6.4 Расчет усталостной долговечности

Наиболее просто расчет долговечности производится по уравнению Баскуина, реализующему принцип линейного накопления усталостных пов¬реждений (принцип Пальмгрена-Майера) в записи:

где и - текущие напряжение и число циклов, из которого долговечность рассчитывается по формуле

Более высокую точность в сравнении со стандартным методом обеспечивает метод расчета, предложенный Е.К. Почтенным:

где - коэффициент выносливости;

- параметр, характеризующий наклон кривой усталости в полулогарифмической системе координат.

Параметры Q и v₀ не стандартизованы, однако от них нетрудно перейти к стандартным характеристикам сопротивления усталости через выражения

При усталостных испытаниях достаточно большого числа идентичных образцов при одном уровне амплитуды напряжений обычно получается большой разброс по долговечности. Причинами этого являются, с одной стороны, отклонения в условиях термической и механической обработки отдельных образцов, в точности назначения нагрузки на испытательной машине и т.п. Эти причины в значительной мере могут быть устранены ужесточением требований к технологии изготовления образцов и проведения испытаний. С другой стороны, причинами рассеяния является микроструктурная неоднородность металла, наличие дефектов, отклонений в микрогеометрии поверхности и свойствах поверхностного слоя. Имея в виду влияние этих факторов на рассеяние усталостной долговечности, говорят о статистической природе процесса усталостного разрушения. Чаще всего принимается, что распределение пределов выносливости подчиняется нормальному закону.

6.5 Факторы, влияющие на сопротивление усталости

На сопротивление усталости оказывают влияние следующие основные факторы:

а) концентрация напряжений;

б) масштабный фактор;

в) качество обработки поверхности;

г) эксплуатационные факторы - влияние коррозии, температуры, частоты изменения нагрузки и т.д.;

д) состояние поверхностного слоя: химический состав, механические свойства, остаточные напряжения от условий изготовления деталей.

В соединениях существенную роль играют также дефекты

сварки (непровары, подрезы, трещины, включения); остаточные напряжения от сварки, которые в зоне шва являются растягивающими, а также ухудшение свойств металла шва и переходной зоны.

Рассмотрим влияние каждого из названных факторов:

Под концентрацией напряжений понимается явление местного повышения напряжений по сравнению с номинальными в зонах резкого изменения размеров и очертаний детали, например, в месте ступенчатого перехода, в канавке, в резьбе, у кромки отверстия, у шпоночного паза и т.д. Фактическое снижение предела выносливости детали в этом случае характеризуется эффективным коэффициентом концентрации

где — предел выносливости образца без концентрации напряжений

диаметром или другим размером поперечного сечения d, совпадающим с характерным размером поперечного сечения детали;

- предел выносливости детали.

Масштабный фактор проявляется во влиянии абсолютных размеров поперечного сечения гладких (без концентрации напряжений) образцов на пределы выносливости. С ростом абсолютных выносливости снижается, причинами чего являются:

- металлургический фактор, связанный со снижением механических металла с ростом размеров отливки или поковки;

- технологический фактор, определяемый влиянием термической и механической обработки при изготовлении деталей, приводящих к наклепу поверхностного слоя;

- статистический фактор, проявляющийся в увеличении вероятности появления опасных дефектов и перенапряженных зерен.

Микронеровности на поверхности, остающиеся после механической обработки, являются источниками концентрации напряжений, снижающими сопротивление усталости, причем тем в большей степени, чем выше предел прочности стали.

Коррозия при одновременном действии переменных напряжений

усиливает интенсивность образования и развития усталостных трещин. Это явление называют коррозионной усталостью Кривая коррозионной усталости не имеет горизонтального участка. Влияние коррозии на пределы выносливости гладких образцов характеризуется коэффициентом

где — пределы выносливости гладких лабораторных образцов соответственно в условиях коррозии и на воздухе.

Пределы выносливости от коррозии снижаются от 2 до 5 раз в пресной воде и от 2,5 до 8 раз в морской воде.

Методы борьбы с влиянием на сопротивление усталости состояния поверхностного слоя деталей изложены в подразделе 7.3.