Твердость материала

Усталостная прочность

Находясь длительное время под действием переменных, чаще всего циклически изменяющихся нагрузок, детали машин и элементы конструкций разрушаются вследствие накопления в материале критической концентрации внутренних микроповреждений, приводящей к появлению усталостной трещины. Такое разрушение, рассматриваемое как временной процесс, получило название усталостного, а способность материала сопротивляться такому разрушению - выносливостью. Её количественной характеристикой является предел выносливости (на Рис. 9.2) -таково максимальное значение напряжений, циклически изменяющихся в сечении стандартного образца (в частности, по симметричному циклу, Рис. 9.1), при котором образец выдерживает без разрушения базовое число циклов N_б. Это число достаточно велико, и для стальных образцов, например, составляет 10 млн. циклов.

Помимо материала, на выносливость реальной детали влияют также такие факторы, как размеры, состояние её поверхности, концентраторы напряжений в материале. Степень этого влияния характеризуют соответствующими коэффициентами, представляющими собой отношение предела выносливости стандартного образца диаметром 7 мм, изготовленного с идеально гладкой поверхностью без концентраторов напряжений, к пределу выносливости образцов-аналогов рассчитываемой детали. Совместное влияние перечисленных факторов на выносливость детали учитывается произведением указанных коэффициентов.

Все механические характеристики и коэффициенты влияния получают по результатам нескольких разрушающих испытаний и усредняют. Значения заносятся в таблицы и используются для механического расчёта изделий. Иногда для оценки величины временного сопротивления или предела выносливости пользуются косвенными методами, в частности методом, основанным на измерении твёрдости материала и её связи с временным сопротивлением при разрыве.

Твёрдостью материала называют способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностый слой другого твёрдого тела. Для определения твёрдости в поверхность материала с определённой силой вдавливается тело (индентор), выполненное в виде стального шарика, алмазного конуса или пирамиды. По размерам получаемого на поверхности отпечатка судят о твёрдости материала. В зависимости от способа измерения твёрдости материала, количественно её характеризуют числом твёрдости по Бринелю (НВ), Роквеллу (HRC) или Виккерсу (HV).

Указанные механические характеристики связаны между собой, поэтому их конкретные значения могут быть найдены расчётным путём на основе данных о твёрдости с помощью формул, полученных для конкретного материала с определённой термообработкой. Так, например, предел выносливости на изгиб сталей с твёрдостью 180-350 НВ равен примерно 1,8 НВ, с твёрдостью 45-55 HRC - 18 HRC+150, связь предела выносливости с пределом прочности стали описывается соотношениями:

Конкретным образцам конструкционных материалов, а также выполненным из них изделиям, присуща индивидуальность прочностных и упругих характеристик. Разброс их значений для различных образцов, выполненных из одного и того же материала, обусловлен статистической природой прочности твёрдых тел, различием структур внешне одинаковых образцов. Из-за неопределённости реальных механических характеристик материала, неопределённости некоторых внешних нагрузок, действующих на технический объект, погрешности расчётов для обеспечения безопасной работы проектируемых конструкций должны быть приняты соответствующие проектному этапу обеспечения надёжности меры предосторожности. В качестве такой меры используется понижение в n раз относительно опасного напряжения материала (предела прочности, предела текучести, предела выносливости или предела пропорциональности) величины максимально допускаемых напряжений, используемых в условии прочности. Величина n получила название нормативного коэффициента запаса прочности:

n = n1 * n2 * n3,

где n1-учитывает среднюю точность определения напряжений, n2-учитывает неопределённость механических характеристик материала, n3-учитывает среднюю степень ответственности проектируемой детали.