СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Выносливость

Уже давно было замечено такое явление: если на ме­талл действуют нагрузки, периодически меняющие своё направление, так называемые знакопеременные нагрузки, то он ведёт себя иначе, чем при действии только, например, растягивающих или только сжимающих сил. Металл, испытавший достаточно большое число знакопе­ременных нагрузок, может разрушиться при напряжении, более низком, чем предел текучести или даже упруго­сти. Говорят, что металл «устаёт» от знакопеременных нагрузок.

В чём причина усталости металлов?

Мы уже знаем, что металлы не однородны по своему строению. Они состоят из множества кристаллических зё­рен разной величины. Под действием силы металл не де­формируется одинаково во всей своей массе. На отдель­ных участках, особенно вблизи неметаллических вклю­чений, возникает местная пластическая деформация. Она приводит при знакопеременных нагрузках к образованию микроскопических трещин. Трещины растут и, наконец, становятся видными даже простым глазом. В плоскостях, имеющих трещины, резко повышается напряжение при нагрузке, и это приводит к усталостному разрушению. При таком разрушении в металле не обнаруживается пла­стическая деформация, — стальная деталь разрушается так, будто она изготовлена из хрупкого металла.

Усталостному разрушению подвержены оси, машинные болты, пружины, шатуны, валы и лопатки паровых тур­бин и реактивных двигателей, иногда рельсы и т. д.

Советские конструкторы, создавая новые машины, стремятся всемерно увеличить их рабочие скорости. С уве­личением рабочей скорости возрастает и число перемен­ных напряжений, которые предстоит испытать в работе различным деталям машин. В течение своей «жизни» ко­ленчатый вал автомобильного двигателя должен выдер­жать 120 миллионов перемен нагрузок, паровозные оси — 400 миллионов, шатун, коленчатый вал и поршневый шток паровой машины — 1 миллиард, а вал паровой турбины— 15 миллиардов перемен нагрузок! Чтобы вынести такое количество знакопеременных нагрузок, металл должен стойко сопротивляться усталостному разрушению, быть выносливым.

Выносливость металла зависит от его природы, от твёрдости и чистоты поверхности, от условий работы и т. д. Цветные металлы более выносливы, чем чёрные. Чем твёрже поверхность металла и чем тщательнее она отшлифована, тем меньше в ней трещин, тем выносливее деталь. Металл устаёт меньше, если перемена напряже­ний совершается очень быстро.

Для определения выносливости металлов производятся очень длительные испытания образцов на специальных

Машинах. Одна из таких машин показана на рисун­ке 22. В патрон зажимает­ся образец — металличе­ский цилиндр строго опре­делённых размеров. К дру­гому концу цилиндра под­вешивается груз. При этом нижние слои образца ис­пытывают сжатие, а верх­ние — растяжение. При вращении образца каждый слой попеременно сжи­мается и растягивается. Таким образом, искусст­венно создаются условия для усталостного разрушения. Наибольшее напряжение, которое выдерживает образец при очень большом числе циклов, называют пределом выносливости, или пределом усталости. Цикл — это однократный переход от наибольшего напряжения к наи­меньшему и обратно. Практически при испытании чёрных металлов проводят 10 миллионов циклов, а при испытании цветных металлов 30—50 миллионов циклов.