Тема 2.9 Сопротивление усталости

назад в содержание

1. Напряжения, переменные во времени

Часто в деталях машин и механизмов возникают напряжения, периодически изменяющиеся во времени.

Рисунок 210

Н апример, в точках произвольного поперечного сечения вала, который равномерно вращается и на который насажено колесо (рисунок 210-а), напряжение изгиба σ за один оборот вала несколько раз изменяет свою величину и знак, т.е. будет переменным (рисунок 210-б).

Циклом напряжений называется изменение напряжения в точке за время периода цикла Т от одного крайнего значения до другого и обратно.

Рисунок 211

Циклы напряжений изображают в виде графиков (рисунок 211, 212).

Цикл характеризуется максимальным σ_max, минимальным σ_min и средним напряжением.

Асимметричный цикл Отнулевой цикл R = 0

Рассчитывается среднее значение напряжения σ_m, амплитуда цикла σ_а и коэффициент асимметрии цикла R

;

Рисунок 212 ; .

Переменные напряжения возникают в осях вагонов, рельсах, рессорах, валах машин, зубьях колес и многих других случаях.

Под действием переменных напряжений в материале возникает микротрещина, которая под действием повторяющихся напряжений растет в глубь изделия. Края трещины трутся друг о друга, и трещина быстро увеличивается. Поперечное сечение детали уменьшается, и в определенный момент случайный толчок или удар вызывает разрушение.

Появление трещин под действием переменных напряжений называют усталостным разрушением.

Усталостью называют процесс накопления повреждений в материале под действием повторно-переменных напряжений.

Характерный вид усталостных разрушений – трещины и часть поверхности блестящая в изломе. Такой характер излома вызван многократным нажатием, зашлифованностью частей детали.

Опыт показывает, что усталостное разрушение происходит при напряжениях ниже предела прочности, а часто и ниже предела текучести.

Способность материала противостоять усталостным разрушениям зависит от времени действия нагрузки и от цикла напряжений. При любой деформации нагружение с симметричным циклом наиболее опасно.

2. Предел выносливости

Пределом выносливости называется наибольшее σ_max цикла, при котором образец из данного материала не разрушаясь выдержит 10⁷ циклов нагружения.

У каждого материала есть свой предел выносливости. Его определяют в лабораториях на установках (рисунок 210), используя серию одинаковых гладких (полированных) цилиндрических образцов.

О бразцы устанавливают на испытательную машину, нагружают большой силой F, фиксируют σ_max и количество циклов нагружения N, которое образец успеет сделать до разрушения.

Затем постепенно снижают нагрузку и снова замеряют σ_max и число оборотов до разрушения.

По данным испытания строят график (рисунок 213) – кривую усталости, по которой определяют σ_-1 – предел выносливости при симметричном цикле изгиба (R = -1).

Зная σ_-1, определяют пределы выносливости при различных видах нагружения и циклах напряжений. Например, τ_-1 – предел выносливости при симметричном цикле кручения τ_-1 = 0,6 σ_-1.

Рисунок 213