книги / Усталость металлов

Влияние шпоночного паза на сопротивление усталости валов [560] (детали шпоночного паза показаны на рис. 140)

Предел усталости в кГ/мм*

650° С

Поперечные отверстия в валах часто необходимы для смазки. Концентрация напряжения, вызываемая отверстием, обычно зна­ чительно больше, чем буртом или галтелью хорошо сконструиро-

Рис. 140. Усталостные образцы со шпонками [560]:

а — клиновая шпонка; б — вкладная шпонка

ванного вала (рис. 141), и поэтому, если возможно, не следует размещать отверстия в местах высокого переменного напряже­ ния. Острые края отверстия следует затупить шариком, что одно­ временно обеспечивает поверхностное упрочнение краев отвер­ стий. Особенно сильно понижает предел усталости напрессовка такой детали, как маховик или втулка, что можно объяснить ли­ бо возникающим резким изменением сечения, либо коррозией трения, вызываемой относительным смещением вала и напрессо­ ванной детали.

Этот вопрос исследовался Хорджером [419, 420] на валах большого диаметра и некоторые результаты приведены в табл. 72. Было показано, что разрушения иногда происходят после боль-

270

Т а б л и ц а 72 Сопротивление усталости соединений с прессовыми посадками [419, 420]. Испытания при изгибе с вращением стальных валов диаметром 241,3 мм с прессовой посадкой на длине 177,8 мм

размеров. Эти авторы нашли, что предел усталости при круче­ нии модели шатунной шейки диаметром 40 мм был вдвое выше

Рис. 142. Влияние увеличения диаметра посадочного места под колесо на ограниченный предел усталости вала (85-106 циклов) [419]:

1 — по разрушению; 2 — по образованию трещины

предела усталости натурного коленчатого вала, имеющего ша­ тунную шейку диаметром 245 мм, причем в обоих случаях ис­ пользовался один и тот же материал.

272

Сопротивление усталости коленчатых валов

рядом исследователей (табл. 74). Испытывались трубы внутрен­ ним диаметром 25,4 мм и наружным диаметром 27,94 мм. Можно видеть, что результаты в первую очередь зависят от величины максимального касательного напряжения и что на этом основа­ нии результаты испытаний при внутреннем давлении хорошо со­ гласуются с результатами, полученными при осевом растяжении без внутреннего давления. Испытания на усталость толстых ци­ линдров под действием пульсирующего внутреннего давления проводились Моррисоном и др. [118]; диаметр отверстия цилинд­ ров составлял 25,4 мм, толщина стенки 25—25,4 мм. Было пока­ зано, что сопротивление (табл. 75) определяется величиной мак­

го напряжения равняется У3овр для сталей и У4авр для алюмини­ евого сплава.

■ "Максимальное касательное напряжение в отверстии равно -----—, где р —внутрен-

(**- О

нее давление, а к — отношение наружного диаметра к внутреннему.

Эти зависимости можно использовать как ориентировочные при проектировании, но следует отметить, что при сравнении с результатами испытаний сплошных образцов на кручение предел

усталости толстостенных цилиндров составляет только около по­ ловины ожидаемых значений (см. табл. 75), а Моррисон показал, по крайней мере для стали Vibrac, что это можно частично от­ нести к вредному влиянию масла, применяемого при испытаниях. Фрост [677] отметил, что это можно объяснить, если предел уста­ лости цилиндра под действием пульсирующего давления опреде­ ляется напряжением, достаточным для распространения мелень­ ких поверхностных микротрещин. Трещины распространяются в направлении, перпендикулярном к окружному напряжению, и номинальное напряжение, заставляющее трещины раскрываться, представляет сумму касательного напряжения и внутреннего дав­ ления в трещине. Если р — внутреннее давление, a k — отноше­ ние наружного диаметра цилиндра к внутреннему, то сумма ок­

и будет равна удвоенному максимальному касательному напря­ жению на контуре отверстия т.

Трубопроводы и их детали. Усталостные разрушения могут происходить в системах трубопроводов в результате повторного термического расширения, пульсирующего внутреннего давле­ ния или вибрации, либо сочетания этих факторов. Усталость де­ талей трубопроводов была исследована Меклом [566, 567], кото­ рый вывел эмпирические зависимости для расчета. Он нашел, что результаты большинства испытаний на изгиб прямых и искрив­ ленных трубопроводов и различных деталей трубопроводов при­ близительно соответствуют такой зависимости:

зависимостям для упругого изгиба а = M/W; N — число циклов до разрушения;

С — постоянная.

Уравнение справедливо для значений N между 100 и 10е цик­ лов. Результаты испытаний гладкого трубопровода и трубопрово­

276

возникает в кольцевом направлении, и усталостные трещины обычно распространяются вдоль оси.

Возможность разрушений в результате повторных термических напряжений также рассматривалась Мерклом [567]. В боль­ шинстве случаев допускаемые напряжения растяжения опреде­ ляются статической и длительной прочностью материалов труб и это обеспечивает соответствующий запас против термической усталости, но если число термических циклов превышает 7000 (соответствует 1 циклу в день приблизительно в течение 20 лет), то рекомендуется ввести дополнительный коэффициент запаса прочности.

Котлы под давлением. В прошлом конструирование котлов под давлением основывалось на пределе прочности при растяже­ нии, но в последнее время, учитывая увеличение принимаемых на­ пряжений, признается возможность усталостного разрушения. Было установлено, что разрушение может происходить при дав­ лении ниже начального испытательного давления, если котел на­ гружался и разгружался достаточно часто. Для большинства практических случаев число таких нагружений вероятно не пре­ вышает 105 и часто не больше 103 или 104. При таких относитель­ но малых числах циклов могут возникать значительные повтор­ ные пластические деформации и это особенно существенно в зо­ нах концентрации напряжения, так как эти зоны определяют со­ противление котла усталостному разрушению. Сопротивление ста­ лей повторной деформации рассматривалось в гл. III, где было показано, что при числе циклов 103— 104 все стали имеют при­ близительно одни и те же усталостные характеристики, выра­ женные в деформациях. При этом нет каких-либо преимуществ в применении высокопрочной стали.

Исчерпывающее исследование сопротивления усталости мате­ риалов для котлов под давлением было предпринято в США, включая испытания при повторной деформации гладких стерж­ ней и надрезанных пластин и испытания модели котла при пуль­ сирующем давлении. Результаты были обобщены Куистрой [170]. Наиболее сильным источником концентрации явился выходной патрубок, и по сравнению с данными для гладких образцов раз­ мах деформации для данной долговечности понизился в зоне патрубка приблизительно в 4 раза. При отсутствии данных по натурным котлам под давлением следует принимать, что размах деформации для данной долговечности будет снижен на коэффи­ циент, равный максимальному коэффициенту концентрации на­ пряжения в упругом случае.

Детали подъемных механизмов. Гаф, Кокс и Сопвитс [569] рассматривали конструкции деталей подъемных механизмов и привели результаты усталостных испытаний крюков и коушей, проведенных для определения безопасных рабочих нагрузок, а также экспериментального анализа их напряженности.

278

Из табл. 77 видно, что нагрузка, соответствующая пределу усталости, выше рабочей нагрузки, хотя запас прочности по усталости для подвесных крюков составляет только 1,2. Тем не менее, авторы пришли к выводу, что усталостные разрушения в рабочих условиях были, вероятно, связаны с другими причи­ нами, посколько обычно эти детали подвергались действию ма­ лого числа циклов. Возможно, однако, что применение деталей подъемных механизмов из высокопрочных сталей, работающих при высоких нагрузках, вызовет необходимость пересмотра ра­ счета на усталость.

Рельсы. Усталостное разрушение рельсов и бандажей колес является важным вопросом, имеющим непосредственное отно­ шение к железнодорожной технике [559, 570, 571].

Образованию трещин способствовал поглощенный водород и теперь это почти полностью устраняется контролем условий охлаждения рельсов после прокатки. Разрушение головок рель­ сов или бандажей колес может также происходить при выкраши­ ваниях; это связано с высоким напряжением среза под поверхно­ стью и подобно разрушению подшипников качения и зубьев зуб­ чатых колес. Усталостные трещины часто появляются в ножках рельсов, особенно, если местные условия благоприятствуют кор­ розии. Если используются соединения накладками, эти трещины обычно распространяются от болтовых отверстий; в этом случае значительно увеличить сопротивление усталости можно примене­ нием стыковой сварки.

Было исследовано сопротивление усталости рельсов из сред­ немарганцевой стали с пределом прочности на растяжение около 78,5 кГ/мм2 [669]. Предел усталости при переменном напряжении гладкого нового рельса составлял около 15,7 кГ/мм2 и снижался до И или 12,6 кГ/мм2, если рельс был сначала подвергнут воз­

279