9.8. Кривые усталости. Предел выносливости.

Как показывают эксперименты, ни частота цикла, ни закон изменения напряжений во времени практически не оказывают влияния на прочность детали, существенны лишь значения σ_maх (τ_mах) и σ_min (τ_min).

Механическая характеристика прочности материала при переменных напряжениях определяется экспериментально. Она называется пределом выносливости, обозначается σ_R (τ_R) и количественно характеризует способность материала сопротивляться усталостному разрушению.

По результатам испытаний строится кривая зависимости числа циклов напряжения до разрушения от максимальных напряжений в образце. Эта кривая носит название кривой усталости или кривой Веллера (рис.9.5,а).

Для многих материалов эта кривая асимптотически приближается к некоторой горизонтальной прямой, отсекающей на оси ординат отрезок, величина которого определяет предел выносливости . Начиная с этого напряжения, несмотря на длительность испытаний, образцы не проявляют никаких признаков разрушения.

Практика проведения испытаний показывает, что если образец выдержал 10⁷ циклов напряжения, он может при данном напряжении проработать неограниченно долгое время. Поэтому продолжительность испытаний оговаривается.

Предварительно задаваемая наибольшая продолжительность испытаний на усталость называется базой испытаний (для стали - 10⁷ циклов, для меди 10⁸ циклов).

Если кривую усталости перестроить в логарифмических координатах lgN; lg , то кривая усталости будет иметь более компактный вид и будет изображаться двумя прямыми (наклонной и горизонтальной), имеющими точку пересечения при некотором числе циклов (рис. 9.5,б).

Максимальное по абсолютному значению напряжение цикла, при котором еще не происходит усталостного разрушения до базы испытаний, называется пределом выносливости, и обозначается σ_R, где индекс R соответствует коэффициенту асимметрии цикла.

Напряжение, соответствующее горизонтальному участку кривой усталости, построенной в логарифмических координатах, соответствует пределу выносливости образца, который при симметричном цикле обозначается σ_-1, при отнулевом – σ₀.

Рис. 9.5

Значения предела выносливости для различных материалов приводятся в справочниках. При отсутствии опытных данных предел выносливости σ_-1 при симметричном цикле изгиба определяется по приближенным эмпирическим соотношениям:

для сталей σ_-1 ≈ (0,4÷0,5) σ_В, (σ_В – временное сопротивление материала);

для цветных металлов σ_-1 ≈ (0,25÷0,5) σ_В.

9.9. Влияние различных факторов на предел выносливости детали

Многочисленные эксперименты показали, что при переменных напряжениях в расчетах на сопротивление усталости необходимо учитывать ряд факторов, которые существенным образом влияют на сопротивление усталости конкретной детали, в то время как на статическую прочность они оказывают незначительное влияние. Оказалось, что предел выносливости детали ниже предела выносливости материала, из которого она изготовлена.

К наиболее существенным факторам снижения предела выносливости детали относятся: концентрация напряжений, абсолютные размеры поперечных сечений детали, состояние ее поверхности – шероховатость, наличие коррозии и др. При расчете на сопротивление усталости каждый из этих факторов учитывается соответствующим коэффициентом.

Концентрация напряжений учитывается эффективными коэффициентами концентрации К_σ и К_τ .

Шероховатость поверхности учитывается коэффициентом влияния шероховатости поверхности К_F.

Абсолютные размеры поперечного сечения детали учитываются коэффициентом влияния абсолютных размеров поперечного сечения К_d.