книги из ГПНТБ / Григорьев, К. М. Основы циклической прочности учебное пособие

Щ ^ У

■Г Г*с' оувлмчнМ

I (Гкйлмртокл СССР

I ЭКЗЕМПЛЯР

| ЧИТАЛЬНОГО ЗАДА

Григорьев К. М.

Г83 Основы циклической прочности. Учебное пособие. Ижевск, «Удмуртия», 1974.

108с.

Вучебном пособии приведены современные представления усталостного

разрушения, изложены, методы испытаний на выносливость, показано вли яние конструктивных, и технологических факторов на циклическую прочность, рассмотрены диаграммы предельных напряжений. Изложена методика опре­ деления фактического запаса прочности деталей машин. В пособие включены вопросы расчета деталей машин, работающих при нестационарных режимах нагружения, и вопросы повышения их циклической прочности. Учебное посо­ бие предназначено для студентов, изучающих курс «Сопротивление материя лов», и преподавателей, ведущих настоящий курс.

3133-0103

605.

ГMI34 (03)-74 85'74

(£) Ижевский механический институт, 1974.

В В Е Д Е Н И Е

Проблемы долговечности, надежности и качества машин относятся к числу основных проблем, выдви­ нутых на первый план современным развитием маши­ ностроения. Решение этих задач непосредственно свя­ зано с изучением вопросов усталостной прочности ма­ териалов.

В практике эксплуатации машин большинство по­ ломок происходит от усталости. Усталостное разру­ шение является результатом действия напряжений,, переменных во времени. Большинство таких дефек­ тов имеет определенные признаки: разрушение,происходит после длительной работы и в зоне поломки об­ наруживается трещина. Характерно, что даже у высо­ копластичных сталей видимых пластических дефор­ маций не наблюдается. Это является весьма опасной особенностью усталостного разрушения. Обнаружить микроскопические трещины и их развитие очень

хрупким и ломается при небольшой перегрузке. Пред­ ставление об «усталости» материалов сложилось на основании изучения изломов, которые имеют ярко вы­ раженные зоны:. область усталостной трещины, бле­ стящий фарфоровидный вид зоны и область статиче­ ского хрупкого излома.

Наиболее важные. результаты в исследованиях процесса усталости получены в связи с применением более совершенных средств металлографического, рентгеноструктурного анализа и использования элек­ тронной микроскопии. На основании современных ис­ следований было установлено, что «усталости» мате­ риала нет, так как он не меняет своей структуры, и причиной разрушений являются местные пласти­ ческие деформации, возникающие в отдельных зер-

3

риала при переменных нагрузках. К ним можно отнести меха­ нические теории (Е. Орован, И. А. Одинг, Т. А. Лебедев и др.), статистические (Н. Н. Афанасьев, В. В. Болотин, С. Д. Волков и др.), дислокационные (Н. С. Акулов и др.), вакансионно-дис-

стической деформацией. Предел выносливости принимался равным пределу упругости.

С развитием учения о зернисто-кристаллической неодно­ родной структуре металлов были разработаны теории упрочне­ ния и разрыхления. Суть их заключается в следующем. Ме­ талл состоит из отдельных зерен—кристаллитов. Они обладают анизотропией, т. е. имеют различные механические свойства по

5

различным направлениям. Видимо, часть зерен будет находить­

пластическом состоянии, будут претерпевать сдвиги, т. е. под­ вергаться наклепу. Происходит рост предела текучести зерна.

При постепенном возрастании нагрузки наклеп приводит к выравниванию свойств. Постепенно все зерна переходят в плас­ тическое состояние, и происходит обычное статическое разру­

шение.

Однако дело принципиально меняется, если средние напря­ жения не возрастают, а меняются периодически в определенных пределах. Зерно, находящееся в пластическом состоянии, вы­ нуждено претерпевать сдвиги в прямом и обратном направле­ нии. Остальные зерна при этом остаются в упругом состоянии. Таким образом, пластические деформации локализуются в не­ большом объеме. В слабом зерне происходит одновременно несколько процессов: упрочнение за счет наклепа и разрыхле­ ние кристаллической решетки за счет повторных сдвигов.

Если рабочее напряжение незначительно превышает предел текучести слабого зерна, то кристаллическая решетка не успе­ вает сильно разрыхлиться, а предел текучести зерна за счет наклепа становится больше действующего напряжения, и зерно переходит в область упругих деформаций. Очевидно, что про­ цесс разрыхления прекратится и разрушение не наступит. Если напряжения велики или рядом оказалось несколько слабых зерен, то кристаллическая решетка успевает сильно разрых­ литься, и происходит образование микротрещин, которые начи­ нают распространяться по сечению. Следовательно, по этим теориям процесс усталости можно представить следующими периодами: пластическая деформация микрозерен, наклеп, упрочнение и разрыхление материала зерен; зарождение микро­ трещин усталости, когда способности наклепанных зерен де­ формироваться пластически исчерпаны; развитие микротрещин до макротрещин; усталостное разрушение.

Эти теории не объясняют целого ряда факторов, влияющих на предел выносливости, рассеяния его значений. Они не объ­ ясняют влияния на предел усталости масштабного фактора, градиента напряжений и других причин.

Статистические теории усталостной прочности рассматри­ вают вероятность нахождения зерен с заданными механически­ ми характеристиками. Они отражают влияние масштабного фактора и градиента напряжений на усталостную прочность.

Современные дислокационные теории рассматривают' устд-

6

лостное явление на атомном уровне, объясняя пластические деформации наличием пороков атомнокристаллической решет­ ки — дислокаций и вакансий.

Дислокации представляют собой особые виды несовершенств кристаллической решетки. Пример такого несовершенства при­ водится на рис. 1. Верхняя часть кристаллической решетки раздвинута, и между двумя атомными плоскостями вставлена добавочная атомная плоскость, называемая в отличие от пер­ вые экстраплоокостью. Таким образом, число рядов атомов в верхней части кристалла оказалось на один больше, чем в нижней его части. Образовалась дислокация. Смещенные ато­ мы стремятся при этом занять положение, соответствующее идеальной решетке. Поэтому под действием касательных на­ пряжений произойдет перестановка атомов, в результате ко­

7

зарождения усталостной трещины связан с величиной нормаль­ ных напряжений в плоскости действия тШах-

Предполагается, что в условиях действия циклических на­ пряжений протекают одновременно процесс объединения ва­ кансий в группы (колонии); процесс диффузии и осаждение вакансий на стенках микропор.

Первый процесс протекает тем интенсивнее, чем больше число действующих дислокаций, которые являются источника­ ми вакантных мест в кристаллической решетке. Определяющим фактором здесь считаются касательные напряжения. Один незанятый узел кристаллической решетки — это пора с разме­ рами менее субмикроскопических, но если отдельные вакансии

лостной трещины в плоскости действия наибольших касатель­ ных напряжений. Процесс осаждения вакансий на поверхности имеющихся в металле микропор приводит к постепенному уве­ личению размеров поры и, как итог, к перерождению микропоры в зародыше усталостной трещины. Эффективность этого процесса определяется величиной нормальных напряжений, и зародыш трещины располагается в плоскости действия первого главного напряжения. В действительности, когда два процесса протекают одновременно, на определенной стадии нагружения один из процессов становится ведущим и определяет плоскость появления зародыша усталостной трещины. После образования зародыша начинается процесс разрастания трещины, который также связывают с действием дислокаций.

Взаимодействием такой дислокации с другими, движущими­

сделать следующие выводы: разрушение может произойти при среднем напряжении, меньшем предела текучести; вероятность разрушения возрастает с повышением напряжений; на уста­ лостную прочность влияют упрочнение и разрыхление, механи­ ческие свойства зерен и их ориентация, дислокации и вакансии,

•а также ряд других факторов.

8

Советская школа в вопросе изучения усталостной прочности материалов и конструкций является ведущей. Широко известны работы отечественных ученых Н. М. Беляева, С. В. Серенсена, И. А. Одинга, Г. В. Ужика, Н. Н. Давиденкова, Г. С. Писарен­

лучили работы В. Вейбулла, Г. Гафа, П. Форреста, Р. Хейвуда, Л. Коффина, П. Людвика и других.

Нужно также отметить, что советская наука о прочности машин развивалась все время в неразрывной связи с практи­ кой, много внимания уделяется разработке экспериментальных методов. В Советском Союзе созданы оригинальные модели испытательных машин, даны новые критерии усталостной проч­

9