Вплив розмірів (масштабний фактор)

Ефективність концентрації напружень пов’язана з абсолютними розмірами перерізу деталі, а саме: із збільшенням розмірів деталі при збереженні її геометричної подібності значення ефективних коефіцієнтів концентрації напружень збільшуються.

Як показують результати експериментів, при збільшенні діаметра зразка більше 30...40 мм дальше зростання ефективних коефіцієнтів концентрації практично припиняється.

Абсолютні розміри перерізів деталі, впливаючи на ефективність концентрації напружень, істотно впливають також на границю витривалості зразків без концентрації напружень. При цьому із збільшенням абсолютних розмірів перерізів границі витривалості знижуються. Відношення границі витривалості деталі розміром d до границі витривалості лабораторного зразка подібної конфігурації, що має малі розміри (d₀ = 7...10мм) називають коефіцієнтом впливу абсолютних розмірів перерізу і позначають стосовно до нормальних напружень так:

. (7.5)

Коефіцієнти впливу абсолютних розмірів перерізу можна визначити й на зразках з концентрацією напружень. У цьому разі:

, (7.6)

причому деталь розміром d та зразок малого розміру d₀ повинні бути геометрично подібні.

Рис. 7.6

Рис. 7.7

Для розрахунку елементів машин з урахуванням впливу розмірів деталі, як при наявності концентраторів напружень, так і без них, існують спеціальні графіки типу наведених на рис. 7.6 (тут шкала d - логарифмічна), побудовані на основі експериментів.

Тут крива 1 відповідає деталі з вуглецевої сталі без джерела концентрації напружень, а крива 2 - деталі з легованої сталі (σ_в = 1000... 1200 МПа) при відсутності концентрації напружень та вуглецевої сталі при наявності помірної концентрації напружень. Крива 3 відповідає деталі з легованої сталі при наявності концентрації напружень, а крива 4 - будь-якій сталі при сильному концентраторі (типу нарізки).

Зниження границь витривалості із збільшенням абсолютних розмірів деталі при крученні та згинанні пояснюється впливом градієнта напружень. Крім того, зниження границь витривалості із збільшенням абсолютних розмірів деталі можна пояснити впливом таких факторів:

1. зменшенням механічної міцності матеріалу із збільшенням діаметру заготовок;

2. зміною властивостей поверхневого шару після механічної обробки, оскільки ці зміни виявляються різними при різних розмірах деталей;

3. неоднорідністю механічних властивостей та напруженістю різних зерен у зв’язку з полікристалічною структурою металу (цей фактор, ймовірно, є головним).

Зниження міцності із зростанням розмірів особливо сильно виявляється в неоднорідних металів, наприклад у сірого чавуну: із збільшенням розміру з 5... 10 до 50мм зниження σ_в та σ_-1 для нього може досягти 60...70%.

Вплив стану поверхні.

Здебільшого поверхневі шари елемента конструкції, який зазнає дії циклічних навантажень, виявляються більш напруженими, ніж внутрішні (зокрема, це має місце при згинанні та крученні). Крім того, поверхня деталі майже завжди має дефекти, пов’язані з якістю механічної обробки, а також з корозією внаслідок впливу оточуючого середовища. Тому тріщини від втомленості, як правило, починаються з поверхні, а погана якість останньої призводить до зниження опору втомленості.

Вплив стану обробленої поверхні на втомленість оцінюється коефіцієнтом β, що дорівнює відношенню границі витривалості випробуваного зразка з певною обробкою поверхні до границі витривалості старанно полірованого зразка. Залежність коефіцієнтів β від границі міцності σ_в для різних видів обробки наведено на рис. 7.7, де крива 1 відповідає полірованим зразкам; 2 - шліфованим; 3 - зразкам з тонкою обточкою; 4 - з грубою обточкою; 5 - з окалиною. Як бачимо, границя витривалості сталевих зразків при грубій обточці знижується на 40%, а при наявності на поверхні окалини - на 70%.

Шкідливий вплив мікронерівностей поверхні здебільшого пом’якшується пластичною деформацією, що спричинюється у поверхневому шарі механічною обробкою і поширюється на деяку глибину, яка глибина залежить від режимів різання і, зокрема, від подачі. При грубій обточці вона може досягти 1мм і більше, а при шліфуванні чи поліруванні не перевищує сотих часток міліметра. Пластична деформація поверхневого шару може підвищити границю витривалості на 10...20%.

Зменшити вплив стану поверхні на границю витривалості можна відповідними технологічними методами обробки, які приводять до зміцнення поверхневих шарів. До таких методів належать: наклеп поверхневого шару накатуванням роликом, обробкою дробом тощо; хіміко-термічними методами - азотування, цементація, ціанування; термічними методами - поверхневе гартування токами високої частоти або газовим полум'ям. Зазначені методи обробки приводять до збільшення міцності поверхневого шару й утворення в ньому значних стискальних залишкових напружень, які стають на перешкоді утворенню тріщин від втомленості, а тому підвищують границю витривалості.

Вплив пауз.

На границю витривалості впливають паузи (перерви в навантажуванні. Збільшення кількості циклів тим більше, чим частіше паузи й чим вони довші (останній фактор впливає менше).

Вплив перевантажень.

При малих перевантаженнях до певної кількості циклів границя витривалості підвищується, при великих перевантаженнях після певної кількості циклів знижується.

Вплив температури.

З підвищенням температури границя витривалості, як правило, зменшується, а із зниженням її - зростає як у гладеньких зразків, так і в зразках з концентраторами.