книги из ГПНТБ / Кравченко, Петр Ефимович. Усталостная прочность учебное пособие

ПРЕДИСЛОВИЕ

При изучении курса «Сопротивление материалов» все большее л большее внимание уделяется изучению вопро­ сов усталостной., прочности. , ■

Однако изложение этих вопросов в учебниках и учеб­ ных пособиях' страдает рйДо'й существенных Недостат­

ков (недостаточная четкость изложения основных поня­

тий, отсутствие конструктивно-актуальных и достаточно

уточнений и справочных данных.

Достигнутое сокращение объема позволило рассмот­

реть вопрос о путях повышенияусталостной прочности,

а также изложить результаты тех исследований, кото­ рые проведены в последнее десятилетие.

Часть материала, данную, петитом, читатель может опустить без ущерба для понимания последующих во­ просов.

Пособие рассчитано на студентов, изучающих курс «Сопротивление материалов».

Кроме того, оно может быть полезно для инженеров

и техников при проектировании деталей машин.

Автор выражает искреннюю благодарность рецензен­ там профессору С. С. Миловидову и инженеру Г. М. Иц­

ковичу, а также преподавателям кафедр Куйбышевско­ го индустриального, Ждановского металлургического, Ленинградского, Горьковского.и Томского политехниче­ ских институтов, приславшим свои отзывы на пособие.

Автор..

3

ВВЕДЕНИЕ

В середине прошлого века, т. е. в период бурного расцвета металлургии и создания различного рода ме­ ханизмов и машин, с постоянно увеличивающимися ра­ бочими скоростями, внимание технического мира все ча­

ще и чаще стали привлекать следующие факты. Оси поч­ товых карет, железнодорожных вагонов и некоторые другие конструкции, сделанные из доброкачественного и достаточно пластичного металла, иногда внезапно раз­ рушались, не давая при этом остаточных деформаций, т. е. разрушения имели выраженный хрупкий характер.

Опасность оказалась тем более серьезной, что рас­

четные напряжения в этих случаях всегда были ниже

не только пределов статической прочности, но и тех на­ пряжений, при которых возникают первые остаточные деформации.

Вскоре было замечено, что такие хрупкие разруше­ ния наблюдаются лишь в тех случаях, когда металл де­ тали подвергается действию многократных повторно-пе­ ременных (циклических) нагружений-

Последующие наблюдения показали, что разрушение

деталей происходит не сразу, а после некоторого (иног­ да довольно продолжительного) периода их работы. Это обстоятельство породило гипотезу о том, что при дейст­ вии повторяющихся нагружений металл «перерождает­ ся», «устает» (подобно уставанию живых организмов),

структура его изменяется, из пластичного -он делается хрупким.

В подтверждение созданной гипотезы авторы ее ука­ зывали на вид поверхности излома при циклических

нагружениях, который, как казалось, подтверждал спра­ ведливость этой гипотезы. И только опыты Баушингера (80-е годы) показали ее несостоятельность, хотя сам Баушингер не дал и не мог еще дать такого объяснения

4

разрушению при циклических нагружениях, которое вы­ работано в настоящее время.

Опыты Баушингера показали, что сопротивление разрыву и .относительное удлинение образца, выточен­

ного из детали, разрушенной при циклических нагруже­

ниях, не снижаются по сравнению с теми же.характери­ стиками для исходного материала.

. Таким образом, уже эти опыты указывали на то, что

никакого перерождения или уставания металла при его

работе с циклическими нагружениями не происходит и, следовательно, гипотеза о разрушении от усталости не­

верна.

Однако термин «усталость металлов», благодаря его краткости и широкому распространению, сохранился и

до настоящего времени,,хотя теперь в него вкладывается совершенно иной смысл.

Работы Ф. П, Белянкина и других 'исследователей показали, что усталости подвержены не Только метал­ лы, но и другие материалы (дерево и пластмассы).

В последующем нами используется главным образом термин «усталость металлов», т. е. рассматривается лишь поведение металлов и их сплавов при циклических на­ гружениях.

* * *

Опыт эксплуатации современных быстроходных ма­ шин показывает, что большинство поломок деталей этих машин носит усталостный характер. Число таких поло­ мок составляет примерно 80—90% от общего числа по­ ломок ([1]-и др.).

Этим обстоятельством определялась и определяется необходимость всестороннего изучения вопросов уста­ лостной прочности..

Первые работы, связанные с изучением усталостной

прочности осей вагонов, выполнены в Англии в .1848—

1850 гг.

Именно в этот период на одном из собраний в Лон­ донском институте инженеров-механиков было заявлено, что «...даже при условии величайшей тщательности в из­

готовлении, оси под воздействием вибраций подвер­

жены быстрому повреждению...» и,что «...при этом проис­ ходит какое-то изменение природы железа...».

5

Глава I

УСТАЛОСТЬ МЕТАЛЛОВ И МЕТОДЫ ОПЫТНОГО

ИЗУЧЕНИЯ ЭТОГО ЯВЛЕНИЯ

§ 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Большинство деталей машин в процессе работы подвержено действию переменных напряжений, т. е. на­ пряжений, которые многократно изменяются во вре­

мени.

Это изменение связано либо с изменением величины нагрузки, действующей на деталь, либо вызывается из­ менением положения детали по отношению к действую­ щей нагрузке (которая может иметь постоянную вели­

чину и направление). Так, если на вращающуюся ось

действует постоянная по величине и направлению сила Р (рис,-1а), то напряжения в рассматриваемой точке А

Рис, 1. Изменение напряжений в поперечном сечении вращающейся оси

7

Wz = —р- ~ "32-----осевой момент сопротивления;

со — угловая скорость вращения оси.

Таким образом, напряжения в рассматриваемой точ­ ке изменяются по синусоидальному закону и уже за пол­ оборота оси они меняются от максимальных сжимаю­ щих (в положении Л2) до максимальных' растягиваю­

щих (в положении А3). За полный оборот напряжения в

этой точке принимают все возможные значения (рис.

1, б) и становятся опять максимальными сжимающими. В тех случаях, когда с изменением угла поворота оси меняется и величина действующей нагрузки, карти­

на изменения напряжений будет более сложной. Другим примером детали, испытывающей перемен­

ные напряжения, являемся шатун двигателя: при рабо­ чем ходе он испытывает переменные напряжения сжа­ тия, а при всасывании — переменные напряжения ра­ стяжения.

Действию переменных напряжений подвержены так­ же торсионные валы, рессоры, вагонные оси, клапанные пружины, коленчатые валы и многие другие детали ма­ шин.

Опыт показывает, что металл таких деталей после многократного приложения переменных нагружений раз­ рушается при напряжениях не только меньших предела прочности, но часто даже меньших предела упругости.

Свойство металлов разрушаться под действием пере­ менных напряжений по истечении некоторого срока службы называется усталостью металлов.

Способность металлов выдерживать большое число смен переменных напряжений без разрушения называ­ ется выносливостью, или циклической прочностью.

8

.Закон изменения переменного напряжения во вре­ мени и пределы изменения напряжений могут отличать­ ся большим разнообразием. В большинстве случаев при исследовании усталости образец испытывается при на­

пряжениях, изменяющихся, по синусоидальному закону, так как именно таков характер их изменения во многих вращающихся деталях машин (рис. 1).

Однократная смена напряжений, получающих непре­ рывный ряд значений, называется циклом. Растя и-

- t-время

Рис. 2. Параметры цикла переменных напряжений

ваюшие напряжения считаются положительными, а сжи­ мающие — отрицательными.

Продолжительность цикла во времени называется периодом цикла. За один период напряжения принимают всевозможные значения, свойственные дан­

ному циклу (рис. 2).

Число циклов в секунду называется частотой из­ менения напряжений.

Основными параметрами цикла являются (см. рис- 2):

— наибольшее (по алгебраической величине) напряже­ ние цикла отах;

—наименьшее (по алгебраической величине) напря­ жение цикла <3ацп;

—среднее напряжение цикла, равное алгебраической

полусумме напряжений агаах и qmin: ос =

cmix -J" qmln .

2

— амплитуда цикла, равная алгебраической полураз­ ности этих же напряжений:

9

—коэффициент несимметрии цикла:

г— pmin

ртах

Поскольку отах и smin всегда берутся с учетом их знаков, то среднее напряжение цикла ос может быть как положительным, так и отрицательным, а амплитуда цикла всегда положительна.

Пикл, в котором наибольшее и наименьшее напряже­ ния одинаковы по величине, но противоположны по зна­ ку, называется симметричным. Для такого цикла

г=—1. Если численные значения отах и omin

Отах га

не равны между собой, цикл называется несиммет­ ричным.

Несимметричный цикл растяжения, для которого amin

можно получить наложением симметричного цикла с ам­ плитудой Од на постоянное среднее напряжение ае.

Основные виды циклов нормальных напряжений и их

параметры приводятся в таблице 1.

10