ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Механизм усталостного разрушения и характер усталостных изломов деталей машин из "Расчеты на прочность при напряжениях переменных во времени (БР) " Большинство деталей машин (валы, шестерни, болты, рамы, упругие элементы и т. д.) в процессе работы подвергаются воздействию напряжений, переменных во времени. Если уровень переменных напряжений превосходит определенный предел, то в материале деталей происходит процесс постепенного накопления повреждений, который приводит к образованию субмикроскопиче-ских трещин. Длина этих трещин увеличивается, затем они объединяются, образуя первую макроскопическую трещину, под которой понимается трещина протяженностью 0,1—0,5 мм. У корня этой трещины возникает местное увеличение напряжений, называемое концентрацией напряжений, которое облегчает ее дальнейшее развитие. Трещина, постепенно развиваясь и ослабляя сечение, вызывает в некоторый момент времени внезапное разрушение детали, которое нередко бывает связано с авариями и весьма тяжелыми последствиями. Указанный процесс постепенного накопления повреждений в материале детали под действием переменных напряжений, приводящих к изменению свойств материала, образованию, развитию трещин и разрушению детали называют усталостью материала. [c.7] Для изучения физической природы процесса усталостного разрушения применяют микроскопические, электроноскопические, рентгеновские, калориметрические и поляризационно-оптические методы, а также измеряют твердость материала в процессе усталости, рассеяние Энергии, плотность дислокаций и т.д. [1, 19, 66, 67, 76]. [c.7] По мере накопления числа циклов количество линий сдвига увеличивается, они расширяются, переходят на другие зерна, что показано на рис. 1.1 (здесь образец нагружался амплитудами переменных напряжений, превосходящими предел выносливости). При этом циклическая пластическая деформация и образование линий сдвигов происходит почти во всех зернах металла. На рис. 1.2 показано развитие следов сдвига по мере накопления числа циклов на образцах из мягкой стали при амплитудах напряжений ниже предела выносливости. Характерным для этого случая является то, что следы сдвига образуются лишь в отдельных неблагоприятно ориентированных зернах и не переходят на другие зерна даже после значительного количества циклов (например, после 4,6-10 циклов, см. рис. 1.2, г). Образования макроскопической трещины усталости и разрушения при этом не происходит. [c.8] На циклическую пластическую деформацию в отдельных зернах металла при напряжениях, не превосходящих пределы выносливости и пропорциональности, затрачивается определенная энергия, и образуется петля упругого гистерезиса (рис. 1.3), Площадь петли, пропорциональная энергии, затрачиваемой за один цикл на пластическую деформацию в отдельных зернах, характеризует рассеяние энергии в материале при циклическом нагружении. Изучение зависимости площади петли гистерезиса от уровня амплитуды напряжений, числа циклов, состояния материала, температуры и других факторов позволяет глубже понять механизм усталостного разрушения и создает предпосылки для разработки энергетических трактовок закономерностей усталостного разрушения 119, 40]. [c.8] Форсайтом [66] были обнаружены поверхностные повреждения металла при циклическом нагружении, названные экструзиями и интрузиями. Экструзии представляют собой выдавленные выступы в виде тонких лепестков (рис. 1.4) интрузии — тонкие щелеобразные углубления (впадины), проникающие внутрь металла по мере накопления числа циклов и постепенно превращающиеся в зародыш усталостной трещины. Продольный разрез образца с экструзиями и интрузиями на поверхности дан на рис. 1.5. [c.10] Очагом разрушения называют весьма малую зону, прилегаюш,ую к фокусу излома и соответствующую начальной макроскопической трещине усталости. Зона излома в области очага разрушения обычно характеризуется наибольшим блеском и наиболее гладкой поверхностью по сравнению с другими участками излома. Усталостные линии на поверхности очага разрушения обычно отсутствуют. На усталостном изломе могут быть и несколько очагов разрушения. [c.11] Участок избирательного развития соответствует зоне развившейся трещины усталости. Эта зона имеет гладкую блестящую поверхность, на которой видны характерные признаки излома. Степень блеска и шероховатость поверхности усталостной трещины бывают различными. Более блестящая (наименее шероховатая) поверхность получается при малых перегрузках, при которых ско-юсть распространения трещины мала, а время ее развития велико, ладкий и блестящий вид поверхности усталостной трещины возникает не от трения и наклепа вследствие притирания смежных поверхностей трещины, как полагали ранее, а связан с микроизбирательностью распространения усталостной трещины 168]. В зоне избирательного развития обычно видны характерные усталостные линии, имеющие волнообразный вид и расходящиеся от очага разрушения как из центра. Усталостные линии являются следами фронта продвижения трещины. Появление этих линий часто связано с некоторым изменением направления развития трещин, вследствие чего образуется небольшой уступ, выявляемый только при профилографировании. Другой причиной появления усталостных линий является изменение шероховатости поверхности излома при изменении степени перегрузки в процессе эксплуатации. Форма усталостных линий зависит от формы детали и характера ее нагружения. [c.12] Часто в деталях может зарождаться несколько трещин усталости из разных фокусов. В этом случае начальные трещины располагаются параллельно одна другой. В результате последующего их слияния на поверхности излома образуются ступеньки и рубцы. Чем выше уровень действующих напряжений, тем большее количество очагов зарождения трещин усталости, тем большее число ступенек и рубцов появляется на поверхности излома. [c.12] Направление развития первоначальной трещины может измениться (см. рис. 1.6), при этом образуются зародыши пасынковых трещин, развивающихся в другом направлении. От слияния пасынковых трещин образуются вторичные ступеньки и рубцы 2. [c.12] Участок ускоренного развития 4 является переходной зоной между участком собственно усталостного развития трещины и зоной долома. Эта зона образуется в течение нескольких циклов, предшествующих окончательному разрушению. [c.12] Если условия возникновения трещины зависят в основном от касательных напряжений, то ее развитие связано в большинстве случаев с влиянием нормальных напряжений. При действии переменного напряжения (растяжения-сжатия или изгиба) трещина развивается по поверхности действия наибольших нормальных напряжений. На рис. 1.7 показана трещина усталости по месту сопряжения стержня и головки болта. Нормали к поверхности трещины приблизительно совпадают с направлениями наибольших нормальных напряжений. Так, при кручении трещина развивается под углом 45° к образующей цилиндра, т. е. перпендикулярно к направлению максимальных растягивающих напряжений. [c.13] При анализе усталостных изломов широко применяют фракто-графические методы исследования их поверхности [19, 761. [c.13] Вернуться к основной статье