94. Современное представление о прочности материалов при напряжениях, изменяющихся во времени.

Практикой установлено, что, в случае действия на элементы конструкций нагрузок, изменяющихся во времени по величине и (или) по направлению, разрушение материала происходит при напряжениях значительно меньше предельных напряжений.

Нагрузки, вызывающие появление в поперечных сечениях периодически изменяющиеся напряжения, называются циклическими.Совокупность всех значений напряжений за время одного периода их изменения называется циклом напряжений. Частота изменения напряжений характеризуется числом циклов в единицу времени, а продолжительность цикла по времени определяет период цикла.

Характер разрушения материала в результате воздействия на него циклических нагрузок существенно отличается от характера разрушения при статических нагрузках. Разрушение начинается с образования микротрещин, которые прогрессивно развиваются вглубь материала, уменьшая площадь поперечного сечения детали. Разрушение происходит внезапно. На поверхности излома видны две характерные зоны: зона постепенного разрушения от развития трещин (гладкая поверхность, образовавшаяся вследствие давлений поверхностей трещин друг на друга) и зона внезапного разрушения, имеющая вид хрупкого излома.

Явление разрушения материала вследствие возникновения переменных напряжений называют усталостью материала, а способность материала сопротивляться, не разрушаясь – выносливостью или циклической прочностью.

Максимальные переменные напряжения, при которых материал способен сопротивляться, не разрушаясь, при любом произвольно большом числе циклов нагружения, называют пределом выносливости. Законы изменения переменных напряжений могут быть самыми разнообразными и, соответственно, циклическая прочность при этих законах существенно различается. Эти законы можно представить в виде простейших гармоник синусоиды или косинусоиды. Например, для вращающейся оси (рис. 2.31) максимальные напряжения в точке А изменяется по закону синусоиды:  ;  , так как при    .

 

 

Рис. 2.31. Изменение напряжений изгиба вращающейся оси

95. Типы циклов напряжений и их характеристики.

Переменные напряжения могут быть как нормальными  , так и касательными   и изменяться во времени от наибольшего до наименьшего (в алгебраическом смысле) значения и обратно.

Любой цикл изменения нормальных напряжений может быть охарактеризован средним напряжением, равным полусумме максимальных и минимальных напряжений:

 

                                          ,                                       (2.85)

 

а также амплитудой переменного напряжения, равной полуразности максимальных и минимальных напряжений:

 

                                         (2.86)

 

и характеристикой цикла (коэффициент асимметрии цикла), равной отношению минимальных напряжений к максимальным:

 

.                                           (2.87)

 

Если      и   ,  то  цикл  называется  симметричным  (рис. 2.32, а), для которого   ;  ;  .

 

Если  (рис. 2.32, б), цикл называется пульсирующим (отнулевой), для которого  ;  ;  ;  .

В отличие от симметричного все остальные циклы являются асимметричными. На основании выражений (2.85) и (2.86).

 

Рис. 2.32. Циклы переменных напряжений

 

                              ;    ,                                   (2.88)

 

т.е. любой асимметричный цикл (рис. 2.32, в) можно рассматривать как сочетание симметричного цикла с максимальным напряжением, равным амплитуде  , и постоянного напряжения, равного среднему   этого цикла.

В случае переменных касательных напряжений   остаются в силе все приведенные выше термины и соотношения.