Конспект лекції Відомості про втому матеріалів

Значна кількість деталей машин працює в таких умовах, коли напруги, які виникають у них, періодично змінюються за значенням або за значен­ням і знаком. Опір конструкції дії навантажень в цьому разі істотно відрізняється від їх опору дії статичного або ударного навантаження. Від тривалої дії змінних напруг деталь може зруйнуватися навіть тоді, , коли максимальні робочі напруги значно менші за границі текучості.

До деталей, які зазнають змінних навантажень, належать штоки порш­невих машин, обертові осі, вали, зуби зубчастих коліс тощо.

Давно відомо, що деталі машин під дією змінних навантажень, які повторюються багато разів, можуть раптово зруйнуватись, вважають, що , 80-90$ всіх випадків поломок деталей на практичні настає внаслідок дії повторно-змінних навантажень. Особливим при змінному навантаженні є також характер поверхні руйнування, який схематично показано на рис.II. І. Ця поверхня, як правило, має. дві ділянки: одну гладеньку А,

Д РУГУ - жорстку, грубозернисту В Причому деталі із пластичних ма­теріалів, у яких досить великі значення залишкового відносного видовження і звуження, а також ударної в'язкості, руйнуються без помітних залишкових деформа­цій, ніби вони виготовлені із крихких матеріалів.

Руйнування деталей за змін­них навантажень розпочали вивча­ти як явище в першій половині XIX ст.

Вважали, що матеріал з часом втрачає свої еластичні властивості, тобто втомлюється від змінного навантаження. Тому руйнування матеріалу, спричинене багаторазовою дією змінних напруг, вважали зумовленим його втомою, а здатність матеріалів проти­стояти втомленості було названо опором втомі.

Проведені на початку XX ст. дослідження структури металів пока­пали, що вона залишається незмінною, а, отже, наведена гіпотеза по­милкова. Сучасна природа втоми пояснюється особливостями кристаліч­ної будови металу, який складається із безлічі зерен-кристалітів, що мають анізотропні фізичні і механічні властивості. Важливу роль віді­грають також сліди механічної обробки, пошкодження поверхні деталі 1 конструктивні концентратори напруг. Тому, при тривалій дії повторно-змінних навантажень в окремих небезпечних точках зароджуються мікро-тріщини. В стані пружної змінної деформації стінки мікротріщин прити­раються, а самі мікротріщини збільшуються в розмірах і об'єднуються, утворюючи відполіровану ділянку А рис.11.1. Утворена тріщина по­слаблює поперечний переріз деталі і стає надрізрм, біля дна якого ви­никає об'ємний напружений стан, що зумовлює крихкий характер руйну­вання. В ослабленому перерізі при випадковому перевантаженні або уда­рі відбувається раптова зруйнування відривом на ділянці /рис.11.1/.

Характеристики циклів змінних напруг

Зміна значення напруг у деталях машин може відбуватися внаслідок зміни навантаження або положення деталі під дією постійного навантажен­ня. Взагалі змінні навантаження і спричинені ними напруги можуть з часам змінюватися, по різному і мати як сталий /стаціонарний/, так і не ста­лий /нестаціонарний/ режим. Вданій роботі розглянемо тільки сталі ре­жими, кожний новий цикл яких є точним повторенням попереднього. За не сталим режимом характер напруг і їх максимальні значення змінюються від циклу до циклу.

Циклом напруг називають сукупність ycіx значень напруг Q /або за час одного періоду t_п .

Цикли напруг зображають графіками, на яких по осі абсцис відкла­дають час t , а по осі ординат - змінні напруги або . Зде­більшого в інженерній практиці період повторно-змінних наванта­жень - це величина стала, а закон зміни напруг описується синусоїдою /рис.11.2/. Для характеристики циклу змінних напруг введено ряд параметрів.

Найбільша, з врахуванням знака, напруга циклу – максимальна на­пруга max

Найменша, з врахуванням знака, напруга циклу - мінімальна на­пруга min

Півсума максимальної max і мінімальної min напруг циклу називається середньою напругою і позначається с . Середня напру­га називається ще статичною складовою циклу і може бути як додатною, так і від'ємною величиною:

Різниця максимальної max і мінімальної min напруг, взята за абсолютною величиною, називається амплітудою циклу :

Відношення мінімальної min до максимальної max напруги

циклу називається коефіцієнтом асиметрії циклу

Коефіцієнт асиметрії циклу при різних повторно-змінних навантажен­нях може змінюватися від — до + , Цикли, які мають одна­ковий коефіцієнт асиметрії , називаються подібними. З наведених фор­мул і рис.11.2 випливає, що

Коли max і min однакові за абсолютною величиною, тобто

коли max = , min = то маємо симетричний цикл напруг

/рис.11.З.а/. в цьому разі . Симетрич­ний цикл - найбільш небезпечний цикл повторно-змінного навантаження. Такий цикл напруг мають вали, осі тощо.

Цикл напруг, графік якого показано на рис.11,2, називається асимет­ричним.

На рис.11.3,6 зображено віднульовий цикл зміни напруг. За таким циклом працюють, наприклад, зуб’я зубчастих коліс при нереверсивному на­вантаженні. Для віднульового циклу

Сталу, або статичну, напругу /рис. 11.3,в/ можна подати також як ок­ремий випадок змінної напруги з параметрами: