МАЛОЦИКЛОВАЯ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ

Большинство деталей машин работает определенными циклами пуск, рабочие режимы, остановки. Соответственно этому напряженно-деформированное состояние деталей меняется циклически. За время эксплуатации общее число циклов может меняться от 10—100 для стационарных установок до 104—105 и более для транспортных машнн, грузоподъемных устройств и других механизмов.

Хотя в каждом цикле нагружение носит статический характер, но при повторных нагружениях в материале появляются явления, типичные для усталости. Поэтому разрушение деталей при сравнительно небольшом числе циклов () называют малоцикловой усталостью, а способность материала сопротивляться такому разрушению — малоцикловой прочностью

Закономерности малоцикловой проч ности занимают «промежуточное» положение между закономерностями статической прочности и сопротивления усталости.

При числе циклов отчетливо проявляются закономерности усталостного разрушения (влияние концентрации напряжений, качества поверхности и т. д.). При малом числе циклов более типичны особенности статического разрушения.

При малом числе циклов амплитуда напряжений может превосходить предел пропорциональности, и при повторных разгрузках и нагрузках зависимость между напряжениями и деформациями принимает вид петель циклического упругопластического деформирования (петель гистерезиса) с размахом — шириной петли — пластических деформаций (рис. 14).

Рис. 14. Петли гистерезиса при повторном упругопластическом деформирований

При умеренных нагрузках, допустимых для обеспечения достаточно продолжительной работы детали, петли деформирования после нескольких первых «приработочных» циклов обычно стабилизируются, как показано на рис 14.

Для обеспечения высокой малоцикловой прочности материал должен иметь хорошее сочетание прочностных и пластических свойств, а в конструкции детали следует избегать зон с повышенной концентрацией напряжений.

Малоцнкловую прочность материала оценивают по экспериментальным зависимостям амплитуды напряжений или деформаций от числа циклов до разрушения (рис. 15).

Рис. 15. Типичная кривая малоцикловой усталости углеродистой стали

При отсутствии прямых экспериментальных данных для получения сравнительных оценок можно пользоваться эмпирической формулой Мэнсона (или одной из ее модификаций), по которой между размахом полной деформации и осредненным числом циклов до разрушения имеется следующая связь:

где — относительное сужение поперечного сечения; Е — модуль упругости.

Первое слагаемое описывает изменение пластической деформации, второе — изменение упругой деформации от числа циклов до разрушения.

Для асимметричных циклов со средним напряжением в формуле (15) вместо принимают .

Если известны предел выносливости при базовом числе циклов и показатель кривой усталости то формула (15) может быть преобразована к виду

В среднем

При высокой температуре следует считать заменить на

Разрушение детали может быть вызвано действием температурных напряжений от повторных нагревов и охлаждений, связанных с тепловым процессом машины или внешними условиями. Сопротивление такому виду разрушения называют термической прочностью. При высокой верхней температуре цикла важное значение имеет длительность выдержки при этой температуре. Для повышения термической прочности должны выполняться те же требования, что и для малоцикловой прочности, кроме того, следует принимать меры к снижению температурных напряжений в детали, уменьшению максимальной температуры и выдержки при ней (например, путем лучшей организации охлаждения). Наиболее полно прочность деталей, узлов и машин в целом оценивается при проведении специальных циклических испытаний по режимам, приближенно соответствующим типичным эксплуатационным циклам.