Вплив конструктивно-технологічних факторів на границю витривалості
На величину границі витривалості зразків або деталей, що виготовляються
з того або іншого матеріалу крім характеристики циклу, впливає цілий
ряд різних факторів. До них ставляться форма зразка, розміри, стан
поверхні, середовище, у якій відбуваються випробування, температура
випробувань, режим циклічного силового впливу (тренування, паузи,
перевантаження, частота навантаження й т.п.), попередня внутрішня
напруженість матеріалу й ін.
еталонних.
Вплив концентрації напружень. Найбільш важливим фактором, що знижує
границю витривалості, є концентрація напружень, викликана різкою зміною
перетину деталі. Концентраторами напружень на практиці є шпонкові
канавки, отвори в деталі, нарізки на поверхні, малі радіуси закруглень у
місцях різкої зміни розмірів перетину й т.п. Концентрація напружень, як
правило, сприяє зародженню втомленостної тріщини, що, розвиваючись,
призводить, зрештою, до руйнування деталі.
, тобто
,
відбиває характер розподілу напружень лише для ідеально пружного
матеріалу. У реальних же матеріалах за рахунок пластичних деформацій у
мікрообласті місця концентрації відбувається деякий перерозподіл і
згладжування напружень. З огляду на це, поряд з теоретичним коефіцієнтом
концентрації при розгляді питань утоми вводять поняття ефективного, або
дійсного, коефіцієнта концентрації, що представляє собою відношення
границі витривалості гладкого зразка без концентрації напружень до
границі витривалості зразка з концентрацією напружень, що має такі ж
абсолютні розміри перетинів. Ці коефіцієнти надалі позначені так:
для нормальних напружень
;
для дотичних напружень
,
— границі витривалості гладких зразків;
— границі витривалості зразків з концентрацією напружень.
».
, обумовлені теоретичним шляхом у припущенні пружного розподілу
напружень.
може бути отримана введенням так званого коефіцієнта чутливості
матеріалу до концентрації напружень:
.
визначити значення ефективних коефіцієнтів концентрації:
, тобто матеріал має повну чутливість до концентрації напруг.
Рис. 17.11. Графіки коефіцієнтів чутливості матеріалу
Як видно із графіків (рис. 17.11), чутливість металу до концентрації
напружень залежить, насамперед, від його властивостей. При цьому, чим
вище міцність сталі, тим вище її чутливість до концентрації напружень.
Так як застосування високоміцних сталей при змінних напруженнях не
завжди виявляється доцільним.
Чутливість металу до концентрації напружень у грубозернистих сталей
менше, ніж у дрібнозернистих. Метали й сплави з неоднорідною структурою,
такі, як, наприклад, сірий чавун, мають знижену чутливість до
концентрації напружень внаслідок того, що структурна неоднорідність є
внутрішнім джерелом., концентрації напружень і знижує границю
витривалості гладких зразків, так як зовнішні концентратори вже мало
знижують границю витривалості.
Коефіцієнти чутливості до концентрації напружень, як показують
експерименти, залежать не тільки від механічних властивостей, але й від
конструктивної форми самої деталі, а також розподілу в ній напружень.
Вплив концентрації напружень у розрахунках деталей машин, що піддаються
дії змінних напружень з асиметричним циклом, варто враховувати на основі
експериментальних даних, так як теоретично це питання поки не вирішене.
, не залежить від амплітуди циклу. Цю обставину використовують для
розрахунку деталей машин на витривалість при асиметричних циклах.
— граничні амплітуди для зразків з концентрацією при одночасній дії
згину й крутіння).
Розглядаючи рис. 17.12, бачимо, що більша частина експериментальних
даних цілком відповідає еліптичної залежності
, (17.8)
тобто такої ж залежності, як і при відсутності концентрації напружень.
Рис. 17.12. Вплив концентрації напружень при згині із крутінням
Вплив розмірів (масштабний фактор). Ефективність концентрації напружень
пов’язана з абсолютними розмірами перетину деталі, а, саме, зі
збільшенням розмірів деталі при збереженні її геометричної подоби,
значення ефективних коефіцієнтів концентрації напруг збільшуються.
, виявляється значно більшим.
Підвищення ефективних коефіцієнтів концентрації з ростом розмірів деталі
пов’язано зі зменшенням градієнта напружень по перетині при збільшенні
розмірів.
, називають коефіцієнтом, впливу абсолютних розмірів перетину й
позначають, наприклад, стосовно до нормальних напружень, так:
(17.9)
Коефіцієнти впливу абсолютних розмірів перетину можна визначати й на
зразках з концентрацією напружень. У цьому випадку
повинні бути геометрично подібні.
стали при досить великій концентрації напружень типу нарізки.
Рис. 17.13. Облік масштабного фактора
зниження межі втоми через масштабного фактора (величина береться із
графіка, наведеного на рис. 17.13) не перевищує 5%, а тому його можна не
брати до уваги.
зниження границь витривалості зразків при ротаційному вигині може
досягати 30—45%. Дослідні дані свідчать про відсутність впливу
абсолютних розмірів на витривалість при однорідному напруженому стані –
розтяганні-стисканні. Це, очевидно, варто віднести за рахунок ролі
градієнта напружень, вплив якого в останньому випадку виключено.
При крутінні зниження границь витривалості з ростом розмірів деталі
проявляється в такому ж ступені, як і при згині.
Зниження границь витривалості з ростом абсолютних розмірів перетинів
деталі можна віднести за рахунок наступних факторів:
1) зменшення механічної міцності матеріалу в міру збільшення діаметра
заготівель навіть за умови дотримання їх належній термічної обробки;
2) змін властивостей поверхневого шару після механічної обробки,
оскільки ці зміни виявляються різними при різних розмірах деталі;
3) неоднорідності механічних властивостей і напруженості різних зерен у
зв’язку з полікристалічною структурою металу й підвищення, що випливає
звідси, імовірності більше раннього усталостного руйнування з ростом
розмірів деталі; цей фактор, очевидно, є головним.
для нього може досягати 60—70%. Виходячи з умов імовірності
втомленостного руйнування, яку варто вважати пропорційною кількості
небезпечних дефектів на одиницю об’єму найбільш напруженого шару металу,
можна вивести рівняння для коефіцієнта впливу абсолютних розмірів
перетину. На рис. 17.14 представлені епюри напружень при згині для
зразків різних діаметрів без концентрації напружень.
d
|
?
o
’b
d
j
l
jX
o
Рис. 17.14. Епюри напружень при згині для зразків різних діаметрів без
концентрації напружень
зниження границі витривалості для вуглецевої стали досягає 45%.
Пояснення залежності границь витривалості від розмірів перетинів, як і
інших закономірностей і характеристик утоми, дають статистичні теорії
утоми. Ці теорії висвітлюють питання зміни ефективних коефіцієнтів
концентрації залежно від величин градієнтів напруженнь і абсолютних
розмірів.
від ряду факторів (розмірів, властивостей матеріалу й т.д.), висловлені
різними авторами, не дозволяють поки обчислювати значення цих
коефіцієнтів для різних випадків розрахункової практики виходячи з
первинних властивостей металу. Тому для розрахунку деталей машин варто
використовувати експериментальні дані, застосовуючи якщо буде потреба
інтерполяцію.
, обумовленого по формулі
ураховує сумарний вплив концентрації напружень і абсолютних розмірів на
витривалість і звичайно визначається по даним випробувань зразків і
моделей різних перетинів.
слабко), то
.
Помітимо, що ступінь впливу концентрації напружень на границі
витривалості залежить від виду напруженого стану. При циклічному
крутінні, наприклад, ефективні коефіцієнти концентрації виявляються
звичайно більше низькими, чим при вигині для тих самих конструктивних
(рис. 17.15 і 17.16) форм. Співвідношення між коефіцієнтами при згині й
крутінні, представленими на рис. 17.15 і 17.16, можна виразити
наближеною формулою
Рис. 17.15. Ефективні коефіцієнти концентрації при згині
Що стосується ефективного коефіцієнта концентрації при розтяганні-стиску
(рис. 17.17), то його величина звичайно дорівнює або трохи перевищує
коефіцієнти концентрації при згині.
Рис. 17.16. Ефективні коефіцієнти концентрації при крутінні
Рис. 17.17. Ефективні коефіцієнти концентрації при розтяганні
Вплив стану поверхні. У більшості випадків поверхневі шари елемента
конструкції, підданого дії циклічних навантажень, виявляються більше
напруженими, чим внутрішні (зокрема, це має місце при згині й крутінні).
Крім того, поверхня деталі майже завжди має багато дефектів, пов’язаних
з якістю механічної обробки, а також з корозією внаслідок впливу
навколишнього середовища. Тому втомленостні тріщини, як правило,
починаються з поверхні, а погана якість останньої приводить до зниження
опору утоми.
— з наявністю окалини. Як бачимо, границя витривалості сталевих зразків
при грубому обточуванні знижується на 40%, а при наявності на поверхні
окалини – на 70%.
Рис. 17.18. Вплив якості обробки поверхні
Вплив якості поверхні на границю витривалості пов’язано зі змінами
мікрогеометрії й станом металу в поверхневому шарі після механічної
обробки. Найбільш істотно впливає на міцність наявність мікрорельєфу й
наклепу поверхневого шару, його нагрівання, а також утворення залишкових
напружень.
й більше, а при шліфуванні й поліруванні виміряється сотими частками
міліметра й мікронами. Пластична деформація поверхневого шару може дати
підвищення границі витривалості на 10-20%.
На границю витривалості істотний вплив робить корозія. Цей вплив буде
різним у тому випадку, коли метал, що піддавалися корозії до
випробування на утому, не піддається їй при випробуваннях, і у випадку,
коли метал піддається корозії під час випробувань. В обох зазначених
випадках, особливо в другому, корозія викликає різке зниження границь
витривалості, що доходить до 70-80%. При цьому зниження границі
витривалості при наявності корозії тим більше сильно виражено, чим вище
межа міцності металу й чим більше останній схильний до корозії.
— у морській воді при відсутності концентрації.
Причиною настільки різкого зниження витривалості внаслідок корозії є
корозійні ушкодження поверхні, що викликають значну концентрацію напруг,
а також ослаблення опору утворенню тріщин.
Зменшити вплив стану поверхні на утому можна відповідними технологічними
методами обробки, що приводять до зміцнення поверхневих шарів. До
числа таких методів ставляться: наклеп поверхневого шару шляхом накатки
роликом, обдування дробом і т.п.; хіміко-термічні методи – азотування,
цементація, цианування; термічні – поверхневе загартування струмами
високої частоти або газовим полум’ям.
Рис. 17.19. Вплив корозії
Зазначені методи обробки приводять до збільшення міцності поверхневого
шару й створенню в ньому значних стискаючих залишкових напруг, що
утрудняють утворення усталостной тріщини, а тому впливають на підвищення
границі витривалості.
При наявності концентрації напруг крім глибини шаруючи, абсолютних
розмірів істотний вплив на ефект зміцнення робить рівень концентрації
напруг і градієнт напруг у поверхні. Ефект зміцнення росте зі
збільшенням концентрації.
Вплив пауз. На границю витривалості мають вплив паузи (перерви в
нагружении). При цьому в одних випадках вплив пауз незначно, в інших
число циклів до руйнування збільшується за рахунок пауз на 15-20%.
Збільшення числа циклів тим більше, ніж частіше паузи й чим вони
длительнее (останній фактор впливає слабкіше).
Вплив перевантажень. Вплив перевантажень, тобто навантажень вище границі
витривалості, на величину його залежить від характеру перевантаження.
При недовантаженнях (напругах нижче границі витривалості) і малих
перевантаженнях до певної кількості циклів міцність підвищується, при
більших перевантаженнях після певного числа циклів – знижується.
Вплив тренування. Якщо прикласти до зразка напруга трохи нижче границі
витривалості й потім поступово підвищувати величину змінного
навантаження, то опір утоми можна значно підвищити. Це явище, називане
тренуванням матеріалу, широко використовується в техніку.
Зміцнення можна одержати при порівняно короткочасних тренуваннях
(порядку 50 000 циклів), але сильних перевантаженнях. Досвіди показують,
що якщо спочатку діє менша, а потім більше перевантаження, то
витривалість матеріалу виявляється більше високої, чим у тому випадку,
коли спочатку діє більша, а потім менше перевантаження.
Вплив температури. З підвищенням температури границя витривалості
звичайно падає, а зі зниженням її – росте як у гладких зразків, так і в
зразків з концентраторами.
межа утоми підвищується. Однак це підвищення, очевидно, пов’язане з
фізико-хімічними процесами, що відбуваються при одночасному впливі
нагрівання й змінних навантажень.
у сталі починаються процеси повзучості, що мають місце також і при
змінних навантаженнях навіть при симетричному циклі.
границя витривалості в деяких сталей збільшується більш ніж удвічі,
хоча ударна в’язкість їх при цьому знижується. Це ще раз указує на
принципову відмінність між втомленостним і крихким руйнуваннями шляхом
відриву при статичних і ударних навантаженнях.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
