 |
|
Короткі теоретичні відомості
Багато деталей машин і елементів конструкцій зазнають тривалої дії повторно-змінних навантажень. Опір матеріалів таким навантаженням істотно відрізняється від їх опору навантаженням статичним, а саме тим, що руйнування може статися при напруженнях, менших не лише за границю міцності, а навіть за границю пружності. Руйнування матеріалів під дією повторно-змінних напружень внаслідок поступового розвитку тріщини називається руйнуванням від втомленості матеріалів. Втомленість – це процес поступового виникнення і розвитку тріщини під впливом силових дій, що багато разів повторюються.
Злом при руйнуванні від втомленості має дві яскраво виражені зони. Одна – гладка, притерта в результаті тертя частин деталі, які знаходяться по різні боки від тріщини, друга – крупнозерниста, шершава – місце безпосереднього злому, що відповідає крихкому характеру руйнування.
Згідно теорій, запропонованих для пояснення явища втомленості, метал являє собою конгломерат кристалічних зерен з різною орієнтацією. Якщо такому конгломерату надати напруження нижче границі пружності, то в окремих зернах може виникнути місцева пластична деформація. При багаторазовому повторенні цих напружень після вичерпання місцевої здатності металу до зміцнення утворюються мікротріщини, які за своїм впливом аналогічні надрізу. При подальшому повторенні навантажень розвиток тріщин приведе метал до крихкого злому. Дослідження свідчать, що існують деякі значення напружень, які не руйнують метал при багаторазовому їх перетворенні.
Здатність матеріалів не руйнуючись чинити опір дії циклічних навантажень називається втомною міцністю (витривалістю). Механічною характеристикою втомної міцності є границя витривалості (втомленості) тобто максимальне напруження, при якому матеріал може витримувати, не руйнуючись, практично необмежено велике число циклів навантаження.
В лабораторних випробуваннях найбільш поширеним видом дослідження на втомленість є випробування на згин при симетричному циклі зміни навантажень. Випробування проводять на спеціальних машинах (МУІ-6000; УКІ-10 та ін.).
Рис. 8.1. Схема машини МУИ-6000.
1 – двигун; 6 – зразок;
2 – муфта; 7 – підшипник кочення;
3 – лічильник обертів; 8 – підвіс;
4 – цапфа; 9 – гиря вагова.
5 – патрон;
Всі частини машини змонтовані на станині. Зразок закріплюють у патроні 5. Зразок обертається частотою 6000 об/хв. Число обертів (циклів) фіксується лічильником 3.
Для визначення границі витривалості 
беруть 6-12 зразків. Їх старанно обробляють (полірують), надають їм плавних обрисів, що виключає виникнення концентрації напружень. Діаметр робочої частини зразка становить 7 
10 мм. Першому зразку задають напруження 
, які перевищують , а саме:
, (8.1)
де 
– границя міцності.
Значення навантаження F на зразок знайдемо за формулою:
, (8.2)
де W – осьовий момент опору зразка,
l – відстань від точки прикладання сили F до опори.
Пропрацювавши невелике число циклів 
, зразок руйнується. Напруження для кожного наступного зразка зменшують на 20 30 МПа доти, доки черговому зразку буде задане таке напруження, при якому він вже не може бути зруйнованим навіть при нескінченно великому числі циклів навантаження. Це напруження і є границею витривалості .
Дані випробувань кожного зразка заносять в таблицю і наносять на графік у координатах 
(рис. 8.2); одержують спадну криву – криву втомленості (Велера). Напруження на графіку відповідає ординаті точки, в якій крива починає збігатися з прямою, паралельно осі абсцис.
Випробування на втомленість проводять на певній базі. Базою випробування 
називається число циклів, перевищення якого вже не приведе до руйнування від втомленості зразка, що випробується при даному напруженні. Для сталей ця база становить 
циклів.
Рис. 8.2
Контрольні запитання
1. Які основні фактори впливають на міцність при змінних напруженнях?
2. Яке практичне значення мають випробування на витривалість?
3. Що називається границею витривалості?
4. Як будується діаграма для визначення границі витривалості?
5. Чи можуть постійні навантаження викликати змінні напруження у зразках?