15.3 Основні фактори, які впливають на втомну міцність

Експериментальні дослідження показують, що на втомну міцність суттєво впливають такі фактори: концентрація напружень, розміри деталі і стан її по­верхні.

Концентрація напружень. Зниження границі витривалості за рахунок тих чи інших концентраторів напружень (виточки, отвори, шпонкові канавки) вра­ховується ефективним коефіцієнтом концентрації напружень, які позначаються к_σ або к_τ (залежно від виду напружень).

Ефективний коефіцієнт концентрації напружень знаходять як відношення границі витривалості зразка без концентратора напружень до границі витрива­лості такого ж зразка, але з концентратором напружень

. (15.6)

Н відміну від теоретичного коефіцієнта концентрації напружень, які зале­жать тільки від форми (геометрії) деталі, ефективний коефіцієнт залежить також і від властивостей матеріалу деталі — чим менш пластичний матеріал, тим він чутливіший до концентрації напружень. Ефективний коефіцієнт визначають експериментально, але в деяких випадках за відсутності експериментальних да­них його визначають через теоретичний коефіцієнт a_kσ за формулою

, (15.7)

де д — коефіцієнт чутливості матеріалу, який визначається експериментально. Для сталей при симетричному циклі він набуває значень в межах 0,5-0,9.

При відсутності експериментальних і теоретичних даних величину k_σ визначають наближено за емпіричними формулами

(15.8)

(15.9)

де границя міцності σ_мц визначається в МПа. Формули (15.8), (15.9) використовується відповідно при відсутності або наявності гострих концентраторів напружень.

Вплив розмірів деталі. Міцність при циклічній дії напружень значною мірою залежить також від розмірів деталі. Збільшення розмірів підвищує наявність різного роду дефектів, що сприяють утворенню і розвиткові втомних тріщин. Вплив розмірів деталі враховується масштабним коефіцієнтом β_М, який дорівнює відношенню границі витривалості стандартного зразка діаметром 7-10 мм до границі витривалості геометрично подібної деталі більших розмірів

. (15.10)

Вплив стану поверхні. Тріщини при повторно-змінних напруженнях починаються, як правило, з поверхні деталі. Тому стан поверхневого шару суттєво впливає на міцність деталі. Риски від механічної обробки, пошкоджен­ня поверхні і т.п. відіграють роль концентратора напружень і можуть суттєво І зменшити границю витривалості.

Вплив стану і якості поверхні деталі на величину границі витривалості враховується коефіцієнтом якості поверхні β_П. Цей коефіцієнт дорівнює відношенню границі витривалості зразка з полірованою поверхнею до границі ви­тривалості такого ж зразка з заданим станом поверхні

(15.11)

Для зниження β_П використовують обкатку поверхні деталі роликами або обдуванню дробом. Значного ефекту можна також досягти шляхом гартування струмами високої частоти.

Сумісний вплив концентрації напружень, масштабного ефекту і стану поверхні оцінюють коефіцієнтом K_σд (K_τд)який дорівнює добутку трьох вказаних вище коефіцієнтів

. (15.12)

Коефіцієнт ( ) називається загальним коефіцієнтом знижені границі витривалості при симетричному циклі.

Таким чином, границя витривалості деталі при симетричному циклі ( ) залежить від границі витривалості ( ) матеріалу, з якого виготовлено деталь) визначається формулою

(15.13)

Аналогічно у випадку дотичних напружень

(15.14)

ЛЕКЦІЯ 7. ОБ'ЄМНИЙ НАПРУЖЕНИЙ СТАН 30