Раздел 2 Характеристики сопротивления усталости

Под усталостью понимают свойство материала, характеризующее процесс накопления в нем повреждений под воздействием переменного (циклического) нагружения, приводящий к образованию и распространению трещины вплоть по разрушения. В качестве характеристики усталости используют кривые усталости (кривые Велера). Кривые усталости представляет собой совокупность точек в координатах «s-N», где s - действующее циклическое напряжение, N‑ количество циклов до разрушения (иногда до образования трещины) конструктивно подобного образца (полоса с отверстием, цилиндрический образец с кольцевой выточкой, образец-проушина и т.д.). Усталостная долговечность материала в значительной степени зависит от ряда факторов. К их числу, безусловно, относятся вид концентратора, состояние поверхности образца или элемента конструкции, тип нагружения и его параметры. Поэтому кривые усталости строятся при заданных значениях коэффициента концентрации α_σ, коэффициента асимметрии цикла R и частоты нагружения f. При регулярном циклическом нагружении сопротивление усталости определяется следующими основными характеристиками.

1. Циклическая долговечность N - число циклов напряжений выдержанных образцом до образования трещины определенного размера или до полного его разрушения.

2. База испытаний - предварительно задаваемое наибольшее число циклов при испытании на усталость.

3. Кривая усталости s (N), t (N) - зависимость между амплитудой s_a (t _a) или максимальным напряжением цикла s_max (t _max) и числом циклов до разрушения одинаковых образцов N при постоянном значении среднего напряжения цикла s_m (t _m) или коэффициента асимметрии R (рис. 4.7).

Рисунок 4.7

Кривая усталости имеет три характерных участка:

- начальный участок I (участок малоцикловой усталости N£10³‑10⁴); при малоцикловой усталости усталостное повреждение происходит при упруго-пластическом деформировании;

- средний участок II (примерно в диапазоне долговечностей N=10^4‑10⁶ );

- третий участок III (участок многоцикловой усталости, N³10⁶); при многоцикловой усталость усталостное повреждение происходит, в основном, в условиях упругого деформирования.

В отечественной авиационной практике второй участок принято обозначать как участок малоцикловой усталости (МЦУ). Участок III для углеродистых и низколегированных сталей обычно имеет горизонтальный линейный характер. Для высоколегированных сталей и сплавов на магниевой, алюминиевой и титановой основах этот участок представляет собой кривую, стремящуюся к асимптоте s_R при N =∞. Величину s_R называют пределом усталости материала.

Для аналитического описания второго участка кривой усталости широкое применение нашло уравнение Велера:

, где

N - долговечность до разрушения образца;

s - напряжение цикла;

m, B - константы материала.

Применительно к легким сплавам (магниевым, алюминиевым и титановым) для описания всех трех участков кривой усталости применяют уравнение Вейбула:

, где

N - долговечность до разрушения образца;

s - напряжение цикла;

s_B- предел прочности материала;

s_R – предел усталости материала;

m, B, C - константы материала.

Как показали исследования более адекватно экспериментальным данным соответствует уравнение Степнова М.Н.:

, где

N - долговечность до разрушения образца;

s - напряжение цикла;

s_R – предел усталости материала;

a, α, N₁ - константы материала.