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

Продолжение

■а

11

Аналогично могут быть охарактеризованы и циклы

касательных напряжений. Но знак напряжений в этом случае берется условно: напряжение, направленное в одну сторону, считается положительным, и наоборот.

Знак среднего касательного напряжения никак не влия­ ет на величину механических характеристик (т. е. на прочность детали) и поэтому в расчетах всегда прини­ мается положительным.

Способность металлов сопротивляться усталостному разрушению изучалась главным образом при симмет­ ричных циклах — наиболее простых по их осуществле­

нию. Результаты этих исследований, а также исследова­ ний при несимметричных циклах показывают, что:

1. Число циклов до разрушения зависит не только от величины наибольшего напряжения, но и от ампли­ туды цикла.

Чем больше аа при одном и том же отах, тем мень­ ше циклов выдерживает металл до разрушения. Отсюда

напряжение, которое материал выдерживает без разрушения неограниченное число циклов.

В практике, однако, это число ограничивают, чтобы уменьшить время, потребное для проведения испытаний.

Но при этом число циклов выбирают достаточ/но большим и считают, что если усталостное разрушение

не наступает при этом числе циклов, то оно. невозможно

и при гораздо большем числе циклов.

То предельное (наибольшее по абсолютной величи­ не) напряжение, которое образец или деталь выдержи-

12

вает без разрушения заданное число циклов, называется пределом выносливости.

Число циклов, которое образец или деталь должны выдерживать без разрушения, задается ГОСТом или техническими условиями и называется базовым. Согласно ГОСТу 2860-45, предел выносливости стальных образцов, подверженных симметричному изгибу, опреде­ ляется при базе в 5 млн. циклов, а образцов из легких

литейных сплавов — при базе в 20 млн. циклов'.

Для сталей, вновь применяемых, или для сталей,- предназначенных для изготовления деталей, длитель­ ность работы которых на практике может быть значи­

тельно больше 5 млн. циклов, база испытаний может быть увеличена до 10 млн. циклов.

Ограниченный предел выносливости— это наибольшее по величине напряжение, которое обра­ зец (или деталь) выдерживает без разрушения при чис­

ле циклов, меньшем базового числа.

Числа циклов, выбранные в качестве базовых, срав­ нительно невелики. Так; например, шатун паровой ма­ шины испытывает за время своей работы больше мил­ лиарда чередующихся растяжений и сжатий, детали кривошипно-шатунного механизма автомобильного дви­

Основным показателем выносливости металла явля­ ется предел выносливости,- Для экспериментального оп­ ределения пределов выносливости и оценки влияния на их величины различных факторов используются специ­ альные машины, различающиеся:

а) по видам осуществляемых ими деформаций (ма­ шины для испытаний на изгиб, кручение и т. д-);

б) по характеру возбуждения сил, деформирующих образец (машины гидравлического действия, резонанс­ ные, электромагнитные, рычажные и др.);

в) по видам режимов изменения напряжений (маши­ ны для создания напряжений, изменяющихся по симмет­ ричному или по несимметричному циклам).

Основное требование, предъявляемое к этим маши­ нам, — быстроходность и долговечность их. Это требо­

13

вание обусловливается основной особенностью испыта­ ний на. выносливость — их длительностью.

Длительность испытаний и потребность испытывать большие образцы и детали в натуральную величину обусловили быстрое совершенствование усталостных ма­

шин. И если еще совсем недавно наибольшие амплитуды

Нпнусный

изгиба

Рис. 4. Схема машины для испытаний чистым изгибом при вращении.

нагрузок в этих машинах измерялись только сотнями ки­

лограммов при частоте, в 10—15 герц (1 гц равен 1 цик­ лу в секунду), то сейчас применяютёя машины (резо­

нансные или гидравлические) с амплитудой нагрузки в

десятки тонн при частоте 20—50 герц. Менее мощные современные машины, предназначенные для испытания малых образцов, могут иметь частоту до 5000 герц [2].

Ниже приводятся схемы и краткий анализ конструк­ ций некоторых машин, получивших наибольшее распрост­ ранение в лабораторной практике. Наиболее простыми по схеме и конструктивному выполнению являются ма­ шины для проведения испытаний на переменный изгиб.

На рис. 4 показана схема машины для испытаний

образцов на чистый изгиб при вращении.

14

Отечественные и зарубежные машины, выполненные

по этой схеме, позволяют создавать лишь напряжения

симметричного цикла и имеют частоту около 3000 цик­ лов в минуту. Образец закрепляется в гнездах шпин­ делей при помощи конусных зажимов. Вместе с послед­ ними образец представляет собой балку, свободно лежа­

щую на двух опорах А я Г. Опорами Б и В являются качающиеся подшипники, обеспечивающие свободное де­ формирование этой балки.

Величина нагрузки Р, передаваемой на образец, за­ висит от положения груза G на рычаге. Максимальные

напряжения, отвечающие данной нагрузке, подсчитыва­ ются (согласно рис. 4) по формуле

max о == ,

где Мг — Р1 — изгибающий момент на участке чистого изгиба;

метром d.

Величину Р легко найти из условия равновесия ры­ чага в зависимости от величины и положения груза

G [3].

За полный оборот образца напряжения изменяются на полный цикл (как и на рис. 1).

Число нагружений образца (число циклов) фиксиру­ ется счетчиком оборотов. Машина снабжена автоматом, останавливающим ее в момент излома образца.

При испытаниях используются стандартные образцы

длиной 226 мм и диаметром 9,48 или 7,52 мм (ГОСТ

2860-45). Но изготовление длинных образцов небольшо­ го диаметра иногда вызывает затруднения (особенно при

шлифовке) из-за недостаточной жесткости их. Вслед­

ствие этого, а также из-за необходимости испытывать образцы большего диаметра в настоящее время по этой же схеме созданы более мощные машины (УИПМ-20

и др.), которые позволяют испытывать образцы диамет­ ром 18—20 мм.

По такой же схеме загружается и вагонная ось (см.

рис. 41).

15

На рис. 5 приведена схема машины для испыта­ ния консольных образцов на поперечный изгиб . при вращении. По этой схеме выполнены машины Вёлера, ЦНИИТМАШ, НИИЖТ и др. Они также позволяют осу­

шие изгибающие моменты в консольном образце возни­

кают на очень небольшом участке его длины, который к тому же попадает в сопряжение галтели с цилиндром (см. рис. 5). Вследствие этого даже самое малое иска­ жение размеров или самый незначительный поверхност­ ный дефект в зоне опасного сечения резко изменяют выносливость образца.

Это указывает на частую возможность искажения результатов испытаний и на необходимость самого тща­ тельного изготовления образцов.

Если машины для испытаний переменным изгибом получили са­ мое широкое распространение в лабораторной практике, то машины для испытаний на циклическое кручение менее распространены, чтообъясняется большей конструктивной сложностью их.

Рассмотрим устройство и работу хотя бы одной из таких машин

(рис. 6).

* Машина Вёлера, выполненная по этой схеме, имела частоту 60—80 циклов в минуту. Неудивительно поэтому, что Вёлер продол­ жал свои опыты болс-е 10 лет (1860—1870 гг.), изучив при этом уста­ лостные характеристики лишь для небольшого числа материалов,

16

И/ р

После этого с помощью червячной пары 4 и 5 создают момент М, от которого при работе машины будут возникать напряжения

получим напряжения, изменяющиеся по несимметричному циклу от

Частота изменения напряжений устанавливается специальным

переключателем и равна либо 1500, либо 3000 циклов в минуту.

Машина имеет автомат, останавливающий ее в момент разру­ шения образца, и счетчик числа циклов.

Описание машин для испытаний повторным растяжением-сжа­ тием дано в работе Г. В. Ужика [3]. Изучая их устройство, надо иметь в виду, что при повторном изгибе или кручении наиболее напряженными ^вляются лишь поверхностные слои металла.

При повторном же растяжении-сжатии вследствие равномер­ ного распределения напряжений максимальному деформированию подвергается весь объем металла. Поэтому для проведения таких испытаний требуются машины с гораздо большей мощностью. Это обстоятельство в сочетании с требованием быстроходности привело к тому, что в машинах для испытаний на растяжение-сжатие на­ гружение образца или детали осуществляется обычно силами инер­ ции неуравновешенных масс, силами электромагнитного взаимодей­

диска, снабженных неуравновешенными грузами А и Б. Центробежная сила грузов передается на неподвижно укрепленный образец В.

И так как подшипники, имеют свободу перемещения только в на­ правлении оси образца, то последний испытывает попеременно осе­ вое растяжение и сжатие.

Недостатком таких машин является необходимость поддержи­ вать угловую скорость дисков строго постоянной, так как центро-

18

зависимость амплитуды или наибольшего напряжения (в

случае несимметричных циклов), вызывающего разру­ шение, от числа циклов N.

ризонтальной асимптоте, ордината которой a-i и равна пределу выносливости. Индекс «—1» указывает на то,

что предел выносливости в данном случае определен для цикла с коэффициентом г — —1, т. е. для симмет­ ричного цикла.

Асимптотический характер кривой усталости, пока­

зывает, что при напряжениях, близких к пределу вынос­ ливости, разрушающее число циклов возрастает весьма

быстро. Поэтому, если при испытаниях металл выдер­ жал без разрушения базовое число циклов, то можно

утверждать, что он выдержит то же напряжение и при

значительно большем числе циклов.

Последний вывод не распространяется на цветные

металлы, так как кривая усталости для них' не имеет

Часто эту кривую называют кривой Вёлера. Но Вёлер, ана­

лизируя результаты своих исследований, еше не пользовался этой кривой.

20