Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций

Более 100 лет назад было замечено, что детали машин и элементы конструкций, которые подвергаются за длительное время переменным напряжениям (например, при переменной нагрузке типа растяжения-сжатия), могут разрушатся без заметных пластических деформаций. В наиболее напряженном месте детали, обычно в районе концентрации напряжений, появляются микротрещины, которые развиваются и, захватывая все сечение детали, приводят к её разрушению в виде излома. Это явление разрушения материала (свойственно, в основном, металлам) называется усталостью материала.

Способность материала воспринимать многократные действия переменных напряжений без разрушения, называется выносливостью или циклической (усталостной) прочностью.

Наибольшее максимальное напряжение цикла нагружения, при действии которого не происходит усталостного разрушения материала после большого числа циклов, называется пределом усталости (выносливости) Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru . здесь индекс r показывает характеристику цикла нагружения

Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru

где Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru – соответственно максимальные и минимальные величины напряжений цикла нагружения (рис. 12.2).

Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru

Рисунок 12.2 – Циклы нагружения материала

В зависимости от значения r различают такие циклы нагружений:

1) симметричный цикл, когда наибольшее и наименьшие напряжения одинаковы по величине и произвольны по знаку, Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru предел усталости Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru .

2) несимметричный (асимметричный) цикл при разных по величине наибольших и наименьших напряжений, что характеризируется конкретным значением r Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru предел усталости Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru используются понятия

· амплитудного напряжения

Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru

· среднего напряжения

Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru

3) нулевой (пульсирующий) цикл, у которого минимальные напряжения равны нулю, r =0, предел усталости Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru .

Предел усталости (выносливости) является основной характеристикой прочности материалов при переменном нагружении. При симметричном цикле предел усталости имеет самое низкое значение, и поэтому такой цикл является наиболее опасным. Величина Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru определяется эксперементально путем испытаний m одинаковых гладких (без концентраторов) образцов при доведении их переменным нагружением до излома. Каждый образец испытывается с уменьшенной величиной Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru по сравнению с предыдущем эксперементом и увеличенным при этом числом циклов N до разрушения образца. В итоге строится кривая усталости, ассимитотическим значением которой будет предел усталости Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru (рис. 12.3).

Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru

Рисунок 12.3 – Кривая усталости

Ориентированные значения предела усталости для материалов такие:

- сталь Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru

- чугун Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru

где Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru – предел прочносит материала.

На величину предела усталости Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru влияет ряд факторов:

а) концентрация напряжений (отверстия, надрезы, выточки) с введением понятия эффективного коэффициента концентрации напряжений Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru :

Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru

где q – коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений; Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru – теоретический коэффициент концентрации; в справочной литератууре имеются графики приближенных значений q для материалов в зависимости от коэффициента Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru с разными видами концентраторов и предела прочности Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru ;

б) масштабный фактор, который отражает уменьшений предела усталости с увеличением размеров детали и описывается в справочных данных: например, отношение предела усталости образца данного диаметра с выточкой к пределу усталости образца без выточки диаметром 7 мм;

в) состояние и качество поверхности детали, которое отражается введением понятия коэффициента качества поверхности Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru , представляющего собой отношение предела усталости образца с заданной поверхностью при симметричном цикле нагружения Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru к пределу усталости того же образца с полированной поверхностью Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru ; имеются справочные данные по этому коэффициенту.

Расчеты на прочность при переменных напряжениях основываются на проверке следующего условия в опасном сечении детали:

Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru

где Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru – фактический коэффициент запаса прочности;

Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru - допускаемый коэффициент запаса прочности.

Значения Усталостная прочность деталей машин и элементов конструкций - student2.ru устанавливаются нормативными документами.

Фактический коэффициент запаса прочности зависит от таких факторов:

· предела текучести материала;

· наибольших амплитудных напряжений цикла нагружения;

· предел усталости материала;

· эффективного коэффициента концентрации напряжений детали;

· коэффициентов учета масштабного фактора, состояния и качества поверхности детали.

В литературе имеются эмпирические (приближенные) зависимости, учитывающие влияние перечисленных факторов на коэффициент запаса прочности n.

Большинство поломок деталей машин происходит от усталости материала, поэтому практическое значение имеют факторы повышения усталостной прочности и долговечности деталей. Основными из них являются конструктивные и технологические мероприятия.

Конструктивные мероприятия в основном сводятся к уменьшению концентрации напряжений в местах, где обычно возникают усталостные трещины, ведущие к поломке деталей и элементов конструкций. Для уменьшения концентрации напряжений применяют:

а) скругление углов, использование в этих местах утолщенных накладок для элементов конструкций;

б) вваривание поясков по контуру вырезов в элементах конструкций;

в) увеличение закруглений в галтелях (выточках) валов, осей и других деталей;

г) фрезерование входящего угла шпоночной канавки;

д) увеличение диаметра вала под насаженной на него втулкой и др.

Технологические мероприятия в деталях машин направлены, в основном, на удаление коррозии, которая снижает усталостную прочность, в результате глубокой механической обработки поверхности деталей. Для этих целей используют:

а) шлифовку поверхности специальной механической обработкой (термической, термохимической);

б) применение упрочненных покрытий поверхности деталей.

Наши рекомендации