4.8 Ползучесть, последействие и релаксация

Известно, что при повышенной температуре и длительном действии нагрузки постоянной величины деформации детали с течением времени возрастают. Например, в процессе эксплуатации увеличиваются размеры дисков и лопаток газовых турбин, растут деформации обшивки самолетов при высоких скоростях полетов. Наблюдается также постепенное уменьшение напряжений в нагруженной детали при неизменной величине деформации. Например, с течением времени уменьшается сила давления пружины на плиты пресса при неизменном расстоянии между ними, уменьшается предварительная затяжка болтовых соединений и т. д. Отмеченные изменения, как правило, носят необратимый характер. Это явление принято определять термином - ползучесть материала. Ползучестью называется явление изменения во времени напряжений и деформаций в нагруженной детали. Различают два случая ползучести -последействие и релаксацию. Последействием, или собственно ползучестью, называется явление роста деформаций при постоянных напряжениях, а релаксацией - уменьшение напряжений при постоянной деформации.

Последействие может быть упругим и пластическим. Последействие при упругих деформациях выражается в том, что своего конечного значении деформации достигают при нагружении, и при разгрузке исчезают полностью не сразу, а по истечении некоторого времени. При пластическом последействии процесс роста деформаций развивается во времени, является необратимым и может привести к разрушению детали без увеличения нагрузки.

Падение напряжений при релаксации является следствием постепенного увеличения пластических деформаций (ползучести) в результате уменьшения упругих. Ползучесть металлов изучается большей частью на опытах по растяжению стержней при постоянной нагрузке и температуре.

4.9 Коэффициент запаса прочности. Выбор допускаемых напряжений

Фактические нагрузки, действующие на деталь, и свойства материалов, из которых она изготовлена, могут значительно отличаться от тех, которые принимаются для расчета.

При этом факторы, снижающие прочность детали (перегрузки, неоднородность материалов и т. д.), носят чаще всего случайный характер и предварительно не могут быть учтены.

Так как детали и сооружения в целом должны безопасно работать и при этих неблагоприятных условиях, то необходимо принять определенные меры предосторожности. С этой целью напряжения, обеспечивающие безотказную работу машины или любого другого сооружения, должны быть ниже тех предельных напряжений, при которых может произойти разрушение или возникнуть пластические деформации.

Таким образом, принимают:

(4.3)

где - допускаемое напряжение; - нормативный (т. е. предписываемый нормами проектирования конструкций) коэффициент запаса прочности, называемый также коэффициентом безопасности, - предельное напряжение материала.

При статических нагрузках за предельное напряжение для хрупких материалов принимают предел прочности ( ) , для пластичных – предел текучести ( ), так как при напряжениях, равных пределу текучести, возникают значительные пластические деформации, которые недопустимы.

Таким образом, коэффициент запаса прочности вводится для того, чтобы обеспечить безопасную, надежную работу сооружения и отдельных его частей, несмотря на возможные неблагоприятные отклонения действительных условий их работы от расчетных.

Вопрос о нормативном коэффициенте запаса прочности решается с учетом имеющегося опыта эксплуатации сооружений и машин.

В последнее время общий коэффициент запаса расчленяют на ряд составляющих, частных коэффициентов запаса, каждый из которых отражает влияние на прочность элемента конструкции какого-либо определенного фактора или группы факторов. Например, один из коэффициентов отражает возможные отклонения механических характеристик материала от принимаемых в качестве расчетных, другой - отклонения действующих нагрузок от их расчетных значений и т. д. Такое разделение общего коэффициента запаса позволяет лучше учесть многообразные конкретные условия работы деталей машин и сооружений и проектировать их с большей надежностью и экономичностью.

Коэффициент запаса прочности представляют в виде произведения

(4.4)

В вопросе о частных коэффициентах и их значениях до сих пор нет единообразия. Значения коэффициентов запаса прочности обычно принимают на основании опыта конструирования и эксплуатации машин определенного типа. В настоящее время в машиностроении имеются рекомендации пользоваться одним, тремя, пятью и даже десятью частными коэффициентами запаса прочности. В «Справочнике машиностроителя» рекомендуется пользоваться тремя частными коэффициентами:

- коэффициент, учитывающий неточность в определении нагрузок и напряжений. Значение этого коэффициента при повышенной точности определения действующих напряжений может приниматься равным 1,2…1,5, при меньшей точности расчета - 2…3;

- коэффициент, учитывающий неоднородность материала, повышенную его чувствительность к недостаткам механической обработки. Коэффициент в расчетах по пределу текучести при действии статических нагрузок можно принимать по табл. 4.1 (без учета влияния абсолютных размеров) в зависимости от отношения предела текучести к пределу прочности.

Таблица 4.1 Значения коэффициента

	0,45…0,55	0,55…0,7	0,7…0,9
	1,2…1,5	1,4…1,8	1,7…2,3

При расчете по пределу прочности для малопластичных и хрупких материалов величину принимают:

а) для малопластичных материалов (высокопрочные стали при низком отпуске) = 2…3;

б) для хрупких материалов = 3…4;

в) для весьма хрупких материалов = 4…6. При расчете на усталость коэффициент принимают равным 1,5…2,0, увеличивая его для материала с пониженной однородностью (особенно для литья) и для деталей больших размеров до 3,0 и более;

- коэффициент условий работы, учитывающий степень ответственности детали, равный 1…1,5.

В табл. 4.2 приведены ориентировочные значения допускаемых напряжений при статическом нагружении для некоторых материалов.

Таблица 4.2 Допускаемые напряжения для различных материалов

Материал	Допускаемые напряжения, МПа
	На растяжение	На сжатие
Чугун серый в отливках:
СЧ 12-28	20...30	70...110
СЧ 15-32	25...40	90...150
СЧ 21-40	35...55	160...200
Сталь:
Ст1 и Ст2	140	140
Ст3	160	160
Ст3 в мостах	140	140
Сталь углеродистая конструкционная в машиностроении	60...250	60...250
Сталь легированная конструкционная в машиностроении	100...400 и выше	100...400 и выше
Дюралюминий	80...150	80...150
Латунь	70...940	70...140
Сосна вдоль волокон	7...10	10...12
Дуб вдоль волокон	9...13	13...15
Кирпичная кладка	До 0,2	0,6...2,5
Бетон	0,1...0,7	1...9
Текстолит	15...30	30...40