podľa MSTU im. N.E. Bauman, môžu sa vyskytnúť mikrodrsnosti povrchu pri R Z> 1μm alebo dĺžka vnútorných chĺpkov l> 20 µm, dlhodobá výdrž je ovplyvnená stresom menším ako je limit únosnosti.

Zo zovšeobecnených diagramov je najbežnejší Smithov diagram (obr. 6, b), kde sa pre koeficient asymetrie berú do úvahy limity únosnosti v ohybe, ťahu a stláčaní a krútení , charakteristiky cyklu , faktor hrebeňa ... Vďaka Smithovým diagramom pre rôzne materiály a typy zaťaženia je možné vypočítať únavu pri akejkoľvek hodnote koeficientu asymetrie cyklu.

Pre vzorky a diely s koeficientom asymetrie medze únosnosti pre normálny stres označujú a , pričom krútenie pozdĺž symetrického cyklu a ... V súlade s tým pre anulovaný cyklus; a ; ...

Pri absencii tabuľkových experimentálnych údajov v súlade s GOST 25.504-82 sa berú tieto pomery:

; ;

;

kde je matematický predpoklad medznej pevnosti 14 vzoriek pre 14 tavieb. Takže pre uhlíkovú oceľ:

; ; .

Pre výpočty pevnosti pri opakovanom striedavom namáhaní sa vyžadujú mechanické vlastnosti materiálu. Sú určené skúškou odolnosti série štandardných (vysoko leštených) vzoriek na špeciálnych strojoch. Najjednoduchší je test symetrických zaťažovacích cyklov ohybom.

Nastavením vzoriek s rôznymi hodnotami napätí okolo max> určte počet cyklov N, pri ktorých došlo k ich poruche.

Ryža. 3.4. Krivka únavy

Na základe získaných údajov sa vykreslí krivka v súradnici (Angles --N, nazývaná krivka únavy (obrázok 3.4).

Testy ukazujú, že od určitého napätia krivka smeruje k horizontálnej asymptote. To znamená, že pri určitom napätí o r vzorka bez toho, aby bola zničená, môže vydržať nekonečne veľký počet zaťažovacích cyklov. Skúsenosti ukazujú, že vzorka ocele, ktorá odolala NO = 10 7 cyklom, ich znesie neobmedzený počet.

Počet cyklov NO sa nazýva základňa testu. Pri testovaní ui vzorka po absolvovanie Nie cykloch sa experiment ukončí. Pre kalené ocele a neželezné kovy N o=10 8 .

Zodpovedajúce napätiu nie, braný ako hranica únosnosti.

Hranica výdrže je tzv najvyššie napätie, ktorému môže vzorka alebo časť odolávať bez zničenia neobmedzený čas, a označené a pre vzorku a (o r) d pre detail.

Pre vzorky a diely s koeficientom asymetrie cyklu R = - 1 sa medza únosnosti pri normálnom namáhaní označuje o - 1 a (o - 1) D a pre nulový cyklus (R = 0) o 0 resp. (o 0) D

Pri absencii experimentálnych údajov v tabuľkách sa na určenie limitov odolnosti použijú empirické pomery. Teda napríklad pre uhlíkovú oceľ.