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

Результаты испытаний, полученные при нагружениях по синусоидальному закону, без корректировки полно­ стью распространяются на другие формы кривой, хотя

достаточных опытных данных, подтверждающих воз­

можность такого переноса, нет. Немногочисленные ис­ следования по этому вопросу показывают,- что форма кривой изменения напряжений мало влияет на величину предела выносливости. Поэтому можно считать, что ве­ личина предела выносливости для данного материала зависит только от величины и знака напряжений ®тахи omin. Исходя из этого, можно, например, считать, что случаи изменения напряжений, приведенные на рис. 21,

к незначительному повышению предела . выносливости гладких образцов. Поведение надрезанных образцов

при изменении частоты нагружений еще недостаточно изучено. Имеются лишь указания на то, что при значи­ тельной концентрации напряжений и воздействий кор­ розионной среды предел выносливости с уменьшением частоты нагружений понижается.

41

В первом приближении частоту нагружений в пре­ делах до 30 000 в минуту (500 гц) в расчетах на проч­ ность можно не учитывать.

б) Влияние наклепа’ и перенапряжения

Наклеп и перенапряжение статической нагрузкой, как правило, повышают предел выносливости, причем степень этого повышения зависит от способа производ­ ства наклепа, размеров и формы детали.

По данным И. А. Одинга, перенапряжение растяги­ вающими или сжимающими напряжениями или их ком­ бинацией существенно повышает предел выносливости. Так, при растяжении образцов из отожженной стали до двадцатипроцентного удлинения с последующим сжати­ ем их до такого же укорочения предел выносливости возрастает с 23 до 32 кг1мм2. Холодное обжатие деталей, производя поверхностный наклеп', повышает их предел выносливости. Болты с накатанной резьбой, например,, имеют в 1,5—2 раза больший предел выносливости, чем

болты с нарезанной резьбой. Кроме того, процесс нака­ тывания резьбы (вместо нарезания ее) является более дешев'ьШ и производительным.

В противоположность сказанному выше систематиче­

ское перенапряжение знакопеременной нагрузкой (на­

пряжениями, большими-предела выносливости) снижает выносливость 2 .

Этот вывод следует из результатов испытаний образцов, из той

2 Весьма сложный вопрос об учете этого снижения в расчетной

практике является предметом специальных теоретических и экспе­ риментальных исследований (см., например, [8], [9] и др.), содержа­ ние которых не может быть изложено в небольшом пособии,

42

Образцы подвергались действию ста тысяч перемен нагрузки при напряжениях, больших предела выносливости, но таких, что ста тысяч нагружений было недостаточно для их разрушения. Затем для этих образцов обычным способом определялся предел выносливости, который, как видно из табл. 2, оказывался ниже, чем у исходного материалу.

Однако вредное влияние таких перенапряжений сказывается только после некоторого предельного числа циклов перенапряжений, зависящего от величины этих перенапряжений. И если число цик­ лов перенапряжений меньше этого предельного числа, то предел выносливости не изменяется.

Напряжение, большее предела выносливости, которое материал может выдерживать в течение определенного количества циклов без снижения предела выносливости, называется безопасным пределом повторных перенапряжений. Величина этого предела в функции числа перенапряжений дана на рис. 22 в виде кривой повреждений.

Рис. 22. Построение кривой повреждений по

результатам опыта;

1 — кривая усталости, 2 — кривая повреждений

Определение опытных данных для построения такой кривой и построение ее выполняются после того, как построена кривая уста­ лости и определен предел выносливости.

Прежде всего намечаются числа циклов Л/,-, при которых будут проводиться испытания при перегрузках (например, JVj, Л'? и т. д.).

напряжение уменьшается до величины, травной пределу выносливо­ сти, и испытание продолжается. Если образец не выдержит базо­

рядке. Смену образцов и уменьшение предварительно действую­ щий перегрузок щ, Oj и т. д. при данном числе циклов Ni про-

43

должают до тех пор, пока какой-либо образец не выдержит (при

кривой повреждения. Аналогично строятся другие ее точки. Недонапряжение образца, т. е. нагружение его напряжениями,

меньшими предела выносливости, в течение некоторого количества циклов, повышает его выносливость. Предел выносливости в ре­

зультате такой «тренировки» может увеличиваться для мягких ста­ лей на 30% и более.

Сказанное о кривой повреждений позволяет, кроме того, уточ­ нить понимание самого процесса уставания металла. Очевидно, при повторных нагружениях в металле происходят параллельно два

физических процесса: с одной стороны, накапливается пластическая деформация, создающая упрочнение, а с другой — появляются микроскопические трещины, понижающие прочность.

На первых этапах преобладают упрочнение, наклеп, а на позд­ нейших — развитие трещин. Границей между Этими двумя этапами и является кривая повреждений. Характер этой кривой определяет чувствительность металлов к перегрузкам: чем ближе кривая пов­ реждений к кривой усталости, тем менее чувствителен металл к пе­ регрузкам, тем большие перегрузки он может выдержать без пов­ реждения.

Совпадение кривой повреждения с горизонтальным участком усталости (стали после отжига) означает, что любая, даже

самая м'а^г^я, перегрузка вызывает повреждение и снижает предел выносливости. . Закалка и отпуск стали значительно повышают ее сопротивление перегрузкам: кривая повреждений для таких сталей будет почти совпадать с ядклонным участком кривой усталости.

в) Влияние пауз в .процессе испытаний

Немногочисленные экспериментальные исследования

показывают, что влияние пауз в процессе испытаний на выносливость наблюдается лишь у некоторых’ вязких металлов (железо, мягкая углеродистая сталь, алюми­ ниевые сплавы и т. п.), причем проявляется оно прй на­ пряжениях, больших предела выносливости, увеличивая число циклов до разрушения на десятки и даже сотни процентов. Поэтому при изучении ограниченной вынос­ ливости таких вязких материалов надо иметь в виду возможное влияние пауз.

Для хромоникелевой стали, бронзы и сварных сое­ динений ощутимого влияния пауз различной продолжи­ тельности на выносливость замечено не было.

Эти результаты получены в основном при испытании

гладких образцов. Дальнейшее изучение влияния пауз,

44

особенно для больших образцов и для образцов с над­

резом, представляет несомненный интерес.

г) Влияние температуры испытаний

Повышение температуры от 0°С до некоторого пре­ дела (для сталей и чугунов — примерно до 300—40О°С, для легких сплавов — до 100°С) почти не оказывает влияния на сопротивление усталости. Дальнейшее повыщение температуры ведет к уменьшению предела вы­ носливости. Так для конструкционных нежаропрочных

сталей при 600°С снижение предела выносливости может

достигать 50%. У стали 2X13, идущей на изготовление лопаток паровых турбин, при повышении температуры также происходит плавное снижение предела выносли­ вости: при 400°С величина предела выносливости на

17%, а при 500°С на 36% ниже, чем при 20°С [10].

Это уменьшение непосредственно связано с падением характеристик статической прочности.

Кривая усталости при высоких температурах, как и при испытании в условиях коррозии, не имеет асимпто­ тического характера, и на ее форме сказывается общая

длительность испытаний.

Понижение температуры в широких пределах не

только не снижает предела выносливости, но даже по­ вышает его. Так, сталь 3 при температуре — 183°С имела

предел текучести и предел выносливости в два раза больше нормалвных. значений. Однако это повышение можно не учитывать, так как в большинстве случаев

конструкции должны работать и при обычных темпера­ турах. Кроме того, надо учитывать, что при низких тем­ пературах многие сорта стали становятся ударно-хруп­ кими, а железные образцы даже ломаются от падения на каменный пол.

д) Влияние направления волокон детали

Если деталь ковкой или обработкой давлением полу­ чила «волокнистое» строение, то предел выносливости при напряжениях, направленных поперек волокон, ока­ зывается ниже предела выносливости при напряжениях вдоль волокон. Для изучавшихся легированных сталей эго снижение составляло 10—30% [3]. Этот факт объ­ ясняется различным влиянием неметаллических вклю-

45

Чений и других дефектов, раскатанных вдоль волокон:

если напряжения действуют перпендикулярно к длине этих дефектов (т. е. поперек волокон), то влияние де­ фектов более ощутимо и приводит к более раннему за­ рождению усталостной трещины.

§ 10. ВЛИЯНИЕ ФАКТОРОВ, УЧИТЫВАЕМЫХ В РАСЧЕТАХ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ

Создание надежных и экономичных конструкций возможно лишь при всестороннем учете тех факторов,

которые существенно влияют на величину усталостной

прочности. К числу таких факторов относятся: форма детали (концентрация напряжений), масштабный фак­ тор, технология обработки детали и сборки ее в узел и

условия эксплуатации детали.

При статическом нагружении деталей • влияние этих

факторов ничтожно и поэтому в прочностных расчетах оно обычно не учитывается .* Конструктор в этих слу­ чаях исходит только из тех характеристик,, которые по­ лучаются при обычных статических испытаниях.

лами выносливости деталей и стати­ ческим пределом прочности [3]

В случае расчета и конструирования деталей, подвер­ женных циклическим нагружениям, такое решение ока­ зывается недостаточным, на что, в частности, указывает

тываться и при статическом нагружении, рассматриваются в п. а)

настоящего параграфа.

46

прочности (выносливости) многих деталей составляют

лишь 10—20% от предела статической прочности. По­ этому конструктора в этом случае будут интересовать

прежде всего те показатели, которые характеризуют не статическую прочность металла, а его выносливость,

Рис. 24. Соотношения между пределами выносливости образцов и натурных деталей [3]

Однако, как показывают экспериментальные иссле­ дования и опыт эксплуатации машин, знание и учет од­ ного только предела выносливости металла тоже не от­ ражает действительной сопротивляемости детали уста­ лостному разрушению. Соотношение между пределами

выносливости, приведенные на рис. 24, показывают, что лучше всего сопротивляемость деталей усталостному разрушению характеризуется пределами выносливости образцов с надрезом, так как величины их наиболее близки к величинам пределов выносливости деталей.

Различие между пределом выносливости металла и

пределом выносливости натурных деталей обусловлено

влиянием указанных выше факторов на выносливость деталей. И если это различие оказывается большим, то

при расчетах деталей на выносливость его нельзя не учитывать. Кроме того, изучение вопроса о влиянии различных факторов на выносливость деталей позволяет

уяснить пути и способы ее повышения.

а) Влияние формы детали на ее предел выносливости

Большинство деталей машин имеет форму, отличную от формы цилиндрического образца, испытываемого в лаборатории. Так, деталь может иметь отверстия, вы­

47

точки, резьбу, канавки для смазки, шпоночные канавки, шлицы, и т. п.

В этих местах, где встречается изменение формы де­ тали, за счет этого изменения создается концентрация напряжений. В результате мест­ ные напряжения достигают вели­ чин, больших предела, .упруго­ сти, и приводят к образованию микроскопических сдвигов, хотя

■среднее напряжение при этом еще и не достигло предела упру­ гости. Поэтому усталостные раз­ рушения почти всегда начина­

Рис. 26. Концентрация напряжений: а—при растя­ жении стержня с выточкой, б—при изгибе ступен­ чатого стержня

48

ние, общее и для пластичных, и для хрупких материалов,

является следствием различных причин.

В случае деталей из пластичных материалов в ме­ стах концентрации напряжений наступает текучесть, что ведет к выравниванию напряжений по ослабленному се­ чению, и концентрация их в итоге может не учитываться.

Хрупкие материалы неоднородной структуры (напри­

мер, чугуны) при статическом нагружении также нечув­ ствительны к местным напряжениям, но объясняется этот факт следующей причиной: эти материалы имеют много структурных концентраторов напряжений (а ви­ де включений графита), а поэтому дополнительные мест­ ные напряжения, вызванные конструктивными концентраторами, не являются существенными.

Только для материалов с малой пластичностью (вы­ сокопрочные стали с 130 кг/мм\ стали после за­

калки и низкого отпуска, стали при низких температу­ рах) концентрация напряжений, вызванная изменением формы детали, понижает их прочность.

При действии циклических нагружений концентрация напряжений в большинстве случаев понижает прочность деталей. И только в случае хрупких неоднородных ма­ териалов форма детали мало влияет на циклическую прочность (как и на статическую).

В количественном отношении разупрочняющее влия­ ние фактора формы при переменных напряжениях оце­

нивается величиной эффективного коэффициента концен-

.трации

где — предел выносливости гладкого образца при симметричном цикле,

*о j — предел выносливости такого же образца ,* но

имеющего тот или другой концентратор напряжений.

При одной и той же форме детали в огромном боль­

шинстве случаев >а. В то же время коэффициент Р

* Площадь сечения этого образца в месте ослабления равна площади сечения гладкого образца.

50