Механические свойства, определяемые при динамических нагрузках
При работе деталей машин возможны динамические нагрузки, при которых многие металлы проявляют склонность к хрупкому разрушению. Опасность разрушения усиливают надрезы — концентраторы напряжений. Для оценки склонности металла к хрупкому разрушению под влиянием этих факторов проводят динамические испытания на ударный изгиб на маятниковых копрах (рис. 2.4). Стандартный образец устанавливают на две опоры и посредине наносят удар, приводящий к разрушению образ на. По шкале маятникового копра определяют работу К, затраченную на разрушение, и рассчитывают основную характеристику, получаемую в результате этих испытаний — ударную вязкость:
KC = K/S'0,
| де 50 -— площадь поперечного сечения образца в месте надреза.
|
|
| Риг. 2.4. Схема маятников» копра (а) и испытание под удар (tf): / оЬраюц, i! маятик, .7 шкал»; J, стрелка шкалы; '> тормо! |
Кдиница измерения ударной вязкости — мегаджоуль на квадратный метр (МДж/м2).
|
|
В соответствии с ГОСТ 9454 - 78 предусмотрены испытания образцов с концентратором напряжений трех видов: {/-образным (радиус надреза г = 1мм); У-образным (г = 0,25 мм) и Г-образным (трещина усталости, созданная в основании надреза). Соответственно ударную вязкость обозначают: KCU, КСТ, KCV.
Основным критерием ударной вязкости является KCU. Она состоит из двух составляющих:
KCU = КС3 + КСР,
где КС3 — работа зарождения трещины; К Ср % К С Т — работа распространения трещины. Чем острее надрез, тем меньше КСъ. Критерий КСТ является критерием трещиностойкости, оценивающим сопротивление материала распространению трещины.
|
|
|
Ударная вязкость из всех характеристик механических свойств наиболее чувствительна к снижению температуры. Поэтому испытания на ударную вязкость при пониженных температурах используют для определения порога хладноломкости — температуры или интервала температур, в котором происходит снижение ударной вязкости.
Хладноломкость — свойство металлического материала терять вязкость, хрупко разрушаться при понижении температуры. Хладноломкость проявляется у железа, стали, металлов и сплавов, имеющих ОЦК или ГП решетку. Она отсутствует у металлов с ГЦК решеткой.
| Рис. 2.5. Влияние температуры испытания на процент вязкой составляющей в изломе (В) и ударную вязкость материала KCU, КСТ |
На переход от вязкого разрушения к хрупкому указывают изменения строения излома и резкое снижение ударной вязкости (рис. 2.5) в интервале темпера-ТУР (^в _ t\) (граничные значения температур вязкого и хрупкого разрушения). Строение излома изменяется от волокнистого матового при вязком разрушении (t > tB) до кристаллического блестящего при хрупком разрушении (t < <х). Порог хладноломкости обозначают интервалом температур (tB — tH) либо одной температурой ^50, при которой в изломе образца имеется 50 % волокнистой составляющей и КСТ снижается наполовину.
|
|
|
2.2.3. Механическиесвойства, определяемые при переменных (циклических)нагрузках
Многие детали машин (валы, шатуны, зубчатые колеса) испытывают во время работы повторяющиеся циклические нагружения. Цикл напряжения — совокупность изменения напряжений между двумя его предельными значениями <ттах и сгт,п в течение периода Т. При экспериментальном исследовании сопротивления усталости материала за основной принят синусоидальный цикл изменения напряжения (рис. 2.6). Он характеризуется коэффициентом асимметрии цикла R = сгт\п/атлх; ам-
| (о"г |
°rnin)/2; средним напряжением цикла
плитудои напряжения аа
0~т — (Сщах + 0rnin)/2.
Различают симметричные циклы (R = -1) и асимметричные (R изменяется в широких пределах). Различные виды циклов характеризуют различные режимы работы деталей машин.
Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а свойство противостоять усталости — выносливостью (ГОСТ 23207 - 78).
|
|
|
Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической нагрузки имеет ряд особенностей.
|
|
1. Оно происходит при напряжениях, меньших, чем при статической нагрузке (меньших предела текучести или временного сопротивления).
2. Разрушение начинается на поверхности (или вблизи от нее) локаль но, в местах концентрации напряжений (деформации). Локальную концентрацию напряжений создают повреждения поверхности в результате циклического нагружения либо надрезы в виде следов обработки, воздействия среды.
3. Разрушение протекает в несколько стадий, характеризующих процессы накопления повреждений в материале, образования трещин усталости, постепенное развитие и слияние некоторых из них в одну магистраль ную трещину и быстрое окончательное разрушение.
4. Разрушение имеет характерное строение излома, отражающее последовательность процессов усталости. Излом состоит из <>чага разрушения (места образования микротрещин) и двух зон
усталости и долома (рис. 2.7).
Очаг разрушения примыкает к
поверхности и имеет небольшие Риг. 2.6. Синусоидальный цикл из-
рашсры и гладкую поверхность. ы«-нония напряжений
|
|
|
|
|
|
|
| Рис. 2.7. Излом усталостного разрушения: 1 - очаг зарождения трещины; 2 - зона усталости; 3 - зона долома (схема) |
Зону усталости формирует последовательное развитие трещины усталости. В этой зоне видны характерные бороздки, которые имеют конфигурацию колец, что свидетельствует о скачкообразном продвижении трещины усталости. Зона усталости развивается до тех пор, пока в уменьшающемся рабочем сечении напряжения возрастут настолько, что вызовут его мгновенное разрушение. Эту последнюю стадию разрушения характеризует зона долома.
О способности материала работать в условиях циклического нагружения судят по результатам испытаний образцов на усталость (ГОСТ 25.502-79). Их проводят на специальныхмашинах, создающих вобразцах многократное нагружение (растяжение-сжатие, изгиб, кручение). Образцы (не менее 15 шт.) испытываютпоследовательно на разных уровнях напряжений, определяя числоциклов до разрушения. Результаты испытаний изображают в виде кривойусталости, которая в логарифмических координатах: максимальное напряжение цикла сгтах (или аа) - число циклов нагружений N состоит из участков прямых линий (рис. 2.8). Горизонтальный участок определяет напряжение, которое не вызывает усталостного разрушения после неограниченно большого или заданного (базового Nq) числа
|
|
циклов1. Это напряжение представляет собой физический предел выносливости а% (R — коэффициент асимметрии цикла), при симметричном цикле cr_i. Наклонный участок кривой усталости характеризует ограниченный предел выносливости, равный напряжению <тк, которое может выдержать материал в течение определенного числа циклов
| Рис. 2.8. Кривые усталости для стали (/ ) и цветных металлов (2 ) |
| За базу испытаний N6 (отвечает точке начала горизонтального участка или точкеперегиба) принимают 107 циклов для стали и 108 циклов для цветных металлов.
 Мы поможем в написании ваших работ! |