Источник теоретического материала 1.6.1.5 / Лекции 6 семестр / Лекция 8

Лекция № 8 –2ч.

Общие положения расчёта ГПМ. Сопротивление усталости. Циклы напряжений, пределы выносливости. Ограниченная долговечность.

План лекции.

1. Сопротивление усталости.

2. Циклы напряжений, пределы выносливости.

3. Ограниченная долговечность.

1) В ГПМ практически все детали, узлы и элементы металлоконструкции испытывают циклические нагрузки с большей или меньшей частотой и амплитудой.

2) Детали, подвергающиеся длительной поворотно-переменной нагрузке, разрушаются или напряжениях значительно меньших предела прочности или статическом нагружении.

3) Около 80% поломок и аварий вызвано усталостными явлениями, поэтому эта проблема являются ключевой для повышения надёжности ГПМ.

Число циклов нагрузок, которые материал выдерживает до разрушения, зависит от Gmaх и Gmin (Gmax-Gmin).

При уменьшении Gmax число циклов до разрушения увеличивается и при некотором значении (предел выносливости) становится неограниченно большим (10⁶ циклов).

Предел выносливости (Gr) кладут в основу расчета дейстий циклических нагружениях.

Предел выносливости определяют экспериментально построением кривых усталости

Рис.1. Удельные показатели прочности.

Участок Gb-Gr (Gr принимается ориентировочно) делится на несколько отрезков и для каждого значения G1,G2,G3… испытывается образец до разрушения, определяя N1,N2 и N=10.

Кривые утсалости строят в координатах G-N рис.1а , полулогарифмических рис.2.

Наиболее удобные кривые в пеолулогарифмических координатах

Рис.2. Диаграммы усталости

Примечание: 1) Предел выносливости конструкционных сталей определяют при 10⁶ –10⁷ циклов.

2) Для цветных металлов и сплавов – 10⁷-10⁸ (принимают условно, т.к. практически для них его не существует).

В таких случаях определяют предел ограниченной выносливости.

3) Не существует также чётко выраженных Gr при контактных напряжениях, циклическом нагружении в условиях повышенных температур , при работе деталей в карозионных средах и деталях большого размера (неоднородность механических свойств).

Обычно испытания проводят при симметричном цикле (наиболее опасном), у которого амплитуда напряжений Gа наибольшая, а Gr наименьшая (см.рис.3)

Рис.3 Диаграммы усталости.

Примечание: 1) При r<0.6-1.0 пределы выносливости Gr=const

2.Факторы, влияющие на предел выносливости детали.

Циклы напряжений.

Различают:

1)Симметричный цикл. (а)

2)Нулевой (пульсирующий) (б)

3)Асимметричный знакопостоянный

4)асимметричный знакопеременный.

5)Сложные

Рисунок 4. Характеристики циклов.

Характеристики циклов:

1)Период цикла-продолжительность одного цикла (время).

2)Частота цикла-число циклов в единицу времени

3)Gmax-максимальные напряжения

4)Gmin-минимальное напряжение

5)Gm=(Gmax+Gmin)/2-среднее напряжение

6)Ga=(Gmax-Gmin)/2-амплитуда

7)r=Gmin/Gmax-коэффициент асимметрии (с учетом знаков)

Обозначение

1)G- 1 -предел выносливости при симметричном цикле

2)G0-предел выносливости при пульсирующем цикле.

3)G-0,3 –и т.д

3.Ограниченная долговечность.

Нисходящяя ветвь кривой усталости АВ соответствует области ограниченной долговечности, по которой можно определять долговечность в циклах для деталей, нагруженных напряжениями >Gr.(рис.5)

Рис.5. Определение показателя кривой усталости.

Внимание: 1.G0=G0,2-условия текучести при е=0,2 2.При N<10³- область статического нагружения.

Для произвольных точек 1и2 (рис.1) имеем:( 1 ) или ( а) далее потенцируя находим (2 ) где m=ctg-показатель степени кривой усталости.

Используя известные величины (рис.5) кривой усталости можно получить:N1 – N 0; G1 – G 0,2; N2 – Nr ; G2 – Gr ( 2 )

Примечание: 1) Значения m колеблются в значительных пределах в зависимости от свойств материала (см.1) формы детали и коэффициента асимметрии цикла:

а)Гладкие образцы m=8-15

б)Образцы с концентрированным напряжением m=3-8

2)Величина m может служить в известной мере мерилом сопротивления усталости. Чем меньше m – круче наклон ( больше угол &) кривой усталости тем меньше долговечность деталей при напряжениях > Gr и как правило, меньше величина Gr.

3)На ограниченную долговечность рассчитывают детали, изготовленные из материалов, обладающих отчётливо выраженным пределом выносливости или имеющие крутопадающую кривую усталости:

а) концентрационно-чувствительные материалы;

б) детали с большими габаритами;

в) детали машин и механизмов, работающие с низкой частотой циклов;

г) машины у которых периоды работы чередуются с длительными перерывами ( малоцикловое на заужение до N=10⁴ циклов ГПМ и др. машины периодического действия)

4)Предел выносливости не является постоянной, присущей данному материалу характеристикой и подвержена гораздо большему колебанию, чем механические характеристики при статическом нагружении. Они зависят от:

Условий нагружения ( цикл нагружения).

Формы и размеров детали.

Технологии изготовления детали.

Состояния поверхности и др.

Таким образом, при испытании на выносливость стандартных образцов определяется собственно не предел выносливости материала, а предел выносливости образца.

5)Максимальное напряжение в блоке;

6)Частота блоков (степень периодичности нагружения);

7)Частотность циклов напряжений в пределах блока. Совокупность этих параметров называется сиентром нагружения. Простейшие сиентры нагружения представлены на рис.2.

Рис.2 а - нулевой; б симметричный; в - асимметричный знакопеременный; г-чередование циклических и статических нагрузок.

При испытаниях не нестационарных решений задаются спектором напряжения на основе вероятных или фактических эксплуатационных режимов испытания проводят При некотором доминирующем факторе ( нагрузка).

В результате испытания получают сетку вторичных кривых усталости, смещённых по отношению к первичной кривой (стационарный режим нагружения).

В зависимости от перегрузок и длительности их действия, вида цикла, степень периодичности, размеров образца и других факторов переменные нагрузки могут действовать упрочняюще или разупрочняюще. Смещение вторичных кривых вверх и вправо по отношению к первичной кривой свидетельствует об упрочнении материала и увеличении срока службы в пределах ограниченной долговечности. Обратные смещения свидетельствуют о разрушении материала и сокращении ограниченной долговечности (рис.3).

1-первичная кривая 2- упрочнение 3-разупрочнен перегрузки ( 20-50)*10³ циклов перегрузки с G>(15-30%)

Установлено, что кратковременные перегрузки ( 20-50)*10³ циклов перегрузки с G>(15-30%)Gm заметно повышают исходный предел выносливости.

При увеличении степени перегрузки и продолжении её действия предел выносливости падает.

Внимание: Повышение циклической прочности при нестационарной режимной нагрузке в большинстве случаев обусловлено снижение средней амплитуды напряжений. Предел выносливости детали.

Gr _обр.- предел выносливости гладкого стандартного образца К1- коэффициент качества обработки поверхности К2- коэффициент воздействия коррозии К3- коэффициент, учитывающий повреждения поверхности при эксплуатации в результате износа К4- коэффициент, учитывающий частотность цикла К5- коэффициент динамичности нагрузки К6- коэффициент, учитывающий температуру К7- коэффициент неоднородности материала и рассеивания характеристик прочности К8- коэффициент спектра нагрузки Ек- размерный коэффициент Кэ- эффективный коэффициент концентрации напряжения на участке максимального ослабления.

Внимание: 1) К, Ек и Кэ- определяется по эксплутационным данным (см. табл.) К8- по данным испытаний при заданном спектре К4-К6- влияние незначительно. Остальные неопределённости учитывают коэффициентом запаса равным 1,3-1,8

2)Более достоверным является путь нарных испытаний детали на режиме более полно отражающем реальность

При этом непосредственно учитываются конструкционные особенности.