14.Прочность материалов при циклически меняющихся напряжениях

14.1.Понятие об усталостном разрушении материала и его причины

Многие детали машин и элементы сооружений в процессе эксплуатации подвергаются действию нагрузок, меняющихся во времени. Если уровень напряжений, вызванный этими нагрузками, превышает определенный предел, то в материале начинают происходить необратимые процессы накопления повреждений, которые приводят к образованию трещины.

Процесс постепенного накопления повреждений, приводящих к образованию трещины и разрушению, называется усталостью материала. Свойство материала противостоять усталости называется выносливостью.

Механизм процесса усталостного разрушения металлов неразрывно связан со структурной неоднородностью, заключающейся в случайных вариациях размеров и очертаний отдельных зерен металла, их кристаллографической ориентации, в наличии различных включений, дефектов кристаллической решетки. Вследствие указанной неоднородности при переменных напряжениях, даже не превосходящих предела пропорциональности, в отдельных неблагоприятно ориентированных зернах возникает пластическая деформация. Она связана с деформациями сдвига по некоторым кристаллографическим плоскостям. При определенном уровне напряжений прочность некоторых кристаллитов (зерен) нарушается, следствием чего является образование микротрещин.

14.2.Характеристики циклов напряжений

Усталостная прочность материалов при переменных напряжениях зависит от вида напряженного состояния и от характера изменения напряжений во времени.

Циклом напряжений называется однократная их смена, соответствующая полному периоду их изменения.

Определим напряжения в точке k, расположенной на контуре вала, вращающегося с равномерной угловой скоростью  (рис. 14.1):

или

(14.1)

Рис. 14.63

Наибольшие напряжения возникают в точках 1 или 2 в зависимости от способа опирания вала и приложения нагрузки. Равенству (14.1) соответствует график изменения напряжения (σ), приведенный на рис. 14.2

Рис. 14.64

Напряжения периодически меняются во времени с периодом (T). Рассмотренный график является примером симметричного цикла. Если вдоль оси вала приложена осевая растягивающая (или сжимающая) сила N, постоянная во времени, то нормальные напряжения в той же точке k определяются выражением: где

В зависимости от значения нормальной силы график изменения напряжений во времени может иметь вид, показанный на рис. 14.3.

Если знаки различны, то такой цикл носит название знакопеременного. Если же знаки максимального и минимального напряжения одинаковы, то цикл называется знакопостоянным. В том случае, когда одно из напряжений ( или ) равно нулю, такой цикл носит название пульсирующего или отнулевого цикла.