6.2 Циклы нагружения и их характеристики

Циклом напряжений называется однократная их смена, соответствующая полному периоду изменения. Цикл напряжений характеризуется следующими величинами:

- максимальным по алгебраическому значению напряжением цикла ;

- минимальным по алгебраическому значению напряжением цикла

- средним напряжением цикла

- амплитудой напряжений цикла

- коэффициентом асимметрии цикла , под которым понимается отношение наименьшего напряжения цикла к наибольшему с соответствующим алгебраическим знаком

Возможные виды циклов представлены на рисунке 23. Цикл называется симметричным, когда , т.е. напряжения и равны по величине, но противоположны по значению (рисунок 23, а).

Пределам выносливости, соответствующим симметричному циклу присваивается индекс -1. В этом случае . По симметричному циклу изменяются, например, нормальные напряжения от изгиба в валах или осях.

Отнулевым или пульсационным циклом называется такой, при котором , т.е. минимальное напряжение цикла равно нулю (рисунок 23, б). Пределам выносливости, соответствующим такому циклу, присваивается индекс 0. В этом случае . Такой цикл характерен, например, для изменения напряжения изгиба у корня зуба шестерни при ее вращении в одну сторону и передаче при этом постоянного по величине крутящего момента.

Цикл, в котором называется асимметричным (рисунок 23, в). При нем . Пределам выносливости, соответствующим такому циклу, присваивается индекс . Цикл имеет место в затянутых болтах, клапанных пружинах и других деталях.

Наибольшее распространение на практике имеет случайное нагружение, при котором процесс изменения напряжений во времени является случайным (рисунок 23, в).

а — симметричный цикл: б— отнулевой или пульсационный цикл; в — асимметричный цикл; г - случайное нагружение

Рисунок 23 - Виды циклов напряжений:

6.3 Экспериментальное определение характеристик сопротивления усталости

Для изучения сопротивления металлов переменным напряжениям и получения кривой усталости производится испытания на усталость. По результатам испытаний образцов строится кривая усталости или кривая Велера в координатах , показанные на рисунке 24.

По оси ординат на кривой усталости откладывается наибольшее напряжение цикла, при котором испытывался данный образец, по оси абсцисс - число циклов перемен напряжений, которое образец выдержал до разрушения.

Для построения кривой усталости проводят усталостные испытания лабораторных образцов, моделей и деталей натурных размеров на специальных усталостных машинах. Типы испытуемых образцов, методы испытаний и обработки результатов регламентированы ГОСТ 25.502-79. Характеристики сопротивления усталости материала находят в результате испытаний не менее 15 идентичных гладких (с плавными очертаниями) полированных лабораторных образцов диаметром в рабочем сечении 7,5 мм при изгибе с вращением. Первый образец испытывается при амплитуде напряжений а_а = 0,7-0,8 а_в. Все последующие образцы испытываются со снижением уровня напряжений от 6 до 8%. Левая ветвь кривой строится по экспериментальным точкам с помощью метода регрессионного анализа, а в качестве правой проводится горизонтальная прямая, соответствующая ординате а_в.

Кривая усталости является трехпараметрической, ее уравнение имеет вид

Рисунок 24 - Кривая усталости в простых (а) и в двойных логарифмических (б) координатах

где: - амплитуда действующих напряжений;

- число циклов до разрушения образца:

- предел выносливости - наибольшее значение максимального напряжения цикла, которое может выдержать образец без разрушения до числа циклов мб, называемого базой испытаний. Обычно млн циклов для образцов из углеродистых и малолегированных сталей, 50 - 100 млн - для образцов из легких сплавов. Если образец при испытании не сломался до числа циклов , то он не сломается и далее, и испытание прекращают, а на диаграмме соответствующую точку отмечают стрелкой, показывающей, что образец может работал и дальше;

- число циклов, соответствующее точке перелома на кривой усталости;

- параметр кривой усталости, характеризующий наклон левой ветви кривой усталости; при увеличении наклон левой ветви к оси абсцисс уменьшается, т.е. линия становится более пологой; величина т находится из уравнения