Факторы, влияющие на усталостную прочность

Концентрации напряжений. В местах резких изменений конфигурации детали (переходы от одного диаметра вала к другому, шпоночные канавки, выточки, отверстия и т.д.) возникают повышенные напряжения — концентрации напряжений. Концентрации напряжений снижают усталостную прочность. Это обстоятельство учитывается путем введения эффективного коэффициента концентрации напряжений, который представляет собой отношение

где — предел выносливости стандартного образца, не имеющего концентратов напряжений;— предел выносливости образца, имеющего данный концентратор.

Аналогично определяется эффективный коэффициент концентрации напряжений при кручении

Отметим, что чем выше прочностные свойства материала, тем он более чувствителен к влиянию концентраций напряжений.

Влияние обработки поверхности. Чем лучше обработана поверхность детали, чем выше ее гладкость, тем, при прочих равных обстоятельствах, выше ее усталостная прочность. И наоборот, если поверхность детали имеет неровности, трещины и прочие дефекты, то усталостная прочность такой детали понижается.

Влияние обработки поверхности учитывается с помощью коэффициента качества поверхности

где — предел выносливости стандартного, тщательно полированного образца;— предел выносливости образца, имеющего данную обработку.

Замечено, что чем выше прочностные свойства материала, тем он более чувствителен к обработке поверхности.

Иногда производят обработку поверхности, повышающую ее качество. Это закалка токами высокой частоты, обкатка роликами, обдувка дробью и т.д. Повышение усталостной прочности при этом учитывают с помощью коэффициента

Масштабный фактор. Чем больше размеры поперечного сечения детали, тем ниже, при прочих равных обстоятельствах, усталостная прочность, так как чем больше объем детали, тем выше вероятность внутренних дефектов: усадочных трещин, раковин, каверн и т.д.

Влияние размеров сечения учитывается с помощью коэффициента масштабного фактора

где — предел выносливости стандартного образца диаметром 10 мм;— предел выносливости образца, имеющего данный диаметр.

Как и в предыдущих случаях, более прочные материалы чувствительнее к масштабному фактору.

Коэффициент запаса усталостной прочности

Пусть даны амплитудное и среднеенапряжения цикла для некоторой детали. Требуется найти коэффициент запаса усталостной прочности. Непосредственно воспользоваться диаграммой предельных амплитуд нельзя, так как эта диаграмма пригодна для образца, а свойства образца и детали различны. Скорректируем ординату рабочей точки таким образом, чтобы учесть все три фактора, влияющих на усталостную прочность, и вместоотложим величину, которую примем равной

(1)

Коэффициент запаса можно трактовать как отношение отрезков:

Проведем отрезок параллельный отрезкуТогда из подобия треугольниковиследует

(2)

Входящие сюда отрезки определяются так:

Подставляя эти выражения в формулу (2) и учитывая формулу (1), получим формулу коэффициента запаса усталостной прочности при изгибе:

(3)

Если деталь подвергается поверхностному упрочнению, то коэффициент в формуле (3) вычисляется по формуле

(4)

В машиностроительной практике часто встречаются случаи, когда деталь работает на изгиб с кручением (валы, оси). В этом случае вначале производится расчет на изгиб, и по формуле (3) определяется коэффициент запаса усталостной прочности при изгибе. Затем производится расчет на кручение и определяется коэффициент запаса усталостной прочности при кручении по формуле

(4)

где — эффективный коэффициент концентрации напряжений при кручении;— коэффициент масштабного фактора при кручении.

Коэффициент запаса усталостной прочности при совместном действии изгиба и кручения определяется по эмпирической формуле Гафа–Полларда:

(5)

В заключение заметим, что расчет на усталостную прочность производится на заключительном этапе проектирования детали. Вначале производится расчет на прочность и жесткость и определяются все размеры детали. Выбирается способ ее обработки. И только тогда определяется коэффициент запаса усталостной прочности.