ность между наименьшими напряжениями, вызвавшими разрушение образца при заданной базе N, и наибольшим напряжением, при котором образец не разрушился при той же базе, не превышает 5% и не более 1 кгс/мм2 (для стали).

Для испытания металлов на усталость применяют гладкие образцы круглого и прямоугольного сечений, а для определения чувствительности материала к концентрации напряжений - образцы с надрезами: в виде кольцевой выточки У-образного профиля

6nufx,f(ZC/MM

Рис. II.8. Диаграмма предельных напряжений цикла

ИЛИ двусторонних V-образных вырезов (соответственно для круглых и прямоугольных образцов) и в виде симметричного поперечного отверстия. Величины пределов выносли-

вости при прочих равных условиях зависят от размеров поперечного сечения (диаметра) образцов, снижаясь по мере увеличения сечения (масштабный эффект). Масштабный эффект особенно заметен в интервале диаметров 0,5-50 мм.

Выносливость материала недостаточно характеризовать только величиной предела выносливости Ол(тв), так как последний при прочих равных условиях зависит от коэффициента адимметрии цикла R. Эту зависимость устанавливают экспериментально (определяют пределы выносливости при различных значениях R) и представляют графически в виде диаграммы предельных напряжений в координатах 2i%~~ (Р-

II.8). По оси абсцисс диаграммы откладывают среднее напряжение цикла сГт, а по оси ординат - соответствующие предельные значения максимального и минимального напряжений цикла Отах и Omin. Если среднее напряжение цикла равно о, то диаграмма дает возможность установить предельные величины напряжений Gr min и предельные амплитуды цикла сГд , т. е. найти предел выносливости йри любом коэффициенте асимметрии (или ). Отрезки ОЛ, отсекаемые двумя осями диаграммы на оси ординат, определяют предел выносливости o-i при симметричном цикле, когда среднее напряжение ат=0. Испытания на усталость проводят, как правило, при средних напряжениях ниже предела текучести стали. Поэтому при средних напряжениях, превышающих предел текучести От, диаграмму предельных напряжений не строят. Теоретически обе ветви должны сходиться в точке Е с ординатой Ов, равной пределу прочности материала, т. е. ат=ав.

К числу специальных испытаний на усталость относят испытания при повышенных и пониженных температурах, а также в условиях агрессивной среды. Эти испытания выполняют при тех же видах деформации и на тех же образцах, что и обычные испытания на усталость (при комнатной температуре и при отсутствии агрессивной среды).

10 10 10 WN 10 10 10* N

Рис. II.9. Кривые усталости для упруго-пластической малоцикловой области

Испытания в малоцикловой области

Испытания в малоцикловой области выполняют при переменном изгибе, растяжении-сжатии и кручении. В пределах данной партии образцов нагружение осуществляют по заданным: а) деформациям или перемещениям; б) напряжениям или нагрузкам. Частота смены напряжений (усилий) - не более 50 циклов в минуту.

Кривую усталости для малоцикловой области строят по осредненным результатам испытания образцов на 3-4 уровнях напряжений (усилий) или деформаций (перемещений), вызывающих полное разрушение или появление макротрещин при испытании до 2-10 циклов. Верхний уровень напряжений (усилий) или деформаций (перемещений) выбирают на высоте 0,7 от соответствующего разрушающего фактора, приложенного однократно, или на уровне 0,7 от предела прочности исследуемого металла при растяжении.

Кривые усталости для малоцикловой области приведены на рис. II.9. По оси ординат может быть отложено максимальное или амплитудное значение разрушающей деформации или перемещения (рис. П.9, а) или коэффициент нагрузки (рис. П.9, б) - частное от деления циклического номинального напряжения или усилия на соответствующее разрушающее номинальное напряжение или нагрузку, приложенные однократно; по оси абсцисс - число циклов до разрушения в пропорциональном, полулогарифмическом или логарифмическом масштабах.

7. Соотношения между пределом выносливости и статическими характеристиками материалов

Наличие сходства в характере усталостных и статических разрушений свидетельствует о существовании связи между усталостными и статическими механическими характеристиками и является основанием для установления количественных зависимостей между ними. Различия в характере разрушения при приложении переменных и статических нагрузок объясняют количественные различия характеристик прочности при этих видах нагружения.

Ниже приведены зависимости между пределом выносливбсти а 1 и свойствами, определенными при Статических испытаниях (Ов, От, 5а, б, -ф, НВ), полученные различными исследователями. Прочностные свойства выражены в кгс/мм, относительное удлинение и относительное сужение - в %.

Зависимость a i от предела прочности сгв:

а 1 = 0,29ав+7,92 (углеродистые стали); Gi = 0,35ав +5,3 (легированные стали);

а-,1 = 0,35ав+12,2; а1 = 0,45ав+7,6; а1 = 0,43ав; а-,1 = 0,468ав -0,26 (при Gb < ПО кгс/мм2).

Зависимость G-i от предела текучести От: 0-,! = 0,450+12,2; а-,1 = 0,45ат + 9,54; а--1 = 0,24ат + 27,5; ог 1 = 0,493ат + 7,95.

Зависимость G-i от истинного сопротивления разрушению 5кЗ

а-1 = 0,355к-1,0; a-.ip = 0,31-5,3;

а-,1==0,255к+4,3; a-,ip = 0,255к+12.

Зависимость G-i от относительного удлинения б:

а-,1 =-0,506 + 44,6; а--1 =-0,446+34,51;

=-0,8786+50,24;

=-0,386 + 40,3.

Зависимость a i от относительного сужения -ф:

0-1 =-0,234t) + 65,6; 0 1 =-0,312г)+45,6.

Зависимость G-i от твердости: 0- 1 = 0,18НВ; 0--1 = 0,096НВ + 7,32; 0 -1 = О,О13НВ + 4,64; 0-.1 = О,О59НВ+18,9.

Зависимость 0 i от сочетания нескольких характеристик:

0 1 = 0,138 (0в + 0т) + 20,5;

0-,1 = 0,8770т - 0,0965к - 0,2936 + 3,31;

0-1 = 0,22 (0в + ат) + 5,4;

0-,i = O,2(0B + 0T+i?);

0-1 = 0,25 (0в+ат) + 5;

0--1 = 0,175 (0в + 0т - 6 + 100);

0-1 = 0,4840В + 0,270т - 0,2146 - 1,78.

8. Испытания на ползучесть и длительную прочность

Построение кривой ползучести

Под ползучестью понимают свойство металла медленно и непрерывно пластически деформироваться при постоянном напряжении, которое может быть ниже предела текучести. Эта деформация может постепенно прекратиться или, наоборот, продолжаться вплоть до разрушения в зависимости от величины нагрузки и температуры, а также от степени сопротивления, которое данный металл оказывает воздействию этих двух факторов. Испытания на ползучесть проводят в соответствии с ГОСТ 3248-60.

Наиболее часто ползучесть определяют в условиях испытаний на растяжение. Обычно для испытаний применяют цилиндрические образцы диаметром 10 мм и с расчетной длиной 100 и 200 мм и плоские шири-

ной 15 mm и длиной 100 мм. Образец устанавливают в захватах испытательной машины, нагревают до заданной температуры и выдерживают в течение 1 ч. Затем к образцу плавно прикладывают предварительную нагрузку, равную 10% от заданной, и снимают показания прибора для измерения деформации. После этого плавно нагружают образец до заданной нагрузки, одновременно замеряя деформацию. Предел ползучести

Рис. 11.10. кривая ползучести: - удлинение при нагружении; б д-полное (упругое+остаточное) удлинение на криволинейном участке; б -суммарное (упругое+остаточное) удлинение за время испытания; бу -упругое удлинение; б остаточное удлинение

определяют при допусках на удлинение 0,1-1,0% и продолжительности испытания 100, 300, 500, 1000 ч.

В процессе испытания строят первичную кривую ползучести (рис. П. 10) и определяют напряжение, соответствующее условному пределу ползучести материала. Под условным пределом ползучести понимают напряжение, которое за установленное время испытаний при данной температуре вызывает заданное удлинение образца (суммарное или остаточное) или заданную скорость ползучести на линейном участке кривой ползучести. На основе полученных кривых ползучести, построенных в результате испыта-вия нескольких образцов при одинаковой температуре и разных напряжениях, строят диаграммы зависимости между напряжением и относительным удлинением (или средней скоростью ползучести на прямолинейном участке первичных кривых) в логарифмических координатах. По этим диаграммам и находят условный предел ползучести.

После того как условный предел ползучести будет найден при нескольких температурах (не менее чем при трех), можно построить диаграмму зависимости предела ползучести от температуры.

Предел ползучести обозначают буквой а с числовыми индексами. Если его определяют по величине деформации, то обозначение имеет вид 003/200 (предел ползучести при допуске на деформацию 0,3% за 200 ч при температуре 600*0); при определении предела ползучести по скорости ползучести - <F Q.-5 (предел ползучести при скорости ползучести 3-10-5%/ч при 700°С). €4

Испытания на длительную прочность

Испытания на длительную прочность проводят в соответствии с ГОСТ 10145-62. Они состоят в определении постоянного (во времени) напряжения, вызывающего разрушение образца за определенный промежуток времени при постоянной температуре. Это напряжение называют пределом длительной прочности и обозначают буквой а с двумя индексами (05000 -предел длительной прочности при базе испытания 5000 ч и температуре 900С). ГОСТ 10145- 62 рекомендует определять пределы длительной прочности при базах 50, 100, 500, 1000, 3000, 5000 и 10000 ч.

Образец устанавливают в захватах испытательной мащины, нагревают до заданной температуры, выдерживают в течение 1 ч и плавно прикладывают нагрузку. Продолжительность испытания устанавливают в зависимости от назначения материала. В результате испытаний устанавливают зависимость между напряжением и временем до разрушения и выражают ее в логарифмических или полулогарифмических координатах. По полученным графикам путем экстраполяции или интерполяции определяют предел длительной прочности материала. Для некоторых марок стали экстраполяция на большие длительности может дать ошибочные результаты, поэтому не рекомендуется проводить экстраполяцию на срок службы, превышающий максимальную продолжительность испытаний более чем на один-полтора порядка.

Для испытаний на длительную прочность используют то же оборудование и аппаратуру, что и для испытаний на ползучеСть. Применяют цилиндрические образцы диаметром 5, 7 и 10 мм и длиной 25, 70, 50 и 100 мм и плоские с начальной расчетной длиной /о = 5,65 )/о, где Fo - начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца.

9. Определение сопротивлении термической усталости

в настоящее время отсутствует единая общепринятая методика испытаний материалов на термическую усталость.

Так, изучают сопротивление термической усталости материалов для труб, лопаток газовых турбин, дисков турбин, деталей металлургического оборудования, штампов и др. В каждом конкретном случае применяют свою методику, позволяющую моделировать условия эксплуатации конкретных деталей. ПЬдобные работы позволяют выявить ратоспособность конструкции, сопоставить ряд материалов для выбора наиболее термостойкого, оценить характер изменения размеров, выбрать наиболее рациональный вид и разработать технологию упрочняющей обработки деталей. Однако они не дают возможности выявить юбобщающие закономерности влияния различных факторов и сопоставить результаты различных исследований.