Прежде чем пытаться определить смысл понятия усталостной прочности, необходимо сначала понять содержание процесса усталостного разрушения металла. Усталость металла – это результат циклического или повторяющегося механического воздействия на элемент. Это означает, что нагрузка колеблется между большим и меньшим напряжениями или меняет направление действия на обратное. Такое воздействие может иметь быстротекущий характер, как в случае вращения электродвигателя, или прикладываться медленно, когда длительность циклов может измеряться днями. В качестве примера усталостного разрушения можно привести изгиб вала двигателя, многократно повторяющийся и приводящий к разрушению вала. Такой тип разрушения обычно происходит до подхода к пределу прочности при растяжении.
Усталостная прочность металла определяется как прочность, которой должен обладать материал, чтобы сопротивляться разрушению при многократном повторном приложении нагрузки. Знание усталостной прочности необходимо потому, что в большинстве случаев разрушение металла наступает вследствие усталости. Информация об усталостной прочности часто дается во взаимосвязи с оговоренным числом циклов, требующихся для достижения состояния разрушения: обычное число циклов равно миллиону или десяти миллионам.
Усталостную прочность можно определить путем испытаний на усталость. Хотя и существуют несколько различных способов, обычно испытания на усталость проводят, создавая напряжение, вызывающее растяжение, а затем – напряжение той же величины, но вызывающее сжатие. Такому типу испытаний присвоено наименование знакопеременный изгиб. С увеличением максимального напряжения число циклов, вызывающих разрушение, уменьшается. Если провести на разных уровнях напряжения определенное число таких испытаний, можно построить кривую зависимости напряжения от числа циклов (S-N), показанную на рис.1.
Такая кривая усталости графически характеризует число циклов, необходимое для разрушения на различных уровнях напряжения.
Эти кривые показывают, что у стали имеется четко выраженный предел усталости, в то время как у алюминия этот предел не определяется. Предел усталости – это максимальное напряжение, при котором разрушение не наступает независимо от числа циклов приложения нагрузки. Кривая усталости показывает, что алюминий, в конечном счете, разрушится даже при низком уровне нагрузки. Однако сталь будет выдерживать напряжение практически бесконечно, при условии, что уровень напряжения останется ниже предела усталости. Во многих случаях усталостная прочность углеродистых сталей равна приблизительно половине значения прочности при растяжении.
