12.8. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ

Установлено, что на величину предела выносливости влияют концентрация напряжений, состояние поверхности, абсолютные размеры детали и многие другие факторы. Рассмотрим влияние основных факторов.

Концентрация напряжений. В отличие от случая постоянных во времени напряжений (см. 11.10), при переменных нагрузках концентрация напряжений вызывает снижение предела выносливости деталей, выполненных не только из хрупких, но и из пластичных материалов.

Влияние концентрации напряжений на предел выносливости зависит от чувствительности материала к концентрации напряжений и учитывается в расчетах с помощью так называемого эффективного коэффициента концентрации.

Эффективным коэффициентом концентрации называется отношение предела выносливости образца без концентратора напряжений к пределу выносливости образца с концентратором напряжений, выполненного из того же материала и имеющего такие же поперечные размеры рабочей части, что и первый образец.

Эффективные коэффициенты концентрации для нормальных напряжений обозначаются

а для касательных напряжений —

Эффективные коэффициенты больше единицы и обычно меньше теоретических коэффициентов концентрации Между К и а существует такое приближенное соотношение:

где — коэффициенты чувствительности материала к концентрации напряжений.

Чувствительность материала к концентрации напряжений зависит прежде всего от свойств материала и возрастает с повышением предела прочности. Поэтому применение высокопрочных материалов при переменных нагрузках не всегда является целесообразным.

Для легированных сталей

для углеродистых

Как показывает опыт, коэффициент чувствительности зависит также от размеров детали и ее формы. Поэтому в практических расчетах целесообразнее пользоваться эффективными коэффициентами найденными экспериментальным путем. В справочной литературе имеются графики коэффициентов для многих видов концентраторов напряжений.

Необходимо отметить, что концентрация напряжений может быть обусловлена не только очертанием деталей, но и наличием внутренней неоднородности и трещин. Например, чешуйки графита в чугуне являются источниками весьма высокой концентрации напряжений, которая перекрывает эффект внешних концентраторов напряжений.

Градиент напряжений. Градиентом напряжений в данной точке сечения называется тангенс угла наклона 0 касательной, проведенной к эпюре напряжений в этой точке (рис. 12.17):

Градиент напряжений характеризует скорость убывания напряжений по мере удаления от места концентрации напряжений. Чем выше градиент, тем в меньшем объеме материала концентрируются высокие напряжения, тем меньше зерен материала приходится на этот объем и тем меньше

Рис. 12.17

Рис. 12.18

вероятность образования здесь усталостной трещины. Поэтому чувствительность материала к концентрации напряжений несколько уменьшается с увеличением градиента напряжений. При одном и том же ашах градиент напряжений - уменьшается с увеличением размеров поперечного сечения. При изгибе образцов градиент напряжений а при центральном растяжении—сжатии градиент напряжений равен нулю. Этим частично объясняются меньшие значения пределов выносливости при центральном растяжении — сжатии, чем при изгибе образцов из одного и того же материала.

Состояние поверхности. На поверхности детали почти всегда имеются риски от обработки резцом, мелкие царапины, следы коррозии и т. д., которые являются концентраторами напряжений. Дефекты поверхности приводят к снижению сопротивления усталости детали. Опытами установлено, что предел выносливости образцов с полированной поверхностью выше, чем у шлифованных, а у шлифованных выше, чем у обработанных резцом, и т. д.

Влияние чистоты поверхности на предел выносливости оценивается коэффициентом равным отношению предела выносливости образца с заданной обработкой поверхности к пределу выносливости такого же образца, но с тщательно шлифованной поверхностью: На рис. 12.18 приведена зависимость коэффициента от предела прочности материала для различных видов обработки поверхности.

Необходимо отметить, что применение некоторых технологических методов упрочнения поверхности детали при правильное их выполнении приводит к значительному повышению ее сопротивления усталости. К таким методам относятся:

а) наклеп поверхностного слоя путем обдувки дробью, накатки роликом и т. п.;

б) цементация, азотирование и цианирование поверхностного слоя;

в) закалка токами высокой частоты.

Влияние технологических факторов на усталостную прочность оценивается коэффициентом поверхностного упрочнения

В расчетных формулах влияние состояния поверхности детали и технологических факторов учитывается коэффициентом

Положительное влияние ряда видов технологической обработки поверхностного слоя детали связано, в первую очередь, с созданием в этом слое остаточных сжимающих напряжений, наличие которых затрудняет развитие усталостных трещин. В результате сопротивление усталости детали повышается.

Остаточные напряжения сжатия при таком широко распространенном в настоящее время способе повышения сопротивления

Рис. 12.19

усталости детали, как наклеп ее поверхности, вызывается большим пластическим деформированием поверхностного слоя при обдувке стальной дробью или прокатке роликами.

Толщина поверхностного слоя при этом уменьшается, а его продольные размеры увеличиваются, вызывая упругое растяжение материала внутренней части детали. Внутренние волокна после окончания процесса наклепа стремятся уменьшить свои размеры до исходных и вызывают сжатие пластически деформированных волокон поверхностного слоя. Кроме того, пластическое деформирование вызывает повышение упругих свойств материала и, что очень существенно, сглаживает различного рода царапины, задиры на поверхности детали, являющиеся концентраторами напряжений. Все эти факторы и являются главной причиной повышения сопротивления усталости при наклепе поверхностного слоя детали. Однако надо иметь в виду, что слишком интенсивный наклеп способствует появлению в поверхностных слоях детали микротрещин, которые могут снизить ее усталостную прочность.

При закалке токами высокой частоты и азотировании также создаются значительные сжимающие напряжения в поверхностном слое детали.

В то же время такие часто применяемые покрытия стальных деталей, как никелирование и хромирование, заметно снижают предел выносливости детали, хотя и не влияют на их статическую прочность, причем снижение сопротивления усталости тем больше, чем толще слой хрома или никеля. Объясняется это значительными остаточными растягивающими напряжениями в поверхностном слое при хромировании и никелировании. Аналогичное явление имеет место и при покрытии поверхности стальной детали слоем меди.

Абсолютные размеры. С увеличением абсолютных размеров поперечных сечений детали предел выносливости понижается. Это явление можно объяснить большей вероятностью присутствия крупных дефектов и групп неудачно ориентированных зерен материала с увеличением абсолютных размеров сечений.

Влияние масштабного фактора на предел выносливости оценивается в расчетах коэффициентом представляющим собой отношение предела выносливости гладкого образца данного диаметра к пределу выносливости стандартного образца диаметром мм:

На рис. 12.19 приведен график зависимости коэффициента от величины диаметра для сталей.

Необходимо иметь в виду, что если эффективные коэффициенты концентрации взяты из графиков, в которых уже учтен масштабный фактор, вносить поправку на размеры детали не требуется.

Частота изменения напряжений. Воздействие частоты изменения напряжений на сопротивление усталости гладких образцов изучалось экспериментально, но заметного влияния частот до 5000 цикл/мин на предел выносливости не было обнаружено. Наблюдалось некоторое повышение предела выносливости при частотах выше 5000 цикл/мин.

Опытами Н. И. Марина установлено, что при максимальных напряжениях симметричного цикла, приближающихся к пределу текучести материала, частота изменения напряжений существенно сказывается на долговечности образцов.

Испытания консольных образцов на изгиб с вращением при частотах 15 и 2000 цикл/мин показали, что разрушающее число циклов при частоте 2000 цикл/мин значительно выше разрушающего числа циклов при частоте 15 цикл/мин; для образцов из стали — примерно в 1,5 раза, а для образцов из — в среднем в 3,5 раза.

Температура. Испытания при повышенной температуре показали, что для сталей вплоть до и до для легких сплавов температура не оказывает существенного влияния на предел выносливости.

При больших температурах наблюдается снижение предела выносливости (для нежаропрочных сталей до при а если температура достаточно высока, то кривая усталости для сталей вообще не имеет горизонтальной асимптоты, и в этом случае можно оперировать только пределом ограниченной выносливости.

Иное влияние низких температур. С понижением температуры предел выносливости как сталей, так и легких сплавов несколько повышается.

В практических расчетах следует пользоваться экспериментальными данными по пределам выносливости при повышенных и пониженных температурах.

Внешняя среда. Все металлы, находясь в контакте с газообразной или жидкой средой, корродируют. На поверхности детали появляются язвинки коррозии, являющиеся причиной высокой концентрации напряжения. Особенно интенсивно развивается коррозия при действии растягивающих напряжений. Другой вид коррозии — коррозия под напряжением проявляется в виде межкристаллических и внутрикристаллических трещин почти без всяких признаков образования продуктов коррозии.

При переменных нагрузках коррозия существенно снижает сопротивление усталости, особенно легких сплавов.

В сталях снижение предела выносливости от коррозии тем больше, чем более высокопрочна сталь.

При наличии корродирующей среды на сопротивление усталости оказывает влияние и время испытания; разрушающее число циклов уменьшается при уменьшении частоты изменения напряжений, а кривая усталости даже у черных металлов не имеет горизонтальной асимптоты. Количественные характеристики снижения выносливости зависят от агрессионности внешней среды. Например, морская вода больше снижает долговечность, чем пресная, и т. п.

Влияние корродирующей среды учитывается в расчетах коэффициентом

где — предел выносливости при наличии агрессивной среды. Значения коэффициента К приводятся в справочной литературе.

Средством борьбы с влиянием внешней среды являются различного рода антикоррозионные покрытия.

Коррозия трения. Коррозия трения возникает в местах контакта деталей, подвергающихся циклическому нагружению, например в заклепочных и болтовых соединениях листов обшивок самолетов. Коррозия трения возникает и в сварных соединениях из-за упругих перемещений соединяемых деталей друг относительно друга по плоскостям их контакта.

Трение в местах контакта деталей даже в случае чрезвычайно малых относительных перемещений сопровождается разрушением поверхности соприкасающихся частей, выпадением окислившихся частей материала и постепенным образованием и развитием усталостных трещин. Признаком начала коррозии трения является выпадение окислов в местах соединений в виде красно-коричневого порошка при соединении стальных деталей и черного порошка — при соединении деталей из алюминиевых или магниевых сплавов.

Характерной особенностью разрушения от коррозии трения затянутых болтовых соединений дюралюминиевых пластин при циклическом нагружении является не только выпадение черного порошка, но и то, что разрушение происходит как правило не по ослабленному, а по сплошному сечению, проходящему под головками болтов.

Чтобы коррозия трения проявила себя, необходима наработка соединением достаточно большого количества (порядка миллиона) циклов. При больших значениях максимальных напряжений, соответствующих левой части кривой усталости, разрушение наступает после относительно небольшого числа циклов, и коррозия трения не ускоряет этот процесс.

В литературе приводятся данные о том, что эффект коррозии трения для соединений листов обшивок из алюминиевых сплавов может быть эквивалентен концентрации напряжений, обусловленной геометрией детали, с коэффициентом концентрации порядка 10.

Средства борьбы с коррозией трения — различного рода покрытия и упрочнение поверхностей трения, постановка прокладок между трущимися поверхностями, окраска этих поверхностей и т. д.