6 Розрахунки конструкцій на витривалість

6.1 Короткі теоретичні відомості

6.1.1 Явище утоми матеріалів. Характеристики циклів

Опір матеріалів дії навантажень, що змінюються в часі за модулем або за модулем та за знаком, суттєво відрізняється від опору дії статичного навантаження. При цьому під дією змінних навантажень елементи конструкцій руйнуються при значно менших навантаженнях, ніж під дією статичних навантажень. Типовим прикладом деталі, що зазнає змінних навантажень, є шток поршневої машини, знак напружень в якому змінюється відповідно до змін напрямку руху поршня.

Практикою встановлено: якщо елемент конструкції багаторазово піддавати змінному навантаженню певного рівня, то після деякої кількості змін напружень у ньому виникне тріщина, яка поступово буде розвиватися. Урешті-решт деталь зруйнується, не давши при цьому помітних залишкових деформацій навіть тоді, коли матеріал високопластичний.

Кількість циклів до появи першої тріщини і до повного руйнування буде тим більшою, чим менше напруження. Характерно, що руйнування матеріалу під дією повторно-змінних навантажень може відбутися при напруженнях, нижчих за границю текучості.

Руйнування матеріалу під дією повторно-змінних напружень називають руйнуванням від утоми.

Утомою матеріалів (зокрема, металів) називають явище руйнування внаслідок поступового накопичення в них пошкоджень, що призводять до виникнення тріщини при багаторазовому повторенні навантажень.

Здатність металів чинити опір руйнуванню при дії повторно-змінних напружень називається опором утоми матеріалу.

Вивчення питань утоми в опорі матеріалів має дуже велике значення. Такі важливі деталі, як осі залізничних вагонів, колінчасті вали, шатуни моторів, гребні гвинти, пружини клапанів, повітряні гвинти, поршневі пальці й багато інших деталей виходять з ладу здебільшого внаслідок руйнувань утомного характеру.

Руйнування від утоми відбувається, якщо має місце одна з таких двох особливостей прикладання навантаження:

1) багаторазове прикладання навантаження одного знака, наприклад періодично змінюваного від нуля до максимуму (рис. 6.1, а);

2) багаторазове повторення навантажен­ня, що періодично змінюється не тільки за модулем, а й за знаком (знакозмінні наван­таження), коли на опір утоми матеріалу од­ночасно впливають як повторність, так і змінність навантажування. При цьому роз­різняють зміну навантаження за симетричним циклом (рис. 6.1, б) та за несиметрич­ним (рис. 6.1, в).

Для руйнування від утоми недостатньо змінності напружень. Потрібно також, щоб напруження мали певне значення.

Максимальне напруження, при якому ма­теріал здатний чинити опір не руйнуючись при будь-якій довільно великій кількості по­вторень змінних напружень, називається границею витривалості (границею утоми).

Рисунок 6.1 - Види циклічних навантажень

При розгляді опору матеріалів дії змінних напружень у більшості випадків інженерної практики припускається, що ці напруження є періодичними функціями часу з періодом Т.

Сукупність усіх значень напружень за час одного періоду називають циклом напружень.. На опір утоми в основному впливають максимальні р_тах та мінімальні р_тin напруження циклу. Крім них в опорі матеріалів вводять поняття постійного, або середнього, напруження цик­лу р (рис. 6.2):

, (6.1)

та поняття про амплітуду р_а циклу, що характеризує змінність напру­жень:

. (6.2)

б

Рисунок 6.2 - До визначення характеристик циклу

Подвоєне значення амплітуди коливань напружень називається розмахом циклу. Відношення мінімального напруження циклу до максимального з урахуванням знаків цих напружень називається характеристикою циклу або коефіцієнтом асиметрії циклу і позначається літерою r:

. (6.3)

Найнебезпечнішим є так званий симетричний цикл, коли, та , при якому

.

Границя витривалості при симетричному циклі є мінімальною для даного типу деформації й позначається через . У випадку напруження, що змінюється від нуля до максимуму, тобто при віднульовому (пульсую­чому) циклі, коли ,

,

а границя витривалості, що відповідає даному циклу, позначається че­рез .

При , тобто коли діє постійне статичне навантаження, і характеристика циклу

.

У загальному випадку границю витривалості, отриману при характеристиці циклу r, позначають : границю витривалості, визначену при будь-якому певному значенні r, наприклад при , позначають відповідно .

Цикли, що мають однакові характеристики r, називаються подібними. Характеристика циклу, або коефіцієнт асиметрії, може змінюватися від до .