Определение предела выносливости при симметричном цикле. Определение величины предела выносливости. предел ограниченной выносливости От чего зависит предел выносливости

Как показывают опыты, величина предела выносливости материала в значительной степени зависит от соотношения между крайними значениями р max и p min изменяющегося напряжения. Если эти значения равны по величине р а и обратны по знаку (рис.14.1), то мы имеем симметричный цикл, при котором предел выносливости оказывается наименьшим.

Рис. 14.1

Если мы добавим к симметрично колеблющемуся в пределах +р а и -р а напряжению ещё напряжение постоянной величины р m (рис.14.2), то получим случай несимметричного цикла; в этом случае предел выносливости оказывается выше, чем для симметричного цикла.

Крайние значения напряжения при несимметричном цикле р max и p min будут (рис. 14.2):

р max = p m + р a и p min = р m - p а ;

в свою очередь

Напряжение р т называют средним напряжением цикла, а р а - амплитудой колебаний напряжения цикла. Отношение называется характеристикой цикла. При симметричном цикле р т = 0, p min = - p max и r =-1; при постоянном статическом напряжении р а = 0, p min = p max и r = +1; если p min =0, то и r = 0. Приведём несколько примеров несимметричных циклов:

Удвоенная величина амплитуды колебаний напряжения р а

называется «размахом» цикла.

Значение предела выносливости для любого цикла переменных напряжений будем обозначать через р, или со значком внизу, указывающим на соответствующую характеристику цикла. Так, p -1 - предел выносливости при симметричном цикле с характеристикой r= -1, p 0,2 - предел выносливости при несимметричном цикле с характеристикой r = +0,2 и т.п.

Наибольший интерес представляет определение величины предела выносливости при симметричном (р m = 0) цикле, как наименьшего. Эта величина оказывается различной для случая деформации изгиба, осевой деформации (растяжение и сжатие) и кручения.

Для определения предела выносливости при изгибе применяются машины, в которых образец круглого поперечного сечения нагружается через шарикоподшипники, или как консоль - силой на конце, или как шарнирно-опёртая балка - симметрично расположенными равными силами; образец вращается со скоростью около 2000-3000 об./мин. При каждом обороте материал образца в наиболее напряжённых местах испытывает симметричный цикл изменения напряжений от наибольшего сжатия до такого же наибольшего растяжения, и обратно. Число циклов, испытанных образцом, определяется числом его оборотов N, отмечаемым специальным счётчиком.

Образцам придаётся форма с весьма плавными очертаниями, исключающими возможность появления местных напряжений. Опыт по определению предела выносливости производится следующим образом. Заготовляется партия образцов испытываемого материала в количестве 6-10 штук; образцам даётся последовательная нумерация: 1, 2, 3…

Первый образец закладывается в машину и нагружается так, чтобы получить определённую величину наибольшего нормального напряжения "; эту величину обычно берут равной 0,5-0,6 от предела прочности материала; затем машина пускается в ход, и образец вращается, испытывая переменные напряжения от +" до -" до тех пор, пока произойдёт излом. В этот момент специальное приспособление выключает мотор, машина останавливается, и счётчик оборотов показывает число циклов N 1 , необходимое для излома образца при напряжении ".

Тем же порядком испытывают второй образец при напряжении ", меньшем ", третий - при напряжении ""<", и т.д. Соответственно возрастает число циклов, необходимое для излома. Уменьшая для каждого нового образца рабочее напряжение, мы, наконец, для какого-то из них не получаем излома, даже при очень большом числе оборотов образца. Соответствующее напряжение будет очень близко к пределу выносливости.

Опыты показали, что если стальной образец не разрушился после 1010 6 циклов, то он может выдержать практически неограниченное число циклов (10010 6 - 20010 6). Поэтому при определении предела выносливости для того или иного сорта стали прекращают опыт, если образец испытал

1010 6 циклов и не сломался. В ряде случаев при испытаниях ограничиваются и меньшим предельным числом циклов, однако, не меньше 510 6 .

Для цветных металлов подобной зависимости нет, и чтобы обнаружить, действительно ли при заданном напряжении образец может выдержать очень большое число перемен знака, приходится давать до 20010 6 и даже 50010 6 циклов. В этом случае можно говорить об условном пределе выносливости, соответствующем отсутствию излома при определённом числе перемен знака напряжений, - при 1010 6 , 3010 6 и т.д.

Для нахождения числовой величины предела выносливости полученные результаты обрабатываются графически. На рис.14.3 и рис.14.4 показаны два метода подобной обработки. На первой из них по оси ординат откладываются величины ", ",. .., а по оси абсцисс N 1 , N 2 и т.д. Ордината горизонтальной касательной к полученной кривой (асимптоты) и будет равна пределу выносливости. На втором чертеже по оси абсцисс откладываются величины, равные. В этом случае предел выносливости определяется как отрезок, отсекаемый на оси ординат продолжением полученной кривой, так как начало координат соответствует N=. В настоящее время более употребительным является второй метод.

Подобным же образом определяется предел выносливости для осевых усилий (растяжение и сжатие) и для кручения; для этой цели также применяются специальные испытательные машины (пульсаторы и др.).

В настоящее время получено громадное количество экспериментальных результатов по определению предела выносливости различных материалов.. Большая часть произведённых исследований относится к стали, как наиболее употребительному материалу в машиностроении. Результаты этих исследований показали, что предел выносливости стали всех сортов связан более или менее определённым соотношением лишь с величиной предела прочности при растяжении в. Для катаного и кованого материала предел выносливости при симметричном цикле в случае изгиба составляет от 0,40 до 0,60 в; для литья это соотношение заключается в пределах от 0,40 до 0,46.

Таким образом, в запас прочности с достаточной для целей практики точностью можно принять для всех сортов стали

Если подвергать образец стали осевым усилиям при симметричном цикле (попеременному растяжению и сжатию), то соответствующий предел выносливости, как показывают опыты, будет ниже, чем при изгибе; соотношение между этими пределами выносливости может быть принято равным, как показывают опыты, 0,7, т.е. .

Это снижение объясняется тем, что при растяжении и сжатии всё сечение подвергается одинаковым напряжениям; при изгибе же наибольшие напряжения имеют место лишь в крайних волокнах; остальная часть материала работает слабее и, таким образом, несколько затрудняет образование трещин усталости; кроме того, на практике всегда имеет место некоторый эксцентриситет осевой нагрузки.

Наконец, при кручении для симметричного цикла предел выносливости по касательным напряжениям составляет в среднем 0,55 от предела выносливости при изгибе. Таким образом, для стали при симметричном цикле

Эти данные и могут быть положены в основу расчётных формул при проверке прочности.

Для цветных металлов мы имеем менее устойчивое соотношение между пределом выносливости и пределом прочности; опыты дают

= (0,24 0,50) в.

При пользовании приведёнными выше соотношениями (14.1) надо иметь в виду, что предел выносливости для данного материала является характеристикой, зависящей от очень большого, числа факторов; данные (14.1) относятся к опытам с образцами сравнительно малого диаметра (7-10 мм) с полированной поверхностью и отсутствием резких изменений формы поперечного сечения.

Изучение явления усталости показало, что при известных условиях разрушение материала при переменных напряжениях может и не произойти. Свойство материала выдерживать, не разрушаясь, больше число циклов переменных напряжений называют его выносливостью. Пределом выносливости (пределом усталости) называют наибольшую величину циклического напряжения, при котором материал может работать неограниченно долго без разрушения . Предел выносливости обозначается .

Усталостную прочность определяют по результатам экспериментальных исследований определенного числа образцов, подвергнутым испытаниям при различных уровнях циклических напряжений, вплоть до их разрушений. Результаты испытаний серии одинаковых образцов наносят на плоскость или , где– это максимальное за период цикла напряжение, а – число циклов до полного разрушения , получая при этом так называемую диаграмму .

Опыт по определению предела выносливости производится следующим образом. Заготавливается партия образцов испытываемого материала. Выбирают ряд уровней циклических напряжений, при которых будут испытывать образцы. Первый уровень напряжений, как правило, наибольший и составляет величину равную 0,7-0,8 предела текучести материала, остальные уровни напряжения берутся ниже. На каждом уровне напряжений испытывают 5-6 образцов . Эти образцы закладываются в машину и нагружаются. Когда произойдет излом или разрыв, машина автоматически выключается, а счетчик оборотов показывает число циклов, необходимое для разрушения образца.Эксперименты показывают, что при испытаниях образцов на одном и том же уровне напряжений наблюдается значительный разброс разрушений . В таких случаях устанавливают вероятность разрушения в течение некоторого времени t на данном уровне напряжений.

С понижением уровня напряжения долговечности испытываемых образцов возрастают настолько, что приходится назначать некоторое предельное время выдержки , называемое базой испытаний , при которой образцы снимают с испытаний, когда часть из них не разрушилась. Напряжение, при котором 50% образцов разрушаются при , а остальные 50% проходят базу испытаний, называется ограниченным или условным пределом выносливости.

Базы по числам циклов составляют обычно для черных металлов, для сплавов цветных металлов иногда до . В настоящие время нет ясного представления о том, существует ли у материалов абсолютный предел выносливости , так как нередко образцы разрушаются после того, как они предварительно выдержали десятки и даже сотни миллионов циклов. Это можно объяснить наличием в материале технологических дефектов в виде пор, расслоений, неметаллических включений и дефектов поверхностей обработки. Наличие экспериментальных данных об испытаниях конструкционных цветных сплавов дает основание утверждать, что последние не имеют абсолютного предела выносливости. Особую область исследований представляют испытания материалов в условиях коррозионно-агрессивных сред . Многие материалы в этих условиях определенно не имеют абсолютного предела выносливости. Также кроме напряженного состояния в материале еще проявляются электрохимические явления , получившие название эффект Ребиндера .

Предел выносливости при асимметрических циклах нагружения

Наиболее опасным циклом нагружения является симметричный цикл нагружения. Однако большое количество деталей машин работает при асимметричных циклах нагружения. Рассмотрим диаграмму Хея-Зодерберта для стали 45.

Диаграмма Хея-Зодерберта строится в координатах амплитуды напряжений– , постоянная составляющая цикла– . Так как при всегда меньше предела прочности , то все возможные механические состояния материалов находятся в пределах треугольника оав , причем уравнение прямой I имеет вид:

Уравнение прямой 2 представляется так:

Кривая 3 – экспериментальная кривая предела выносливости, полученная при разных амплитудах и постоянных составляющих циклах на одной и той же базе . Ордината при абсциссе представляет собой предел выносливости при симметричном цикле нагружения, обозначается через .

Для кривой выносливости левее луча можно записать эмпирическую зависимость:

,

где К – эмпирический коэффициент , для стали 45 равный 0,6; для других марок сталей около 0,4.

Правее этого луча в некоторый момент начинается медленное развитие шейки, как это имеет место при быстром нагружении материала.

Кривая пределов выносливости продолжена в область отрицательных напряжений, где значение меньше абсолютного значения . В этой области амплитуды пределов выносливости быстро возрастают. Это обстоятельство дает основание утверждать, что при знакопостоянных напряжениях сжатия усталостные разрушения сталей отсутствуют.

Для сравнения с диаграммой Хея-Зодерберга для стали представим такую же диаграмму для серого чугуна . Чугун С4 12-28 представляет относительно хрупкий материал.

Кривая пределов выносливости доходит до линии I , уравнение которой так как чугун разрушается без образования шейки. В области сжимающих напряжений кривая выносливости имеет экстремум и располагается внутри треугольника оав . Это означает, что сопротивление циклическому сжатию ниже сопротивления статическому сжатию. Предел выносливости стали связан с пределом прочности материала и зависит от вида деформации.

Известны следующие эмпирические зависимости для определения предела выносливости при симметричном цикле нагружения:

при изгибе

при растяжении

при кручении

В настоящее время нет достаточно чёткого объяснения того, что в условиях значительных сжимающих напряжений пластические материалы не разрушаются . По-видимому, под действием растягивающих напряжений микротрещина будет развиваться и расти, а под действием сжимающих напряжений закрываться.

Предел выносливости материала определяется путем испытания идентичных образцов при различных значениях σmax (но при неизменном коэффициенте асимметрии R и регистрации количества циклов, при котором происходит разрушение каждого образца.

Для этой цели используется партия (не менее 10 образцов обычно круглого сечения). Во избежание концентрации напряжений образцам

придается плавная форма, а поверхность тщательно шлифуется или полируется.

Предел выносливости зависит от размеров поперечного сечения образца. Поэтому всегда указывается, на образцах какого диаметра определялась эта усталостная характеристика.

Первый образец испытываемой партии нагружается так, чтобы максимальные напряжения превышали предел выносливости при данном коэффициенте асимметрии цикла, и по счетчику на машине устанавливается количество циклов, которое выдержал образец перед разрушением. Количество циклов, выдерживаемых образцом или деталью перед разрушением, называется циклической долговечностью .

В каждом последующем образце при том же коэффициенте асимметрии цикла создается максимальное напряжение, меньшее, чем в предыдущем, а также регистрируется число N циклов, при котором эти образцы разрушаются.

Результаты испытаний представляются графически в виде кривой усталости. По оси ординат откладываетсяσmax - максимальное напряжение цикла, при котором испытывался образец, а по оси абсцисс - число N циклов, которое выдержал образец перед разрушением.

Обычно на каждом уровне напряжений σmax испытывается несколько образцов, и по результатам испытаний определяется среднее значение разрушающего числа циклов. Именно это значение N и откладывается по оси абсцисс при построении кривых усталости. Вид кривой усталости для черных металлов приведен на рис. 13.3.

Часто кривые усталости строят в полулогарифмических или двойных логарифмических координатах, откладывая по оси абсцисс логарифм числа циклов lgN, соответствующих поломке образца, а по оси ординат - максимальное напряжение цикла σmax или σR. Кривая усталости в полулогарифмических координатах имеет вид, представленный на рис. 13.4. Она состоит из двух прямых, причем вторая прямая почти горизонтальна.

Эксперименты показывают, что образцы из большинства черных металлов, выдержавшие 1e7 циклов, обычно не разрушаются при дальнейшем увеличении числа перемен нагрузки. Кривая усталости для таких материалов асимптотически приближается к горизонтальной прямой. Отрезок, отсекаемый этой прямой на оси ординат, определяетпредел выносливости материала σR при данном коэффициенте асимметрии цикла R (см. рис. 13.3).

Для цветных металлов, строго говоря, не существует такого числа циклов, выдержав которые образец не разрушается при дальнейшем испытании. Кривые усталости цветных металлов не имеют горизонтальной асимптоты (рис. 13.5). В таких случаях можно говорить лишь о пределе ограниченной выносливости σRN

Пределом ограниченной выносливости называется максимальное напряжение цикла, при котором материал выдерживает перед разрушением наперед заданное число циклов No, называемое базой испытания .

Для сталей предел ограниченной выносливости, определенный на базе N = 1e7, как указывалось выше, можно принять за предел выносливости, так как если стальной образец выдержал 1e7 циклов, то он может выдержать практически неограниченное число циклов. Для цветных металлов за предел выносливости принимается ограниченный предел, определенный на базе от 1e6 до 1e8 циклов.

Наиболее простыми являются машины, предназначенные для испытаний на переменный изгиб с вращением при симметричном цикле изменения напряжений. Схема такой машины, в которой образец работает как консольная балка, представлена на рис. 13.6. Имеются также машины, в которых образец работает на переменный чистый изгиб как двухопорная балка.

При испытаниях на переменное растяжение (сжатие) и переменное кручение применяются машины более сложной конструкции. Обычно эти машины приспособлены для испытаний при асимметричном цикле.

Результаты экспериментальных исследований показали, что пределы выносливости одного и того же материала при растяжении и кручении меньше предела выносливости при изгибе. Например, при симметричном цикле предел выносливости при растяжении

а при кручении

где σ-1 предел выносливости при изгибе. В справочной литературе обычно приводятся значения σ-1, полученные по результатам испытаний на переменный изгиб.

Были предприняты многочисленные исследования для установления связи предела выносливости σ-1 с другими механическими характеристиками материала. Эти исследования показали, что для сталей

а для цветных металлов зависимость менее определенна:

где σB - предел прочности материала.

Данные соотношения надо рассматривать как ориентировочные, но они показывают, что предел выносливости для некоторых цветных металлов почти в четыре раза меньше предела прочности,

Многие детали машин и механизмов в процессе эксплуатации подвергаются повторно-переменным (циклическим) напряжениям, что может вызвать образование трещин и разрушение даже при напряжениях ниже  0,2.

Разрушение металлов и сплавов в результате многократного повторно-переменного напряжения носит название усталости, а свойство металлов сопротивляться усталости называетсявыносливостью (ГОСТ 23207-78).

Природа усталостного разрушения заключается в следующем. Металлы, как известно, состоят из большого числа различно ориентированных зерен, которые вследствие анизотропии оказывают неодинаковое сопротивление действию внешних сил. Зерна, неблагоприятно расположенные по отношению к направлению действия внешних сил, оказываются слабыми, и пластичная деформация в них произойдет при напряжениях ниже предела текучести, в других же зернах приложенная нагрузка вызовет лишь упругую деформацию.

Многократная пластическая деформация при действии повторно-переменных нагрузок приводит к образованию микротрещины, которая, увеличиваясь, превращается в зону усталостного разрушения.

Исследования на усталость проводят для определения предела выносливости , под которым понимают максимальное напряжение цикла, которое выдерживает материал, не разрушаясь при достаточно большом числе повторно-переменных нагружений (циклов).

Предел выносливости при симметричном цикле обозначается  -1. Предел выносливости чаще определяют на вращающемся образце (гладком или с надрезом) с приложением изгибающей нагрузки по симметричному циклу.

Для этого используют не менее десяти образцов, каждый из которых испытывается до разрушения только на одном уровне напряжений.

По результатам испытаний отдельных образцов в координатах «напряжение-число циклов» строят кривую, по которой и определяют предел выносливости  -1 (рис. 21).

Для тех металлов и сплавов, у которых нет горизонтального участка выносливости, испытания, ограничивают определением «ограниченного предела выносливости», который для сталей равен 10 млн., а для цветных сплавов 100 млн. циклов.

Рис. 21.Схема испытания и кривая выносливости

Порядок выполнения работы

Установить длину рабочей части и площадь поперечного сечения образца до испытания.

Провести испытания образца на растяжение с записью диаграммы.

По диаграмме растяжения определить предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности.

Определить относительное удлинение и сужение образца.

Провести испытания на ударную вязкость и определить ее значение.

Контрольные вопросы

Виды механических испытаний металлов.

Какие характеристики определяют при испытании на растяжении?

Что такое ударная вязкость?

Как проводятся испытания на ударную вязкость?

Что такое усталость, выносливость и предел выносливости металлов?

Как определяется предел выносливости?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

Влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства стали

Цель работы: изучить влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства (твердость) малоуглеродистой стали; изучить влияние температуры нагрева на структуру и свойства (твердость) холоднодеформированной малоуглеродистой стали.

Приборы и оборудование: набор готовых микрошлифов, микроскоп МИМ-7, твердомеры, штангенциркуль.

Пластическая деформация и рекристаллизация

Холодная пластическая деформация вызывает в металле структурные изменения, а, следовательно, и изменение свойств металла.

Явления, возникающие в металле при пластической деформации, многообразны. Условно их можно разделить на три группы:

а) изменение формы и размеров кристаллов (зерен);

б)изменение их кристаллографической пространственной ориентировки;

в) изменение тонкого внутреннего строения каждого кристалла.

Пластическая деформация осуществляется путем скольжения (сдвига) или двойникования. Скольжение (сдвиг) состоит в перемещении одной части кристалла относительно другой по определенным плоскостям и направлениям. Двойникование осуществляется путем поворота некоторого объема кристалла на определенный угол.

Многочисленные исследования показывают, что скольжение и поворот осуществляются по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов. Чем больше в металле таких плоскостей, тем выше его способность к пластической деформации. Металлы и сплавы с кубическими решетками К12 и К8 имеют большую пластичность, чем металлы и сплавы с гексагональными решетками Г12 и Г6.

Вдоль плоскостей, по которым произошел сдвиг, и в прилегающих к ним объемах происходит искажение кристаллической решетки, которое вызывает упрочнение сплава. Поэтому последующее скольжение возникает уже в другой параллельной плоскости и при большем напряжении.

Процесс скольжения нельзя представлять себе как одновременное перемещение всех атомов, находящихся в плоскости скольжения, так как для группового перемещения атомов требуются напряжения в сотни раз большие, чем напряжения скольжения. Например, для монокристаллов железа наименьшая теоретическая прочность скольжения равна 23000 МПа, а реальная прочность скольжения составляет 290 МПа, что почти в 100 раз меньше теоретической; для алюминия реальная прочность почти в 500 раз меньше теоретической, для меди в 1540 раз.

Такое большое расхождение между теоретической и реальной прочностью металлов вызвано наличием в реальных кристаллах многочисленных дефектов кристаллической решетки.

Сравнительно легкое перемещение атомов по плоскостям скольжения объясняется наличием в этих плоскостях линейных дефектов – дислокаций. Дислокации бывают линейные и винтовые. Образование линейной дислокации можно представить как внедрение в идеально построенный кристалл лишней кристаллографической полуплоскости атомов, называемой экстраплоскостью (рис. 22).

Рис. 22. Схема образования линейных дислокаций:

АВ – линия дислокации; CD – плоскость скольжения линейной дислокации

Нижний край экстраплоскости АВ вызывает большое искажение в кристаллической решетке, которое называется линией дислокации. Вокруг линии дислокации концентрируются все упругие искажения кристаллической решетки. Над линией дислокации, где имеется экстраплоскость, кристаллическая решетка сжимается, а под линией дислокации, где отсутствует экстраплоскость, растягивается. Длина дислокации может достигать нескольких тысяч межатомных расстояний решетки.

При движении дислокаций происходит смещение атомов на величину, меньшую атомного расстояния, для чего требуются небольшие усилия. Происходит это потому, что атомы, лежащие на линии дислокации, находятся в неравновесном состоянии; смещенные из своих нормальных положений дислоцированные атомы перейдут в равновесное положение даже при небольшом напряжении, а атомы из нормального положения в дислоцированные.

В процессе пластической деформации происходит не только движение имеющихся в кристалле дислокаций, но и образуется большое количество новых дислокаций в различных кристаллографических плоскостях и направлениях. Если на пути движения дислокации встречаются препятствия в виде другой дислокации или дефектов другого вида, то процесс движения дислокации затормаживается, и для преодоления этих препятствий требуются большие внешние усилия.

Плотность дислокаций в недеформированном металле может составлять 10 6 –10 8 дислокаций в 1 см 2 , после деформации в этом же металле она достигает 10 10 –10 12 дислокаций в см 2 .

Таким образом, создание дислокаций – одно из важнейших явлений, возникающих при пластической деформации.

При определенной (критической) плотности дислокаций и других дефектов и искажений кристаллической решетки прочность материала увеличивается, так как создаются препятствия для свободного движения дислокаций. Чем больше искажена решетка на межзеренных и межблоковых границах, тем больше затруднено скольжение по кристаллографическим плоскостям и направлениям.

При пластической деформации поликристаллического тела зерна деформируются по разному: в первую очередь будут деформироваться те зерна, в которых плоскости легкого скольжения наиболее благоприятно расположены по отношению к приложенной силе.

В процессе развития пластической деформации изменяется форма зерен, наблюдаются повороты зерен относительно друг друга, дробление зерен и образование их определенной кристаллографической ориентации – возникает текстура деформации. По отношению к действующей силе зерна вытягиваются при растяжении и располагаются перпендикулярно к ней при сжатии. Металл приобретает как бы волокнистую структуру. Линиями волокон являются всевозможные примеси, расположенные по границам зерен. Текстурованный материал анизотропен, т.е. механические и физические свойства по разным направлениям различны.

Таким образом, пластическая деформация, каким бы способом она не производилась (растяжением, сжатием, изгибом, прокаткой, волочением и т.д.), вызывая искажения кристаллической решетки, дробление блоков мозаичной структуры, изменяя форму зерен и образуя текстуру, приводит к изменению всех свойств металлов и сплавов.

Характеристики прочности (твердость, предел прочности, предел упругости, предел текучести) с увеличением степени пластической деформации растут; характеристики пластичности и вязкости (относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость) падают. В процессе пластической деформации изменяются физические свойства: уменьшается плотность, сопротивляемость коррозии, магнитная проницаемость, увеличивается коэрцитивная сила, увеличивается электросопротивление, изменяется термоэлектродвижущая сила.

Деформация со степенью более 70% увеличивает предел прочности в полтора – два раза, а иногда и в три раза, в зависимости от природы металла и вида обработки давлением. Относительное удлинение при этом снижается в 10–20, а иногда и в 30–40 раз.

Упрочнение металлов и сплавов, полученное в процессе пластической деформации, называется нагартовкой или наклепом .

Состояние металла, возникающее в результате наклепа, является неустойчивым, метастабильным, с повышенной свободной энергией. Поэтому даже при комнатных температурах в нагартованном металлепротекают самопроизвольно диффузионные процессы, приводящие деформированный металл в более равновесное состояние. При повышенных температурах эти процессы протекают быстрее. В зависимости от степени деформации, температуры и времени нагрева в нагартованном металле протекают разные по своему типу структурные изменения, которые подразделяют на две стадии: возврат и рекристаллизацию . В свою очередь стадия возврата включает отдых и полигонизацию, а стадия рекристаллизации – первичную рекристаллизацию (рекристаллизация обработки) и собирательную, или вторичную рекристаллизацию.

При отдыхе (или возврате первого рода) происходит диффузионное перемещение и аннигиляция (взаимное уничтожение) точечных дефектов, уменьшение концентрации вакансий. За сет этого частично снимаются упругие искажения кристаллической решетки и, следовательно, частично восстанавливаются механические и физические свойства. Микроструктура металла и кристаллографическая ориентация его зерен практически не изменяются. Температура отдыха для железа соответствует 300–350ºС.

Полигонизация (или возврат второго рода) протекает при более высокой температуре (для железа 450–500ºС). Она характеризуется тем, что происходит планомерное перемещение дислокаций и группировка дислокаций в ряды (рис. 23). Дислокации выстраиваются друг над другом, образуя вертикальные дислокационные малоугловые границы, которые разделяют соседние субзерна с небольшой разориентировкой решеток. В результате происходит дальнейшее снятие упругих искажений решетки и более полное восстановление физических свойств. Механические свойства при этом изменяются незначительно, т.к. процессы протекают внутри зерна, а сами зерна не изменяют свою форму.

При более высоких температурах (t нр – температура начала рекристаллизации, рис. 24), определенных для каждого материала, начинается процесс образования новых зерен взамен волокнистой

а) б)

Рис. 23. Схема полигонизации:

а – хаотичное распределение дислокаций в изогнутом кристалле; б – стенки из дислокаций после полигонизации

структуры. При этом происходит полное разупрочнение деформированного материала. Механические и физические свойства приобретают прежние значения (см. рис. 24). Образование и рост новых зерен с менее искаженной решеткой за счет исходных деформированных зерен называется рекристаллизацией обработки , или первичной рекристаллизацией. Движущей силой рекристаллизации обработки является энергия искажений деформированных зерен.

Температура начала рекристаллизации (21) зависит от многих факторов и прежде всего от степени деформации материала, химического состава, количества примесей в нем; от природы материала, от величины зерна до деформации, от температуры деформирования. Определено, что

Т рекр = а Т пл. (21)

где Т рекр. – абсолютная температура рекристаллизации;

а – коэффициент, учитывающий вышеперечисленные факторы;

Т пл. – абсолютная температура плавления данного вещества.

Для железа и других металлов технической чистоты минимальная температура рекристаллизации определяется по формуле Л.А. Бочвара (22):

Т рекр = (0,3÷0,4)Т пл (22)

Повышение температуры (t 1 , см. рис. 24) или увеличение времени выдержки приводит к росту зерен, т.е. происходит поглощение мелких, термодинамически неустойчивых зерен более крупными. Такой процесс получил названиесобирательной, или вторичной рекристаллизации. Эта стадия рекристаллизации нежелательна для производства, так как она приводит к образованию разнозернистости.

Температура рекристаллизации играет огромное практическое значение. Чтобы пластическая деформация создавала в материале упрочнение (наклеп), она должна осуществляться при температурах ниже температуры рекристаллизации. Такая обработка давлением называется холодной. Если же обработка давлением производится при температурах выше температуры рекристаллизации, то возникающее при деформации упрочнение будет сниматься процессом рекристаллизации и материал разупрочняется. Такая обработка давлением называетсягорячей.

Термическая операция, заключающаяся в нагреве деформированного материала до температуры выше Т рекр, выдержке и последующем медленном охлаждении (с печью), называетсярекристаллизационным отжигом.

Практически температура рекристаллизационного отжига выбирается выше расчетной обычно на 200–300ºС для ускорения процесса рекристаллизации. Для железа и низкоуглеродистой стали эта температура принимается 650–700ºС.

Рис. 24. Влияние нагрева на механические свойства и микроструктуру холоднодеформированного металла

Установлено, что зерно растет особенно сильно после небольшой степени деформации, называемой критической степенью деформации ε кр. (рис. 25).

Критическая степень деформации для железа равна 5–6%; для малоуглеродистой стали 7–15%.

При критической степени деформации возможно взаимное уничтожение дислокаций при тепловом их движении, что способствует постепенному уменьшению количества дислокаций на границах зерен и слиянию нескольких зерен в одно крупное.

Критическую степень деформации следует избегать, так как после рекристаллизационного отжига крупнозернистая структура обладает пониженной ударной вязкостью, более низкими σ в, σ 0,2 и δ.

Рис. 25. Влияние степени деформации на размер зерна после рекристаллизационного отжига

Предел выносливости обозначается (или ), где индекс R соответствует коэффициенту асимметрии цикла. Так, например, для симметричного цикла он обозначается , для отнулевого цикла (при ), для постоянного цикла .

Предел выносливости при симметричном цикле является наименьшим по сравнению с другими видами циклов, то есть .

Так, например, ; .

предел ограниченной выносливости

Для расчета деталей, не предназначенных к длительной эксплуатации, возникает необходимость в определении наибольшего значения напряжения, которое может выдержать материал при заданном числе циклов (N), значение которого меньше, чем базовое (). В этом случае по кривой усталости и заданному числу циклов (N) определяется соответствующее напряжение (), называемое пределом ограниченной выносливости .

Факторы предела выносливости при симметричном цикле

При оценке прочности детали, работающей в условиях статического нагружения, механические характеристики материала детали полностью отождествляются с механическими характеристиками материала образца, полученными в результате эксперимента. При этом не учитывается разница ни в форме, ни в размерах детали и образца, ни некоторые другие отличия.

При расчете детали на усталость необходимо учитывать упомянутые факторы. К наиболее существенным факторам, которые влияют на предел выносливости при симметричном цикле, относятся концентрация напряжений, абсолютные размеры поперечного сечения детали и шероховатость ее поверхности. Это легко объясняется тем, что все упомянутые факторы способствуют возникновению и распространению микротрещин.

Влияние концентрации напряжений

Вблизи выточек, у краев отверстий, в местах изменения формы стержня, у надрезов и т.п. наблюдается резкое увеличение напряжений по сравнению с номинальными напряжениями, вычисленными по обычным формулам сопротивления материалов. Такое явление называется концентрацией напряжений , а причина, вызывающая значительный рост напряжений – концентратором напряжений .

Зона распространения повышенных напряжений носит чисто местный характер, поэтому эти напряжения часто называют местными.

При напряжениях, переменных во времени, наличие концентратора напряжений на образце приводит к снижению предела выносливости. Это объясняется тем, что многократное изменение напряжений в зоне очага концентрации напряжений приводит к образованию и дальнейшему развитию трещины с последующим усталостным разрушением образца.

Для того чтобы оценить влияние концентрации напряжений на снижение сопротивления усталости образца с учетом чувствительности материала к концентрации напряжений, вводят понятие эффективного коэффициента концентрации, который представляет собой отношение предела выносливости стандартного образца без концентрации напряжений к пределу выносливости образца с концентрацией напряжений: (или ).

Влияние абсолютных размеров поперечного сечения

С увеличением размеров поперечных сечений образцов происходит уменьшение предела выносливости . Это влияние учитывается коэффициентом влияния абсолютных размеров поперечного сечения (ранее этот коэффициент назывался масштабным фактором). Упомянутый коэффициент, равен отношению предела выносливости гладких образцов диаметром d к пределу выносливости гладкого стандартного образца диаметром, равным 7,5 мм: (или ).

Шероховатость поверхности

Механическая обработка поверхности детали оказывает существенное влияние на предел выносливости. Это связано с тем, что более грубая обработка поверхности детали создает дополнительные места для концентраторов напряжений и, следовательно, приводит к возникновению дополнительных условий для появления микротрещин.