Усталость и предел выносливости
Усталость означает развитие повреждения при повторном нагружении. Оценка только по максимальному напряжению недостаточна: существенны размах, среднее напряжение, число циклов и последовательность нагрузок. Усталостная трещина может возникнуть при номинальных напряжениях ниже предела текучести. Для сопоставления испытаний нужны одинаковые режимы и определённый критерий окончания: полное разрушение, заданная трещина либо прекращение опыта без разрушения.
Параметры постоянного цикла
Для одного установившегося цикла определяют σa = (σmax − σmin)/2, σm = (σmax + σmin)/2 и R = σmin/σmax. Напряжения измеряют в МПа, отношение R безразмерно. Последняя формула неприменима при σmax = 0. Размах Δσ = σmax − σmin равен удвоенной амплитуде; путаница этих величин непосредственно меняет исходные данные расчёта долговечности.
| Условный режим | σmax, МПа | σmin, МПа | σa, МПа | σm, МПа | R |
|---|---|---|---|---|---|
| Симметричный | 150 | −150 | 150 | 0 | −1 |
| От нуля до растяжения | 300 | 0 | 150 | 150 | 0 |
| Растяжение с ненулевым минимумом | 240 | 60 | 90 | 150 | 0,25 |
Таблицу можно прокручивать по горизонтали →
Первые два режима имеют одинаковую амплитуду, но различное среднее напряжение. Поэтому кривая, полученная при R = −1, не переносится непосредственно на R = 0. Любая поправка на среднее напряжение требует модели и характеристик, применимых к исследуемому материалу и виду нагрузки.
Расчёт на условной S–N зависимости
Для демонстрации примем исключительно условную модель σa = 200 (N/1000000)^(−0,1) МПа при фиксированном R = −1. Коэффициент 200 МПа и показатель −0,1 не относятся к конкретному сплаву. Пусть модель разрешена только внутри интервала N = 100000…10000000 циклов. При σa = 250 МПа имеем N = 1000000 (250/200)^(−10) = 107374 циклов. При σa = 200 МПа получается 1000000 циклов, а при 180 МПа — около 2867972 циклов.
При постоянной частоте 10 Гц первый результат соответствует t = N/f = 10737,4 с, или 2,98 ч непрерывного испытания. Это перевод циклов во время, не календарный ресурс изделия: остановки, переменный режим, температура и реальные нагрузки здесь отсутствуют. Для 150 МПа формула дала бы около 17757727 циклов, что выходит за заданный интервал; такое число нельзя использовать как прогноз по принятой модели.
Выносливость и перенос на деталь
Предел выносливости не является универсальной постоянной для любого металла. Если экспериментальная кривая не подтверждает горизонтальный участок, указывают усталостную прочность при выбранной базе циклов. Образец, выдержавший заданное число циклов, даёт результат без разрушения на этой базе, но не доказательство бесконечной долговечности. Такие наблюдения сохраняют отдельно от точек разрушения.
Переход от гладкого лабораторного образца к детали требует оценки концентрации напряжений, состояния поверхности, размеров, остаточных напряжений и среды. Разброс результатов описывают статистически; средняя кривая не равнозначна расчётной кривой с заданной вероятностью выживания. При выраженной циклической пластичности применимость подхода по напряжениям ограничена и требуется рассмотрение деформационной долговечности. Для переменного нагружения необходим отдельный анализ истории циклов; приведённый постоянный цикл его не заменяет.
Отдельно фиксируют частоту, форму сигнала и температуру образца. Ускорение испытания повышением частоты допустимо лишь после проверки, что саморазогрев и динамика системы не меняют исследуемый механизм разрушения.