2.8.2. Циклическая прочность

При эксплуатации в условиях длительного воздействия циклических нагрузок в материале изделий развивается структурный процесс, который носит название усталость.

Усталость – процесс постепенного накопления повреждений материала (изделия) под действием многократных, знакопеременных нагрузок, производимых с высокой частотой, приводящий к изменению структуры, свойств и разрушению.

Способность материала сопротивляться усталости носит различные названия: циклическая прочность, усталостная прочность, выносливость.

Циклическая прочность определяет работоспособность большинства групп ответственных деталей машин – валов, шатунов, штоков, валов-шестерен и др.

Основной характеристикой усталостной прочности является предел выносливости σ_-1 .

Между характеристиками циклической и статической прочности существует связь, определяемая коэффициентом выносливости: k_в = σ_-1/ σ_т. В связи с этим повышение уровня статической прочности вызывает и повышение циклической прочности. Так, для сталей коэффициент k_в для углеродистых легированных сталей составляет примерно 0,5 (при _в до 1200 МПа).

Факторы, влияющие на предел выносливости

Для обеспечения выносливости необходимо управлять различными факторами при конструировании изделия, получении материала и изготовлении изделия, а также при его эксплуатации:

– на этапе конструирования изделия – уменьшение его размеров, количества и остроты концентраторов напряжений;

– на этапе выплавки сплава – повышение качества металла: уменьшении количества пор и неметаллических включений, а также уменьшение размера зерна;

– на этапе механической обработки изделия – уменьшение шероховатости поверхности;

– на этапе термообработки изделия – повышение прочности материала и уменьшение размера зерна;

– при химико-термической обработке (цементации, азотировании, нитроцементации), при поверхностной пластической деформации – создание напряжения сжатия на поверхности;

– на этапе эксплуатации – снижение активности внешней среды, в которой работают изделия.

Обобщенное влияние различных конструктивно-технологических факто­ров на предел выносливости материала можно выразить зависимостью:

где: σ_в – временное сопротивление разрыву; HRC^пов – твердость поверхности; σ_сж^ост – напряжения сжатия на поверхности; d_зерна – размер зерна в сплаве; n_деф – количество металлургических дефектов.

Обобщенное влияние различных факторов на усталостную прочность изделия можно выразить зависимостью:

Усталостная прочность изделия = f (1/ d_детали, n_конц, Rz),

где d_детали – размер детали; n_конц – количество концентраторов напряжений;

R_z – шероховатость поверхности.

Особенно важно применять поверхностное упрочнение для повышения предела выносливости на таких деталях, как валы, оси, зубчатые колеса, работающие на изгиб и кручение, так как при таких способах нагружения вследствие неравномерного распределения напряжений по сечению максимальная их величина приходится на поверхностные слои, где и начинается зарождение трещины усталости.