11.5. Факторы, влияющие на усталостную прочность
11.5.1 Концентрация напряжений
Концентрацией называют явление скачкообразного увеличения напряжений вблизи резких смен формы детали, отверстий, выточек (Рис. 11.8)
Рис. 11.8
Мерой концентрации является теоретический коэффициент концентрации напряжений равный:
при растяжении,
изгибе,
при кручении,
— так называемое
номинальное напряжение, определяемое
по формулам сопротивления материалов,
—
наибольшее местное напряжение. Данные
о теоретическом коэффициенте концентрации
напряжений приводятся в справочниках
по машиностроению. Концентрация
напряжений оказывает на прочность
детали различное влияние в зависимости
от свойств материала и условий нагружения.
Поэтому вместо теоретического коэффициента
концентрации напряжения
вводят эффективный коэффициент
концентрации напряжений
и
.
Для симметричного цикла эффективный коэффициент концентрации напряжений определяют отношением
,
где
— пределы выносливости гладкого образца,
— пределы
выносливости подсчитанных по номинальным
напряжениям для образцов, имеющих
концентрацию напряжения, но такие же
размеры поперечного сечения как и у
гладкого образца.
определяют по таблицам.
В тех случаях, когда нет экспериментальных данных, по прямому определению и прибегают к приближенным оценкам. Например, по формуле
— коэффициент
чувствительности материала к концентрации
напряжений. Он зависит в основном от
материала. Для конструкционных сталей
.
11.5.2 Масштабный эффект
Если из одного и того же материала изготовить несколько образцов разного диаметра, то после испытания на усталость можно обнаружить, что предел выносливости с увеличением диаметра уменьшается. Снижение предела выносливости с увеличением размеров детали получило название масштабного эффекта.
Мерой этого понижения служит коэффициент масштабного фактора
;
,
где
— предел выносливости
образца с диаметром, как и деталь
— предел выносливости образца d=7,5мм.
На рис. 11.9 дается ориентировочная зависимость масштабного фактора от диаметра вала для случая изгиба и кручения.
Рис. 11.9
Кривая 1 получена для углеродистой стали, 2 — для легированной.
11.5.3 Влияние качества обработки поверхности
В большинстве деталей усталостное разрушение начинается с поверхности. Поэтому состояние поверхности сильно влияет как на величину предела выносливости, так и на долговечность детали.
При расчетах на усталостную прочность вводят коэффициент качества поверхности.
,
где
— предел выносливости полированного образца,
— предел выносливости
образца, обработанного также как и
деталь.
Обычно
,
т.к. детали редко полируются из-за
дороговизны.
На графиках рис. 11.10 приведены ориентировочные значения коэффициента качества поверхности различных сталей в зависимости от их предела прочности. Коэффициент качества для шлифованных образцов принят за единицу (прямая 1).
Рис. 11.10
Прямая 2 относится к образцам с полированной поверхностью. Прямая 3 — к образцам, обработанным резцом. Прямая 4 — для образцов имеющих мелкую насечку, а 5 — относится к поверхности, не обработанной после проката.