СВОЙСТВА ПРИ ПЕРЕМЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЯХ

При переменных напряжениях деталь разрушается от меньших нагрузок, чем при постоянных Усталостное разрушение, как правило, начинается с поверхности в местах высокой концентрации напряжений. Трещина обычно развивается в направлении, перпендикулярном линии действия наибольших нормальных напряжений. Когда прочность оставшейся части становится недостаточной, происходит окончательное разрушение (рис 6)

Переменное напряжение периодически меняется от наименьшего значения до наибольшего ашах и обратно с размахом (рис 7).

Среднее напряжение

амплитуда переменных напряжений

Рис. 6. Схема разрушения зуба зубчатого колеса от усталости: А — точка возникновения усталостной трещины, АВ — линия развития трещины; ВС — область долома

Цикл называют симметричным, если наибольшее и наименьшее напряжения равны по величине, но противоположны по знаку. Такой цикл осуществляется при стандартных испытаниях на усталость образцов в виде вращающихся валиков круглого сечения (диаметром 7—10 мм) ггрн изгибе моментами постоянной величины и направления (рис. 8).

На практике встречаются в основном асимметричные циклы. Коэффициентом асимметрии цикла называют отношение

Для симметричного цикла Важным частным случае асимметричного цикла является огнулевой (пульсационный), когда напряжения меняются от нуля до максимального значения, как. например, при изгибе зубьев зубчатых колес (рис. 9). Для такого цикла

Оценку сопротивляемости материала действию переменных напряжений проводят испытаниями на усталость партии из 15—20 однотипных образцов, которые доводят до разрушения при разном уровне амплитуд напряжений. По результатам испытания строят кривые усталости (кривые Велера), показывающие

Рис. 7. Цикл переменного напряжения

Рис. 8. Возникновение симметричного цикла неременных напряжений при изгибе вращающегося круглого валика, положения отличаются на половину оборота вала

Рис. 9. Схема отнулевого (пульсационного) цикла напряжений в зубе эубчающ колеса

зависимость между числом циклов до разрушения N и максимальным напряжением или амплитудой цикла (рис. 10). По оси абсцисс, а иногда и по оси ординат для удобства откладывают значения о.

Зависимость разрушающих амплитуд от числа циклов до разрушения (в определенных пределах) имеет вид

где — постоянные для данного материала, обычно

Для большинства сталей при умеренных температурах кривая усталости, начиная с числа циклов становится практически горизонтальной, т. е. образцы, выдержавшие указанное число циклов, не разрушаются и при дальнейшем нагружении. Поэтому испытания сталей прекращают при циклов. Наибольшее значение максимального напряжения отах, при ко юром материал может выдержать без разрушения практически неограниченное число циклов, называют пределом выносливости.

Легкие сплавы, а также материалы при высоких температурах и при испытаниях в коррозионных средах имеют кривые усталости в координатах без горизонтального участка В этом случае определяют ограниченный предел выносливости, соответствующий определенной базе испытаний (обычно циклов) Для получения надежной оценки предела выносливости число неразрушившился образцов при данном уровне переменных напряжений должно быть не менее шести.

Предел выносливости симметричного цикла обозначают так как для такого цикла Для сталей ориентировочно можио считать

где .

Для касательных напряжений

Рис. 10. Кривая усталости: О — разрушившиеся и неразрушившиеся образцы

Рис. 11. Диаграмма предельных напряжений

Рис. 12. Диаграмма предельных амплитуд напряжений

Испытания на усталость при асимметричных циклах проводят на специальных машинах. По результатам испытаний строят диаграммы предельных напряжений отах и (рис. 11) или предельных амплитуд цикла (рис. 12). Если на диаграмме предельных напряжений провести прямую под углом 45° к горизонтальной оси, то отрезок даст значение среднего напряжения цикла, а отрезок — значение предельной амплитуды, соответствующей пределу выносливости циклов с коэффициентом асимметрии расположенных на луче Через обозначают предел выносливости отнулевого цикла, для которого Всегда , но

Постоянные растягивающие напряжения уменьшают сопротивление усталости, поэтому при увеличении среднего напряжения цикла предельная амплитуда становится меньше, хотя предел выносливости ошах увеличивается. Для упрощения расчетов принимают, что на участке диаграмм между симметричным и отнулевым циклом предельные амплитуды изменяются линейно (штриховые линии на рис. 11 и 12):

где — коэффициент, характеризующий чувствительность материала к асимметрии цикла Аналогичную формулу, но с коэффициентом используют для касательных напряжений.

Для циклов с асимметрией до (примерно до значения для сталей принимают по данным табл. 3. Для титана и легких сплавов

В запас прочности для всех циклов с растягивающими средними напряжениями можно считать что соответствует штрихпунктирным линиям на рис. 11 и 12.

Постоянные сжимающие напряжения до определенных пределов способствуют повышению сопротдвления

3. Приближенные значения коэффициентов и для сталей при нормальной температуре

усталости, особенно для малопластичных материалов. В расчетах для сжатия обычно принимают

На предел выносливости оказывают существенное влияние следующие факторы.

1. Абсолютные размеры детали. С увеличением размеров детали предел выносливости уменьшается, что оценивается коэффициентом влияния абсолютных размеров поперечного сечения (рис. 13):

где — предел выносливости гладких образцов диаметром — то же для стандартных лабораторных образцов диаметром 7—10 мм.

2. Концентрация напряжений. Чем выше концентрация напряжений, тем ниже предел выносливости Влияние концентрации напряжений на сопротивление усталости оценивается эффективным коэффициентом концентрации напряжений при переменной нагрузке который определяют экспериментально как отношение предела выносливости гладкого образца к пределу выносливости образца того же размера с концентрацией напряжений (например, с надрезом):

Эффективный коэффициент концентрации Ко обычно меньше теоретического коэффициента концентрации при упругом распределении напряжений и связан с ним соотношением

где — коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений.

Для конструкционных низкоуглеродистых сталей и жаропрочных деформируемых сплавов для легированных сталей для алюминиевых сплавов Особенно чувствительны к концентрации напряжений высокопрочные титановые сплавы, для которых

Рис. 13. Коэффициент влияния абсолютных размеров: 1 — углеродистые стали, — легированные стали,

С увеличением размеров зерна и неоднородности структуры (например, у серого чугуна) коэффициент уменьшается до (см гл. 31).

3. Состояние поверхности. Чем меньше микронеровности поверхности, тем выше предел выносливости детали. Сопротивление усталости повышается после термохимических и механических обработок, которые создают в поверхностном слое остаточные напряжения сжатия и повышают его твердость (цементация, азотирование, поверхностная закалка, наклеп). После шлифования в поверхностном слое могут возникать остаточные напряжения растяжения, которые снижают сопротивление усталости. Важное значение имеет упрочняющая технология (обдувка дробью, обкатка роликом и др), повышающая пределы выносливости деталей (см. гл. 31). Состояние поверхности учитывают при определении или отдельным коэффициентом

где — предел выносливости натурной детали.

4 На состояние поверхности существенно влияет окружающая среда. В коррозионных средах (в морской воде и др.) предел выносливости конструкционных сталей, особенно высокопрочных, резко падает. Титановые сплавы малочувствительны к коррозионному воздействию влажного воздуха и морской воды.

5. Частота переменных напряжений. С увеличением частоты предел выносливости обычно повышается.

Из формул (12) -(14) следует: