5.4.2. Влияние абсолютных размеров детали (масштабный фактор)

Экспериментально установлено, что с увеличением абсолютных размеров деталей их усталостная прочность снижается (масштабный эффект). Так, например, предел выносливости стали для вагонных осей, определённый в лаборатории на образцах диаметром d₀ = 7,5 мм, равен σ_-1 = 23 кН/см². В действительности, предел выносливости вагонной оси (детали) с диаметром d = 170 мм составляет σ_-1d = 12 кН/см², что почти вдвое меньше лабораторных результатов.

До настоящего времени этому фактору нет полного объяснения. Наиболее достоверно масштабный эффект объясняется статистической теорией усталости, в соответствии с которой при увеличении абсолютных размеров возрастает вероятность попадания дефектных зёрен материала в зону повышенных напряжений. Существуют и другие причины, способствующие проявлению масштабного эффекта: меньшая однородность материала в деталях больших размеров, трудность обеспечения стабильности технологического процесса.

Масштабный эффект оценивают с помощью коэффициента

. (5.16)

где σ_-1d – предел выносливости детали диаметром d;

σ_-1 – предел выносливости материала, определяемый на стандартных образцах, обычно диаметром d₀ = 7  10 мм.

В табл.5.1 приведены значения масштабного коэффициента K_dσ для некоторых сталей. При этом можно считать K_dσ = K_dτ.

Таблица 5.1

Материал	d, мм
	10	20	30	40	50	70	100	120
Углеродистая сталь с пределом прочности σПЧ = 40  50 кН/см2	0,98	0,92	0,88	0,85	0,82	0,76	0,70	0,63
Углеродистая и легированная сталь σПЧ = 50  80 кН/см2	0,97	0,89	0,85	0,81	0,78	0,73	0,68	0,61
Легированная сталь σПЧ = 80  120 кН/см2	0,95	0,86	0,81	0,77	0,74	0,69	0,65	0,59
Легированная сталь σПЧ = 120  140 кН/см2	0,94	0,83	0,77	0,73	0,70	0,66	0,62	0,57

5.4.3. Влияние состояния поверхности

В большинстве случаев поверхностные слои деталей, подверженных действию циклических нагрузок, оказываются более напряжёнными, чем внутренние (в частности, это имеет место при изгибе и кручении). Кроме того, поверхность детали почти всегда имеет много дефектов, связанных с качеством механической обработки, а также с коррозией вследствие воздействия окружающей среды. Поэтому усталостные трещины, как правило, начинаются с поверхности, а плохое качество последней приводит к снижению сопротивления усталости.

Влияние состояния поверхности на выносливость оценивается коэффициентом, который равен:

. (5.17)

где σ_-1П – предел выносливости образца с заданным состоянием поверхности;

σ_-1– предел выносливости полированного образца.

Зависимость коэффициента от предела прочности стали для разных видов обработки и при наличии коррозии приведена на рис.5.11, где кривая 1соответствует полированным образцам,2– шлифованным,3– образцам с тонкой обточкой,4– с грубой обработкой,5– необработанным с наличием окалины,6– образцам в пресной воде,7– в морской воде или в пресной с концентрацией напряжений.

Кривые 6и7на рис.5.11 показывают, сколь существенно влияние коррозии на усталостную прочность. Необходимо отметить, что с увеличением времени наработки в коррозионной среде сопротивление усталости непрерывно падает. Это объясняется возникновением и развитием коррозионных микротрещин, которые становятся дополнительными источниками концентрации напряжения.

В соединениях, осуществляемых с помощью прочных посадок (прессовых, фланцевых, замковых и т.п.), при воздействии переменных напряжений возникают микросмещения, приводящие к разрушению поверхностного слоя, – это явление называется фреттинг–коррозией. При наличии фреттинг–коррозии К_F = 0,4  0,6 для деталей из среднеуглеродистых легированных сталей.

Рис.5.11

Одним из эффективных способов увеличения выносливости деталей является упрочнение поверхности - повышение твёрдости, создание сжимающих напряжений. При этом эффект поверхностного упрочнения характеризуется коэффициентом К_υ. В табл.5.2 приведены значения К_υ для различных упрочняющих технологий.

Таблица 5.2

Способ упрочнения	Кυ для детали
	с концентрацией напряжений	без концентрации напряжений
Пластическое деформирование (наклеп) с помощью обдувки дробью, обкатки роликом, алмазного выглаживания и т. п.	1,3  2,2	1,1  1,4
Химико-термическая обработка – цементация, азотирование, цианирование	1,3  2,5	1,1  1,3
Закалка токами высокой частоты	1,2  2,5	1,1  1,2
Специальная термическая обработка – умеренный нагрев и быстрое охлаждение поверхности	1,6  2,5	1,2  1,5

Остальные факторы, перечисленные в начале п.5.4, влияют на выносливость значительно меньше.

Влияние пауз. На усталостную прочность имеют влияние паузы - перерывы в нагружении. Число циклов до разрушения может увеличиваться на 15  20%. Увеличение тем больше, чем чаще паузы и чем они длиннее.

Влияние температуры. С повышением температуры предел выносливости обычно падает (после 300⁰С примерно на 15  20% на каждые 100⁰), а с понижением её – растёт (вдвое при охлаждении до –190⁰ С).

Частота нагружения. Увеличение частоты нагружения приводит к некоторому повышению усталостной прочности. По опытным данным увеличение частоты от 30  50 до 1000 Гц приводит к повышению предела выносливости на 1020%. Снижение частоты нагружения с 30  50 до 0,13 Гц приводит к такому же уменьшению предела выносливости.