4. Концентрация напряжений
Циклическая прочность деталей сильно падает на участках ослаблений, резких переходов, входящих углов, надрезов и т. п., вызывающих местную концентрацию напряжений, максимум которых может в 2 —5 и более раз превышать средний уровень напряжений, действующих в этом сечении.
Так как интенсивность первичных усталостных повреждений определяется скоростью диффузии вакансий, а последняя пропорциональна действующим напряжениям, то на участках концентрации напряжений ускоренно возникают разрыхления металла, предшествующие образованию усталостных трещин. Вследствие этого усталостные повреждения в зонах концентрации напряжений опережают повреждения в остальных участках детали.
Степень повышения напряжения зависит в первую очередь от вида и формы ослабления. Чем больше перепад сечений на участке перехода и чем резче переходы и острее подрезы, тем выше местное максимальное напряжение 1 (рис. 4). Ниже приведена упрощенная схема возникновения концентрации напряжений, основанная на явлении искажения силового потока в зоне ослаблений. Не отражая всей сложности явлений, схема наглядно и достаточно верно представляет картину концентрации напряжений и позволяет сделать определенные практические выводы.
Рис. 6. Схемы концентрации напряжений.
РАЗМЕРНЫЙ ФАКТОР
Предел выносливости геометрически подобных деталей снижается с увеличением их абсолютных размеров. Влияние размеров характеризуют размерным коэффициентом ЕК (иначе — коэффициент масштабного фактора), представляющим собой отношение предела выносливости образца данных размеров к пределу выносливости лабораторного образца малых размеров из того же материала:
Средние значения ЕК для конструкционных сталей приведены на рис. . Циклическая прочность резко снижается в интервале размеров до 100—120 мм, после чего снижение замедляется.
Рис. 7. Влияние размеров на циклическую прочность
(брус с поперечным отверстием):
а — эффективный коэффициент концентрации напряжений в функции ширины бруса, б и в — коэффициенты С и q чувствительности к концентрации напряжений в функции диаметра d отверстия: 1 - d/B = 0,125, 2-d/B = 0,5 (Бух, Ландерс и Филлипс)
Статистическая теория объясняет это явление повышением вероятности образования внутренних дефектов при увеличении размеров детали. Технологическая школа выдвигает на первый план затруднительность получения однородной структуры и равномерной прочности по сечению крупных деталей, например при горячем пластическом деформировании и термообработке.
Установлено, что с увеличением размеров детали концентрация напряжений и чувствительность к концентрации повышаются (рис.7) Причину этого явления можно определить из картины силового потока в ступенчатой детали, подвергающейся растяжению (рис 8, а). Если размеры детали увеличить с сохранением полного геометрического подобия (рис. 8,6), то при равенстве напряжений (одинаковой густоте силовых линий) течение силовых линий меняется: в зоне уступов дета ли больших размеров силовые линии искривляются гораздо резче, чем в малой детали, что свидетельствует о повышении градиента напряжений.
Рис. 8. Силовой поток в ступенчатой детали
СОСТОЯНИЕ ПОВЕРХНОСТИ
Циклическая прочность зависит от состояния поверхности, особенно в тех случаях на-гружения, когда наибольшие напряжения возникают в поверхностных слоях (изгиб, кручение, сложные напряженные состояния).
Грубая механическая обработка, вызывающая пластические сдвиги, надрывы и микротрещины в поверхностном слое, резко снижает предел выносливости, тонкая (полирование, суперфиниширование) — повышает. Это явление особенно резко выражено у деталей небольших размеров и слабее у крупных деталей. Последнее объясняется присущими крупным деталям неоднородностями структуры, действие которых пересиливает действие концентраторов, вызванных механической обработкой.
Предел выносливости снижается при наличии случайных царапин и повреждений поверхностного слоя, а также износа поверхности. Резкое падение циклической прочности наблюдается при коррозии.
На рис. 9 показана циклическая прочность стальных образцов при различной механической обработке в функции предела прочности. За единицу принята циклическая прочность полированного образца из стали. Влияние поверхностных несовершенств возрастает с увеличением прочности материала, что свидетельствует о повышенной чувствительности этих материалов к концентрации напряжений
Рис. 9. Влияние шероховатости поверхности на циклическую прочность
ПРОЧИЕ ФАКТОРЫ
Циклическая прочность снижается в соединениях с натягом, конусных и клеммных соединениях с высокими напряжениями смятия на посадочных поверхностях. Особенно резко падает циклическая прочность в интервале напряжений смятия до 30 - 40 МПа (рис. 10); при дальнейшем повышении давления падение прочности замедляется.
Отрицательно действуют на циклическую прочность гальванические покрытия твердыми и прочными металлами (Сг, Ni). Покрытия пластичными металлами (Си, Zn, Cd, Sn, PhM на усталостную прочность влияют мало.
Снижение циклической прочности при нанесении гальванических покрытий обусловлено главным образом водородным охрупчиванием металла детали и покрытия.
Рис. 10. Циклическая прочность в функции контактного давления
При электролитическом осаждении металл насыщается водородом и приобретает присущую металловодородным соединениям плотно упакованную гексагональную решетку. Вследствие этого в поверхностном слое возникают значительные растягивающие напряжения. Кроме того, циклическая прочность металла покрытий, как правило, меньше циклической прочности металла деталей. По всем этим причинам первичные трещины усталости возникают прежде всего в металле покрытия, откуда распространяются в глубь детали.
В покрытиях пластичными металлами существенные напряжения возникнуть не могут вследствие текучести металла.
Циклическую прочность деталей с никелевым и хромовым покрытием можно значительно повысить путем отжига при 350 - 400 °С (~ 3 ч). Наиболее эффективный способ — это уплотнение поверхностного слоя металла детали перед покрытием и особенно после покрытия. При совместном применении этих мер можно практически полностью ликвидировать ослабляющее влияние гальванического покрытия и даже повысить циклическую прочность по сравнению с исходной величиной, присущей материалу детали в не наклепанном состоянии.
Существенно снижает циклическую прочность кислотное травление, применяемое в производстве как промежуточная или подготовительная операция и вызывающее коррозионное повреждение поверхностного слоя. Для предотвращения этого явления необходимо вводить в состав травителей ингибиторы коррозии и производить обработку с применением ультразвука, предупреждающего металлом водорода.