15.4. Влияние различных факторов на характеристики выносливости

Характеристики выносливости, как и всякие механические свойства, зависят от условий проведения испытания, состава и структуры материала.

Поведение образцов и их усталостная долговечность в первую очередь определяются максимальным напряжением цикла и его амплитудой. Чем они больше, тем быстрее происходит усталостное разрушение.

Выносливость зависит также от среднего напряжения цикла, которое определяет постоянную составляющую циклического напряжения. Чем больше среднее напряжение цикла, тем меньшая амплитуда напряжений требуется для разрушения материала при одной базе испытаний.

Существенно на характеристики выносливости влияет соотношение растягивающих и сжимающих напряжений. Чем больше растягивающие напряжения, тем ниже выносливость. Наоборот, увеличение средних сжимающих напряжений при неизменном растягивающем, смещает кривую усталости в сторону больших напряжений.

Повышение частоты циклов при прочих равных условиях вызывает обычно некоторое увеличение характеристик выносливости, особенно при повышенных температурах.

Так как усталостные трещины образуются в поверхностных слоях образцов и деталей, то состояние этих слоев имеет существенное значение.

Для получения высокого предела выносливости проводят химико-термическую обработку, поверхностный наклеп и т.п.

На усталостные свойства сильно влияет внешняя среда, контактирующая с поверхностью. На воздухе усталостные трещины развиваются быстрее, чем в вакууме. Поэтому любые способы изоляции поверхности от атмосферы увеличивают предел выносливости.

Если материал во время циклического нагружения находится в жидкой коррозионной среде, то его выносливость может резко снизиться. При выборе материала для таких условий работы нужно в первую очередь обращать внимание на его коррозионную стойкость и лишь во вторую – на его выносливость в обычных условиях.

Усталостные трещины часто возникают на поверхности у различных концентраторов напряжений. Полировка поверхности, особенно электрохимическая, приводит к существенному повышению предела выносливости. Чувствительность материала к надрезам при усталостных испытаниях оценивают коэффициентом q. Величина которого может меняться от нуля до единицы.

Чувствительность материала к надрезу при усталостных испытаниях, как и в условиях статического нагружения, определяется в первую очередь его пластичностью. Чем выше пластичность, тем больше работа пластической деформации даже при наличии концентратора напряжений, меньше скорость распространения трещины и больше предел выносливости. Однако нечувствительными к поверхностному надрезу могут оказаться и хрупкие материалы, содержащие большое количество внутренних концентраторов напряжений (например, серый чугун). Поэтому низкое значение коэффициента q следует считать ценным свойством материала с высоким пределом выносливости.

При увеличении размеров образца, детали растет его поверхность, а, следовательно, и вероятность наличия на его поверхности опасного концентратора напряжений, который приведет к преждевременному усталостному разрушению.

Изменения температуры качественно не сказываются на характере кривых усталости. По мере ее повышения наблюдается смещение кривых в сторону более низких напряжений (если нет эффектов упорядочения или старения). В условиях высокотемпературной усталости, как и при ползучести, формируется субзеренная структура, а характер распространения трещин меняется с внутризеренного на межзеренное. Большое значение имеет усталость в условиях циклического изменения температуры. Если температура изменяется при постоянном напряжении, то это термическая усталость. Способность материала сопротивляться разрушению в условиях проявления термической усталости называют термостойкостью. Разрушение здесь происходит как при циклическом нагружении (под действием термических напряжений), так и при ползучести, идущей особенно активно вблизи максимальной температуры цикла.