Предел выносливости

Пределы выносливости

Предел выносливости не является постоянной, присущей данному материалу характеристикой, и подвержен гораздо большим колебаниям, чем механические характеристики при статическом нагружении. Он зависит от условий нагружения, типа цикла, в частности, от степени его асимметрии, формы и размеров детали, технологии ее изготовления, состояния поверхности и других факторов.

Таким образом, при испытании на усталость стандартных образцов определяется собственно не предел выносливости материала, а предел выносливости образца, изготовленного из данного материала. При переходе от образца к реальной детали следует вводить ряд поправок, учитывающих форму и размеры детали, состояние ее поверхности и т. д. В связи с этим возникло понятие сопротивление усталости деталей. В этом понимании предел выносливости далеко отходит от первоначального понятия как характеристики материала, хотя предел выносливости, определенный на стандартных образцах, по-прежнему приводят в числе основных прочностных показателей материала.

Появилось также понятие сопротивление усталости узлов (резьбовых соединений, соединений с натягом и других сборных конструкций). Таким образом, в понятие сопротивления усталости вводят не только факторы свойств материала и геометрической формы деталей, но и факторы взаимодействия со смежными деталями.

Пределы выносливости на изгиб имеют минимальное значение при симметричном знакопеременном цикле, повышаются с увеличением степени его асимметрии, возрастают в области пульсирующих нагрузок, а с уменьшением амплитуды пульсаций приближаются к показателям статической прочности материала. Пределы выносливости при растяжении примерно е 1,1-1,5 раза больше, а при кручении в 1,5-2 раза меньше, чем в случае симметричного знакопеременного изгиба.

Между характеристиками сопротивления усталости и статической прочности нет определенной зависимости. Наиболее устойчивые соотношения существуют между σ-1 (пределом выносливости на изгиб с симметричным циклом) и σв (пределом прочности), а также σ0,2 (условным пределом текучести) при статическом растяжении.

По опытным данным, эти соотношения следующие:

— для сталей

— для стальных отливок, высокопрочного чугуна и медных сплавов

— для алюминиевых и магниевых сплавов

— для серого чугуна

На основании обработки результатов испытаний на усталость улучшенных конструкционных сталей Шимек получил следующие зависимости (рис. 163) пределов выносливости от предела прочности:

— на растяжение-сжатие при симметричном цикле

— на растяжение-сжатие при пульсирующем цикле

— на изгиб при симметричном цикле

— на кручение при симметричном цикле

— на кручение при пульсирующем цикле

Пределы выносливости при симметричном цикле связаны между собой следующими ориентировочными зависимостями:

Пределы выносливости при пульсирующем и знакопеременном симметричном циклах связаны следующими приближенными зависимостями:

— при изгибе

— при растяжении

— при кручении

Пределы выносливости при асимметричных циклах можно приближенно определить по эмпирическим зависимостям между наибольшим напряжением цикла σmax, средним напряжением цикла σm, и предельной амплитудой цикла σa. Например,

где σв — предел прочности при статическом растяжении.

Приведенные соотношения дают представление лишь об общих закономерностях. Для расчетов необходимо пользоваться справочными данными, приводимыми в литературе по циклической долговечности.

ПроСопромат.ру

Изучение явления усталости показало, что при известных условиях разрушение материала при переменных напряжениях может и не произойти. Свойство материала выдерживать, не разрушаясь, больше число циклов переменных напряжений называют его выносливостью. Пределом выносливости (пределом усталости) называют наибольшую величину циклического напряжения, при котором материал может работать неограниченно долго без разрушения. Предел выносливости обозначается .

Усталостную прочность определяют по результатам экспериментальных исследований определенного числа образцов, подвергнутым испытаниям при различных уровнях циклических напряжений, вплоть до их разрушений. Результаты испытаний серии одинаковых образцов наносят на плоскость или , где- это максимальное за период цикла напряжение, а — число циклов до полного разрушения, получая при этом так называемую диаграмму Веллера.

Опыт по определению предела выносливости производится следующим образом. Заготавливается партия образцов испытываемого материала. Выбирают ряд уровней циклических напряжений, при которых будут испытывать образцы. Первый уровень напряжений, как правило, наибольший и составляет величину равную 0,7-0,8 предела текучести материала, остальные уровни напряжения берутся ниже. На каждом уровне напряжений испытывают 5-6 образцов. Эти образцы закладываются в машину и нагружаются. Когда произойдет излом или разрыв, машина автоматически выключается, а счетчик оборотов показывает число циклов , необходимое для разрушения образца.Эксперименты показывают, что при испытаниях образцов на одном и том же уровне напряжений наблюдается значительный разброс разрушений. В таких случаях устанавливают вероятность разрушения в течение некоторого времени t на данном уровне напряжений.

С понижением уровня напряжения долговечности испытываемых образцов возрастают настолько, что приходится назначать некоторое предельное время выдержки , называемое базой испытаний, при которой образцы снимают с испытаний, когда часть из них не разрушилась. Напряжение, при котором 50% образцов разрушаются при , а остальные 50% проходят базу испытаний, называется ограниченным или условным пределом выносливости.

Базы по числам циклов составляют обычно для черных металлов, для сплавов цветных металлов иногда до . В настоящие время нет ясного представления о том, существует ли у материалов абсолютный предел выносливости, так как нередко образцы разрушаются после того, как они предварительно выдержали десятки и даже сотни миллионов циклов. Это можно объяснить наличием в материале технологических дефектов в виде пор, расслоений, неметаллических включений и дефектов поверхностей обработки. Наличие экспериментальных данных об испытаниях конструкционных цветных сплавов дает основание утверждать, что последние не имеют абсолютного предела выносливости. Особую область исследований представляют испытания материалов в условиях коррозионно-агрессивных сред. Многие материалы в этих условиях определенно не имеют абсолютного предела выносливости. Также кроме напряженного состояния в материале еще проявляются электрохимические явления, получившие название эффект Ребиндера.

Предел выносливости при асимметрических циклах нагружения

Наиболее опасным циклом нагружения является симметричный цикл нагружения. Однако большое количество деталей машин работает при асимметричных циклах нагружения. Рассмотрим диаграмму Хея-Зодерберта для стали 45.

Диаграмма Хея-Зодерберта строится в координатах амплитуды напряжений- , постоянная составляющая цикла- . Так как при всегда меньше предела прочности , то все возможные механические состояния материалов находятся в пределах треугольника оав, причем уравнение прямой I имеет вид:

Уравнение прямой 2 представляется так:

Кривая 3- экспериментальная кривая предела выносливости, полученная при разных амплитудах и постоянных составляющих циклах на одной и той же базе . Ордината при абсциссе представляет собой предел выносливости при симметричном цикле нагружения, обозначается через .

Для кривой выносливости левее луча можно записать эмпирическую зависимость:

,

где К — эмпирический коэффициент, для стали 45 равный 0,6; для других марок сталей около 0,4.

Правее этого луча в некоторый момент начинается медленное развитие шейки, как это имеет место при быстром нагружении материала.

Кривая пределов выносливости продолжена в область отрицательных напряжений, где значение меньше абсолютного значения . В этой области амплитуды пределов выносливости быстро возрастают. Это обстоятельство дает основание утверждать, что при знакопостоянных напряжениях сжатия усталостные разрушения сталей отсутствуют.

Для сравнения с диаграммой Хея-Зодерберга для стали представим такую же диаграмму для серого чугуна. Чугун С4 12-28 представляет относительно хрупкий материал.

Кривая пределов выносливости доходит до линии I, уравнение которой так как чугун разрушается без образования шейки. В области сжимающих напряжений кривая выносливости имеет экстремум и располагается внутри треугольника оав. Это означает, что сопротивление циклическому сжатию ниже сопротивления статическому сжатию. Предел выносливости стали связан с пределом прочности материала и зависит от вида деформации.

Известны следующие эмпирические зависимости для определения предела выносливости при симметричном цикле нагружения:

при изгибе

при растяжении

при кручении

В настоящее время нет достаточно чёткого объяснения того, что в условиях значительных сжимающих напряжений пластические материалы не разрушаются. По-видимому, под действием растягивающих напряжений микротрещина будет развиваться и расти, а под действием сжимающих напряжений закрываться .

Предел выносливости обозначается (или ), где индекс R соответствует коэффициенту асимметрии цикла. Так, например, для симметричного цикла он обозначается , для отнулевого цикла (при ), для постоянного цикла .

Предел выносливости при симметричном цикле является наименьшим по сравнению с другими видами циклов, то есть .

Так, например, ; .

предел ограниченной выносливости

Для расчета деталей, не предназначенных к длительной эксплуатации, возникает необходимость в определении наибольшего значения напряжения, которое может выдержать материал при заданном числе циклов (N), значение которого меньше, чем базовое (). В этом случае по кривой усталости и заданному числу циклов (N) определяется соответствующее напряжение (), называемое пределом ограниченной выносливости.

Факторы предела выносливости при симметричном цикле

При оценке прочности детали, работающей в условиях статического нагружения, механические характеристики материала детали полностью отождествляются с механическими характеристиками материала образца, полученными в результате эксперимента. При этом не учитывается разница ни в форме, ни в размерах детали и образца, ни некоторые другие отличия.

При расчете детали на усталость необходимо учитывать упомянутые факторы. К наиболее существенным факторам, которые влияют на предел выносливости при симметричном цикле, относятся концентрация напряжений, абсолютные размеры поперечного сечения детали и шероховатость ее поверхности. Это легко объясняется тем, что все упомянутые факторы способствуют возникновению и распространению микротрещин.

Влияние концентрации напряжений

Вблизи выточек, у краев отверстий, в местах изменения формы стержня, у надрезов и т.п. наблюдается резкое увеличение напряжений по сравнению с номинальными напряжениями, вычисленными по обычным формулам сопротивления материалов. Такое явление называется концентрацией напряжений, а причина, вызывающая значительный рост напряжений — концентратором напряжений.

Зона распространения повышенных напряжений носит чисто местный характер, поэтому эти напряжения часто называют местными.

При напряжениях, переменных во времени, наличие концентратора напряжений на образце приводит к снижению предела выносливости. Это объясняется тем, что многократное изменение напряжений в зоне очага концентрации напряжений приводит к образованию и дальнейшему развитию трещины с последующим усталостным разрушением образца.

Для того чтобы оценить влияние концентрации напряжений на снижение сопротивления усталости образца с учетом чувствительности материала к концентрации напряжений, вводят понятие эффективного коэффициента концентрации, который представляет собой отношение предела выносливости стандартного образца без концентрации напряжений к пределу выносливости образца с концентрацией напряжений: (или ).

Влияние абсолютных размеров поперечного сечения

С увеличением размеров поперечных сечений образцов происходит уменьшение предела выносливости. Это влияние учитывается коэффициентом влияния абсолютных размеров поперечного сечения (ранее этот коэффициент назывался масштабным фактором). Упомянутый коэффициент, равен отношению предела выносливости гладких образцов диаметром d к пределу выносливости гладкого стандартного образца диаметром, равным 7,5 мм: (или ).

Шероховатость поверхности

Механическая обработка поверхности детали оказывает существенное влияние на предел выносливости. Это связано с тем, что более грубая обработка поверхности детали создает дополнительные места для концентраторов напряжений и, следовательно, приводит к возникновению дополнительных условий для появления микротрещин.

Отношение предела выносливости образца с данной шероховатостью поверхности к пределу выносливости образца со стандартной обработкой поверхности, соответствующей ГОСТ 2789-73, называется коэффициентом влияния шероховатости поверхности: (или ).

Значение коэффициента влияния шероховатости поверхности определяется по таблицам или графикам, которые приводятся в справочниках по сопротивлению материалов или в другой научной литературе.

предел выносливости детали при симметричном цикле

Совместное влияние перечисленных трех факторов учитывается общим коэффициентом снижения предела выносливости при симметричном цикле: (или ).

Поэтому предел выносливости при симметричном цикле равен: (или ).