Л е к ц и я 8 Прочность при напряжениях, циклически изменяющихся во времени

Понятие об усталостной прочности. Параметры и виды циклов переменных напряжений. Кривая Вёллера. Предел выносливости. Диаграмма предельных амплитуд. Факторы, влияющие на предел выносливости. Определение запаса усталостной прочности. Практические меры повышения сопротивления усталости

Понятие об усталостной прочности

Многие детали машин за время своей службы подвергаются действию переменных нагрузок, т. е. нагрузок, изменяющих с течением времени свои величину и (или) направление. В результате в них действуют переменные напряжения. Переменные напряжения могут возникать и при действии постоянных нагрузках из-за движения самой детали. Например, ось вагона, работающая на изгиб и вращающаяся вместе с колесами. В результате вращения продольные волокна оси оказываются то в растянутой зоне, то в сжатой зоне поперечного сечения. Поэтому в оси действуют циклически изменяющиеся знакопеременные напряжения, хотя внешние силы сохраняют свои значение и направление действия.

Как показывает опыт, при переменных напряжениях разрушение материала происходит при напряжениях, значительно меньших предельных напряжений при постоянной нагрузке. Причиной этого является неоднородность материала, т.е. наличие внутренних(внутренние трещины, шлаковые включения и т. п.)и внешних(царапины, следы от резца илишлифовального камня и т. п.) дефектов, вызывающих концентрацию напряжений При статическом нагружении наличие дефектов не приводит к разрушению, так как в местах большей концентрации напряжений происходит микропластическая деформация, которая выравнивает напряжения. При переменных же напряжениях такие пластические деформации приводят к появлению микротрещин, называемыми усталостными трещинами.

Термин «усталость» обязан своим происхождением ошибочному предположению первых исследователей этого явления о том, что под действием переменных напряжений изменяется структура металла. На самом деле структура металла не меняется, При повторных нагрузках и разгрузках в окрестности точек с пониженной прочностью появляется наклеп и повышается хрупкость материала. При большом числе повторений нагрузки способность материала к упрочению исчерпывается и возникает микротрещина на одной из плоскостей скольжения кристаллитов. Возникшая трещина сама становится сильным концентратором напряжений и с учетом увеличивающегося ослабления сечения становится местом окончательного разрушения (долома). В месте разрушения, видны две зоны: зона с гладкой, притертой поверхностью (зона постепенного развития усталостной трещины) и зона долома с шероховатой поверхностью.

Процесс постепенного накопления повреждений материала под действием переменных напряжений, приводящий к изменению свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а способность материала сопротивляться действию переменных напряжений – выносливостью. Расчет при переменных напряжениях называется расчетом на выносливость или усталостную прочность.

В общем случае нагрузки и напряжения могут изменяться во времени по очень сложным законам, иметь установившийся и неустановившийся режимы. При неустановившемся режиме закон изменения напряжений по времени может быть любым. При установившемся режиме изменение напряжений во времени носит периодический (повторяющийся) характер, т. е. через определенный промежуток времени (период) происходит точное повторение напряжений.

Совокупность последовательных значений напряжений за один период их изменения называют циклом напряжений. Как показывают исследования, влияние формы кривой изменения напряжений на сопротивление усталости невелико, а решающую роль играют параметры цикла.