2768.Несущая способность и расчёт деталей машин на прочность

механическими свойствами слоя, а не остаточными напряжениями, так как

Снижение эффекта упрочнения следует ожидать также при азотировании, цианировании и других обработках, при которых поверхностный слой ста­ новится хрупким.

Так как для наклепанных сталей относительное снижение предельных амплитуд с ростом асимметрии значи­ тельно меньше, чем для хрупких материалов (цементированный или азо­ тированный слой, чугун и т. п.), то следует ожидать, что с ростом асиммет­ рии эффект упрочнения стальных об­ разцов будет снижаться в меньшей степени, чем в случае, показанном на рис. 66. Технологические методы по­ верхностного упрочнения широко ис­ пользуют в промышленности [7, 19, 21—25, 29—34, 70].

5. Влияние коррозии на сопротивление усталости

Явление усталости металла, разви­ вающееся при одновременном действии коррозионно-агрессивной среды и пере­ менных напряжений, называется кор­ розионной усталостью. При коррозион­ ной усталости в поверхностных слоях металла возникают трещины, в основ­ ном внутрикристаллические. Образо­ вавшиеся трещины — результат изби­ рательной коррозии. Около небольших местных коррозионных повреждений поверхности, образующихся вначале, создается концентрация напряжений, причем на дне коррозионной полости возникают максимальные напряжения. Дно полости имеет отрицательный потенциал. Это приводит к более интенсивному развитию коррозии на дне полости и к постепенному углубле­ нию трещины коррозионной усталости (рис. 67).

Чем больше время пребывания детали в коррозионно-агрессивной среде и чем больше число циклов переменных напряжений в условиях коррозии, тем глубже будут трещины коррозион­ ной усталости, а следовательно, меньше сопротивление усталости. В связи с

ш т ш

Рис. 67. Схема развития трещины корро­ зионной усталости (по Г. В. Акимову.)

этим кривая коррозионной усталости непрерывная ниспадающая линия, и предел выносливости в обычном смысле слова, не существует. Кривая коррози­ онной усталости представлена на рис. 68, из которого следует, что она систематически падает почти до 1 млрд, циклов, причем до 20• 10® циклов более интенсивно. Под пределом кор­ розионной выносливости понимается предел ограниченной выносливости.

Положение коррозионной кривой ус­ талости существенно зависит от частоты приложения переменных напряжений. Снижение частоты испытаний приводит к понижению числа циклов до разруше­ ния и пределов коррозионной выно­ сливости. Объясняется это тем, что с понижением частоты время действия коррозии в пределах цикла увеличи­ вается, что приводит к большему коррозионному повреждению.

В качестве примера на рис. 69 представлена зависимость сопротивле­ ния усталости стали марки 20Х при испытании на усталость при изгибе с вращением в воде [16]. По оси ординат отложены значения коэффициентов

где сГдГкор — предел ограниченной кор­

розионной выносливости (при испыта­ нии в среде);

алпкт— предел ограниченной выно­ сливости при испытании на воздухе.

При увеличении частоты испытания от 2000 до 10 000 циклов в минуту пределы ограниченной выносливости увеличиваются более чем в 1,5 раза (см. рис. 69). Другой пример влияния изменения частоты показан на рис. 70, на котором представлены результаты коррозионных усталостных испытаний образцов из кремненикелевой стали (ов = 176 кгс/мм12) [74].

При N = 105 циклов увеличение частоты испытания от 5—8 до 1450 циклов в минуту приводит более чем к двукратному повышению предела ограниченной выносливости (см. рис. 70). Поэтому при анализе или сопостав­ лении результатов коррозионно-уста-

Рис. 69. Влияние частоты изменения на­ пряжений на выносливость стали марки 20 X в случае коррозионной усталости при частоте [16]:

1 — п — 10000 цикл/мнн; 2 — п = 3000 цикл/мин; 3 — п = 2000 цикл/мин

лостных испытаний, а также при расчете деталей на прочность необхо­ димо учитывать частоту испытания.

В ряде случаев детали машин под­ вергаются еще до эксплуатации пред­ варительной коррозии при хранении или транспортировке. Для оценки влияния предварительной коррозии производят соответствующие испыта­ ния. Образцы вначале подвергают воздействию коррозионной среды в те­ чение определенного времени, после чего проводят усталостные испытания уже без воздействия среды. Влияние коррозии на предел выносливости мож­ но охарактеризовать коэффициентом

_ ст- 1кор

где a_jI{op—предел выносливости после действия предварительной коррозии;

— предел выносливости полиро­ ванного образца на воздухе.

Коэффициенты РКОр. характеризую­ щие снижение предела выносливости от предварительной коррозии (до испы­ тания на усталость), показаны для стали на рис. 71, для алюминиевых сплавов — на рис. 72.

Цифрами на кривых показано коли­ чество дней, в течение которых образец подвергался воздействию коррозионной

Рис. 7/. Влияние коррозии, имевшей место до испытания на усталость, на предел вы­ носливости стальных образцов / 74/

среды до испытания на усталость (в ненагруженном состоянии). Кривые на рис. 71 и 72 соответствуют усталост­ ным испытаниям в воде при изгибе с вращением на базе 10 млн. циклов.

Влияние коррозии д^ля случая одно­ временного действия коррозионной сре­ ды и переменных напряжений представ­ лено в виде зависимости коэффициентов Ркор от предела прочности для стали на рис. 73 и для чугуна на рис. 74. Эти данные получены при изгибе с вращением на образцах малых раз­ меров на базе 10 млн. циклов при частоте нагружения 2000—3000 циклов в минуту.

Для легких сплавов Ркор= 0,3н- 0,5 (база испытания N = 5- Ю7 циклов, частота п = 2000-^3000 циклов в ми­ нуту).

Обширные данные по влиянию корро­ зии на сопротивление усталости при­ ведены в работах [9, 16, 69, 74]. Например, А. А. Гликман приводит результаты, показывающие, что для углеродистых, мало-, среднелегирован­ ных сталей предел ограниченной выно-

Рис. 73. Влияние коррозии на предел вы­ носливости стальных образцов при изгибе

с вращением (осредненные кривые) при испытаниях в:

1 — пресной воде (образец, с концентрацией напряжений); 2 — пресной воде (образец

без концентрации), морской воде (образец с концентрацией); 3 — морской воде (обра­

зец без концентрации)

сливости при коррозии в пресной воде снижается в 1,5—9 раз, причем увели­ чение предела прочности стали не приводит к увеличению предела кор­ розионной выносливости (рис. 75) [9].

Для нержавеющих сталей аустенит­ ного класса предел выносливости з пре­ сной воде в среднем лишь на 10% ниже предела выносливости на воздухе. Однако при коррозии в морской воде на базе испытаний (20—50)- 10е циклов снижение предела выносливости даже для этих сталей заметно; так, для стали марки 18—8:ст..1В0.,д= 20-н24 кгс/мм2, QLinpcc. „ол= 20ч-2*1 кгс/мм2;

®1мор.вод 8—11 КГС/ММ-.

Детали, работающие в условиях

коррозии, подвергают поверхностному упрочнению и защищают от коррозии.

Некоторые жидкости, такие как смазочные масла, консистентные смазки

и т. д., являются поверхностно-актив­ ными, но химически не агрессивными средами и могут влиять на сопротив­ ление усталости.

На рис. 76 показаны результаты усталостных испытаний образцов из

±б,кгс/ммz

Рис. 76. Кривые усталости образцов из стали марки 20X О 20 мм (по А. В. Карлашеву), полученные в различных средах:

1 — в воздухе; 2 — в активированном мас­ ле; 3 — в воде

Рис. 77. Кривые усталости при испыта­

стали марки 20Х на воздухе, в активи­ рованном масле (адсорбционная уста­ лость) и в воде (коррозионная уста­ лость) [16]. Снижение пределов выыо:- ливости стали под влиянием обычных неактивированных масел доходит до 10%, а под влиянием активированных масел— до 15—20%.

Для расчета деталей машин на проч­ ность важное значение имеет правиль­ ный учет совместного действия корро­ зии, с одной стороны, и концентрации напряжений и абсолютных размеров — с другой.

.Кривые коррозионной усталости об­ разцов гладких и с концентрацией напряжений из стали марки 20Х перлитно-ферритной структуры пока­

Предел вы­ носливости в кгс/мм2

1,72 1,77 + 3

1,32 1,20 -9

--

1,60 1,89 +18

1,47 1,92 +30

3,25 2,35 -28

- - -

2,8 2,23 -20

- - -

3,37 2,66 -21

4,0 2,95 -26

- - -

8,18 8,42 +3

10,0 8,82 -12

Материал и вид испытания

Серый чугун (ств = = 28 кгс/мм2), изгиб

Сталь (ов = 55 кгс/мм2), изгиб

Сталь (0В= 49,5 кгс/мм2), изгиб

Сталь (ов = 64 кгс/мм2), изгиб

Сталь (<ТП=87,5 кгс/мм2), изгиб

,_____________ 1

Образец

(d, мм)

ГладкиЛ

С надрезом

Гладкий

Сбуртиком

Сотверстием

Гладкий

Сбуртиком

Сотверстием

Гладкий

Сбуртиком

Сотверстием

Гладкий

Сбуртиком

Сотверстием

коррозии значительно ниже, чем на воздухе. Коэффициенты влияния кор­ розии для образцов с концентрацией

а~1ккор 12

напряжении рк= —--------=-рт-г=0,оУ,

77).

Совместное влияние коррозии и кон­ центрации напряжений может быть учтено коэффициентом КСТкор по фор­

муле, аналогичной выражению (3.32):

где Ка = -■ 1иозд— эффективный коэф-

циент, учитывающий одновре­ менное влияние коррозии и концентрации напряжений;

здесь ст 1поп, ст 1К п03—пределы выносли­ вости образца гладкого и с концентра­ цией напряжений (соответственно), определенные на воздухе;

а-1кор»ст~1к кор— пределы коррозионной выносливости образцов гладких и с

концентрацией напряжений. Коэффициенты Ксгкор. определенные

по формуле и опытным путем, приве­ дены в табл. 11. В отдельных случаях значения К0кор, полученные по форму­

ле, завышены, но это завышение приво­ дит к ошибке в запас прочности,что мож­ но допустить как первое приближение.

Влияние масштабного фактора на пределы коррозионной выносливости в настоящее время изучено мало, и имеющиеся по этому вопросу экспери­ ментальные данные в ряде случаев противоречивы.

В расчете деталей машин на проч­ ность следует полагать, что влияние масштабного фактора при коррозион­ ной усталости не меньше, чем при испытании на воздухе.

Представляют интерес данные о влия­ нии коррозии при различных видах напряженного состояния. В табл. 12 даны пределы выносливости при изгибе и растяжении-сжатии, полученные на базе 50 млн. циклов при частоте 2200 циклов в минуту.

В первом приближении можно пола­ гать, что между пределами коррозион­ ной выносливости при различных видах напряженного состояния существуют те же зависимости, что и при испытании на воздухе.

Диаграммы предельных напряжений при асимметричном цикле при испыта­ нии в коррозионной среде имеют некоторые особенности в области сред­

них сжимающих напряжений (табл. 13). Наложение средних сжимающих напря­ жений весьма благотворно влияет на сопротивление коррозионной устало­ сти, поэтому предел коррозионной усталости только на 5% ниже предела усталости на воздухе. Однако растяги­ вающие средние напряжения действуют отрицательно, значительно снижая пре­ дельную амплитуду 'напряжений. Положительное влияние средних сжи­ мающих напряжений на сопротивление коррозионной усталости используется при применении методов поверхностно­ го упрочнения к деталям, работающим

вусловиях коррозии. В этих случаях

вповерхностных слоях детали созда­ ются значительные остаточные сжимаю­ щие напряжения, приводящие к рез­ кому повышению пределов коррозион­ ной выносливости.

Методы повышения сопротивления коррозионной усталости. Электролити­ ческое хромирование полезно с точки зрения повышения сопротивления кор­ розионной усталости. Рябченковым А. В. и Новиковым В. Н. была исследована возможность использования комбини­ рованного способа упрочнения: в ка­ честве первой операции используется поверхностная закалка с нагрева т. в. ч., наклеп поверхности дробью или роли­ ком или кратковременное азотирование; второй операцией является ' электро­ литическое хромирование. После пер­ вой операции в поверхностном слое остаются значительные сжимающие остаточные напряжения, которые ком­ пенсируют затем растягивающие оста­ точные напряжения от хромирования. В результате происходит значительное повышение пределов выносливости об­ разцов (табл. 14).

Образцы, обкатанные дробью или роликом и затем электролитически хромированные, имеют предел корро­ зионной выносливости (в.соленой воде) на 95—113% выше, чем образцы, прошедшие только хромирование.

При электролитическом никелиро­ вании так же как и при хромировании в поверхностном слое образцов появ­ ляются значительные остаточные рас­ тягивающие напряжения, которые при­ водят к снижению пределов вынос­ ливости.

Анодные покрытия, особенно цинком, в отличие от хромирования, никелиро­

При достаточно большой толщине слоя цинка (до 30 мкм) предел коррозион­ ной выносливости не намного ниже предела выносливости, определенного на воздухе. Данные о влиянии электро­ литических покрытий цинком и кад­ мием на коррозионный предел выносли­ вости приведены в табл. 15. Эти данные показывают, что покрытие цинком может служить защитой от коррозион­ ной усталости.

Влияние технологических методов поверхностного упрочнения на кор­ розионно-усталостную прочность де­

закалка с нагрева т. в. ч., кратковремен­

в этих случаях являются значительные

испытаний образцов из стали марки 45, прошедших различную поверхностную обработку.

6. Расчет на прочность при установившихся режимах переменных напряжений

Под установившимся режимом пере­ менных напряжений будем понимать периодический закон изменения напря-

жении во времени но асимметричному циклу с неизменными во временя значениями амплитуды <за ш среднего напряжения цикла аш. В этой главе

будут изложены традиционные детер­ министические методы расчета на проч­ ность, в которых характеристики нагруженности и прочности рассматри­ ваются, как детерминированные вели­ чины, а их случайные вариации при расчете во внимание ие принимаются. Расчет, согласно этим методам, сво­ дится к вычислению запасов прочности и сопоставлению их с допустимыми нормативными значениями, устанав­ ливаемыми на основе опыта расчетов в КБ и наблюдениями за поведением машин в условиях эксплуатации.

В настоящее время в ряде случаев указанный детерминистический подход является недостаточным, и требуется применение более эффективных веро­ ятностных методов расчета па устадесть (см. гл. 6). Однако часто объем экспериментальной информации о на­ грузках и прочности, необходимой для использованиявероятностных мето­ дов расчета, является ограниченным, что снижает достоверность получаемых оценок ресурса и надежности. В этих случаях применение детерминисти­ ческих подходов, основанных на вы­ числении коэффициентов запаса про­ чности, остается оправданным.

Если напряжения в детали изменя­ ются по симметричному циклу, то коэффициент запаса прочности может быть вычислен по формулам:

при действии нормальных напряжений

пря действии касательных напряжений

где чг.цИ т_ц —пределы выносливости детали при изгибе и кручении в номи­ нальных напряжениях; оа и —

амплитуды переменных напряжений изгиба или кручения в детали.

При сложном напряженном состоя­ нии для расчета на прочность при переменных нагрузках используют ги­

потезы прочности. Для материален в пластическом состоянии лучше опшпгветствуют экспериментальным данным гипотеза наибольших касательных на­ пряжений и гипотеза ©кгаэдрштескиж напряжений. Для бруса эти гипотезы записывают в виде:

На основании эшзюримеитадьядмт данных условие прочности при изгибе и жрудении выражается в виде эллип­ тической зависимости (3.13)

°-,=У°s+{^)s4- (3-41)

Для детали с концентрацией напря­ жений получаем аналогично

где п —коэффициентзапаса прочности;

сательным напряжениям.

Для вала с поперечным отверстием при изгибе с кручением следует учесть действительное распределение напря­ жений по краю отверстий. Эта можно