10.4.3 Влияние концентратора напряжений

Реальные детали имеют целый ряд концентраторов (риски, резьбы, шпоночные и шлицевые канавки, галтели и др.). Учитывая то, что усталостная трещина зарождается на поверхности, чаще всего у основания концентратора напряжений, необходим учет влияния концентратора напряжений на усталостную прочность.

Если известна форма надреза, то представляется возможным вычислить концентрацию напряжений у дна надреза, рис.79.

Коэффициент концентрации нормальных напряжений определяется по формуле:

.

Для определения эффективного коэффициента концентрация напряжений необходимо определить предел усталости гладкого и надрезанного образцов:

.

Если наступление усталостного разрушения определяется только величиной максимального напряжения, то Kt = Kσ. Если же максимальное напряжение не оказывает влияния на усталостную прочность, то Kσ = 1.

Это два идеализированных случая. Для описания поведения реального образца с надрезом вводится коэффициент чувствительности к надрезу:

.

Если материал весьма чувствителен к надрезу, то Kσ = Kt и q =1. Если же материал абсолютно нечувствителен к надрезу, то Kσ = 1 и q = 0.

Для промежуточных состояний коэффициент чувствительности к надрезу будет меняться от 0 до 1.

Величина эффективного коэффициента концентрации напряжений в сильной мере зависит от формы надреза и может колебаться от 0,1÷0,2 до 1,7÷1,8.

Для ряда сплавов при одной и той же глубине надреза и различном угле усталостная прочность сильно зависит от радиуса закругления у дна надреза. В качестве примера можно привести Al – Cu сплавы и стали с различной прочностью. Так, в процессе испытаний Al – Cu сплавов установлено, что при малом радиусе у вершины (r < 0,127мм) трещина зарождалась, но не развивалась. При большом радиусе трещина вообще не зарождалась.

Что касается сталей, то с увеличением прочности возрастает коэффициент чувствительности к надрезу, но он слабо меняется с изменением радиуса у вершины надреза.

10.4.4 Влияние частоты приложения нагрузки

Для гладких образцов частота приложения нагрузки, при изменении от 100 до 6000 циклов, не оказывает влияния на усталостную прочность. Она оказывает существенное влияние лишь в случае наличия концентраторов напряжений. Чем острее надрез, тем меньше усталостная прочность при увеличении частоты приложения нагрузки.

10.4.5 Влияние масштабного фактора

Влияние этого фактора связано с концентратором напряжений. Чем больше диаметр вала, тем ниже класс чистоты поверхности, тем ниже усталостная прочность. Для стали с 0,4÷0,5% с увеличением диаметра вала от 7,5 до 175мм сопровождается понижением усталостной прочности на 40 – 50%. Учитывая влияние этого фактора, не стоит компенсировать усталостную прочность увеличением размеров деталей, нужно использовать более высокопрочные стали.

10.4.6 Влияние недогрузок и перегрузок

Небольшие недогрузки и перегрузки до определенного числа циклов нагружения повышают сопротивление усталостному разрушению. Большие перегрузки, начиная с определенного числа циклов понижают сопротивление усталостному разрушению. В практике влияние этого фактора широко используется при обработке деталей. В процессе обработки деталей происходит притирка деталей, что уменьшает роль концентратора напряжений. С другой стороны в поверхностном слое, создаются сжимающие напряжения.