книги из ГПНТБ / Григорьев, К. М. Основы циклической прочности учебное пособие
.pdfМИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР
ИЖЕВСКИЙ МЕХАНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
К. М- ГРИГОРЬЕВ
О С Н О В Ы
ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ
Учебное пособие
Рассмотрено и утверждено советом машиностроительного факультета
ИЗДАТЕЛЬСТВО «УДМУРТИЯ
ИЖ ЕВСК— 1974
605 Г83
У Д К 539.43(075.8)
л • г-
Щ ^ У
■Г Г*с' оувлмчнМ
I (Гкйлмртокл СССР
I ЭКЗЕМПЛЯР
| ЧИТАЛЬНОГО ЗАДА
! 2 |
k i > |
|
|
|
|
Рецензент доктор технических наук, |
профессор Н. В. |
Воробьев |
|||
|
Г л а в а VI написана кандидатом технических |
наук, |
.доцентом |
||
Л. |
П. Васильевым, |
г л а в а VIII |
— старшим |
преподавателем |
|
|
К. П. |
Савиновой совместно с автором. |
|
Григорьев К. М.
Г83 Основы циклической прочности. Учебное пособие. Ижевск, «Удмуртия», 1974.
108с.
Вучебном пособии приведены современные представления усталостного
разрушения, изложены, методы испытаний на выносливость, показано вли яние конструктивных, и технологических факторов на циклическую прочность, рассмотрены диаграммы предельных напряжений. Изложена методика опре деления фактического запаса прочности деталей машин. В пособие включены вопросы расчета деталей машин, работающих при нестационарных режимах нагружения, и вопросы повышения их циклической прочности. Учебное посо бие предназначено для студентов, изучающих курс «Сопротивление материя лов», и преподавателей, ведущих настоящий курс.
3133-0103
605.
ГMI34 (03)-74 85'74
(£) Ижевский механический институт, 1974.
В В Е Д Е Н И Е
Проблемы долговечности, надежности и качества машин относятся к числу основных проблем, выдви нутых на первый план современным развитием маши ностроения. Решение этих задач непосредственно свя зано с изучением вопросов усталостной прочности ма териалов.
В практике эксплуатации машин большинство по ломок происходит от усталости. Усталостное разру шение является результатом действия напряжений,, переменных во времени. Большинство таких дефек тов имеет определенные признаки: разрушение,происходит после длительной работы и в зоне поломки об наруживается трещина. Характерно, что даже у высо копластичных сталей видимых пластических дефор маций не наблюдается. Это является весьма опасной особенностью усталостного разрушения. Обнаружить микроскопические трещины и их развитие очень
трудно. |
что пластичный материал после- |
|
Раньше считали, |
||
продолжительной |
работы |
«устает» — становится |
хрупким и ломается при небольшой перегрузке. Пред ставление об «усталости» материалов сложилось на основании изучения изломов, которые имеют ярко вы раженные зоны:. область усталостной трещины, бле стящий фарфоровидный вид зоны и область статиче ского хрупкого излома.
Наиболее важные. результаты в исследованиях процесса усталости получены в связи с применением более совершенных средств металлографического, рентгеноструктурного анализа и использования элек тронной микроскопии. На основании современных ис следований было установлено, что «усталости» мате риала нет, так как он не меняет своей структуры, и причиной разрушений являются местные пласти ческие деформации, возникающие в отдельных зер-
3
нах, кристаллах под действием повторно-переменных напряжений.
Термин «усталость» не соответствует физическому содержанию и рекомендуется применять термин «вы носливость». Однако первый термин прочно вошел в литературу. Он более удобен в некоторых случаях (например, усталостная прочность, усталостное раз рушение и т. д.).
Настоящее методическое учебное пособие написа но на основе лекций, прочитанных в Ижевском меха ническом институте. В нем отражен опыт работы ка федры «Сопротивление материалов».
В тексте, как правило, не делается ссылок на ли тературу. Имеется в виду, что подробные сведения по всем вопросам, изложенным весьма кратко в пособии, имеются в книгах, указанных в приложении. В них дано более расширенное толкование всех вопросов и подробные указания на существующую литературу. Вместе с тем в учебное пособие включены дополни тельные вопросы по расчету деталей машин при не стационарных нагружениях, отражающие в некоторой степени исследования, проведенные в этой области в Ижевском механическом институте.
|
|
|
Г л а в а |
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ |
|
|
|
|
|
|||
§ 1. Природа и |
механизм |
усталостного |
разрушения |
|||||||
Первые |
попытки |
создать теорию |
усталостных |
разрушений |
||||||
относятся |
еще к |
первой половине XIX века. Литература |
по |
|||||||
этому вопросу весьма обширна, |
но противоречива. |
Несмотря |
||||||||
на многочисленные |
исследования, нельзя |
сказать, что, меха |
||||||||
низм усталостного |
разрушения „полностью |
ясен. |
в деталях |
и |
||||||
. Изучение процесса усталостного |
разрушения |
|||||||||
образцах привело |
разных исследователей |
к выдвижению |
ряда |
|||||||
теорий, объясняющих |
явление |
усталости |
изменениями |
мате |
риала при переменных нагрузках. К ним можно отнести меха нические теории (Е. Орован, И. А. Одинг, Т. А. Лебедев и др.), статистические (Н. Н. Афанасьев, В. В. Болотин, С. Д. Волков и др.), дислокационные (Н. С. Акулов и др.), вакансионно-дис-
локационную теорию |
И. А. Одинга, энергетические |
теории |
||||
(Н. Ф. Лашко |
и |
др.)-, структурно-энергетическую |
теорию |
|||
В. С. Ивановой и ряд других теорий. |
|
как |
||||
Ранние |
теории |
усталости |
рассматривали материал |
|||
сплошную |
и однородную среду, |
разрушение объяснялось |
пла |
стической деформацией. Предел выносливости принимался равным пределу упругости.
С развитием учения о зернисто-кристаллической неодно родной структуре металлов были разработаны теории упрочне ния и разрыхления. Суть их заключается в следующем. Ме талл состоит из отдельных зерен—кристаллитов. Они обладают анизотропией, т. е. имеют различные механические свойства по
5
различным направлениям. Видимо, часть зерен будет находить
ся в пластическом |
состоянии, даже если среднее напряжение |
по сечению меньше |
предела текучести. Зерна, находящиеся в |
пластическом состоянии, будут претерпевать сдвиги, т. е. под вергаться наклепу. Происходит рост предела текучести зерна.
При постепенном возрастании нагрузки наклеп приводит к выравниванию свойств. Постепенно все зерна переходят в плас тическое состояние, и происходит обычное статическое разру
шение.
Однако дело принципиально меняется, если средние напря жения не возрастают, а меняются периодически в определенных пределах. Зерно, находящееся в пластическом состоянии, вы нуждено претерпевать сдвиги в прямом и обратном направле нии. Остальные зерна при этом остаются в упругом состоянии. Таким образом, пластические деформации локализуются в не большом объеме. В слабом зерне происходит одновременно несколько процессов: упрочнение за счет наклепа и разрыхле ние кристаллической решетки за счет повторных сдвигов.
Если рабочее напряжение незначительно превышает предел текучести слабого зерна, то кристаллическая решетка не успе вает сильно разрыхлиться, а предел текучести зерна за счет наклепа становится больше действующего напряжения, и зерно переходит в область упругих деформаций. Очевидно, что про цесс разрыхления прекратится и разрушение не наступит. Если напряжения велики или рядом оказалось несколько слабых зерен, то кристаллическая решетка успевает сильно разрых литься, и происходит образование микротрещин, которые начи нают распространяться по сечению. Следовательно, по этим теориям процесс усталости можно представить следующими периодами: пластическая деформация микрозерен, наклеп, упрочнение и разрыхление материала зерен; зарождение микро трещин усталости, когда способности наклепанных зерен де формироваться пластически исчерпаны; развитие микротрещин до макротрещин; усталостное разрушение.
Эти теории не объясняют целого ряда факторов, влияющих на предел выносливости, рассеяния его значений. Они не объ ясняют влияния на предел усталости масштабного фактора, градиента напряжений и других причин.
Статистические теории усталостной прочности рассматри вают вероятность нахождения зерен с заданными механически ми характеристиками. Они отражают влияние масштабного фактора и градиента напряжений на усталостную прочность.
Современные дислокационные теории рассматривают' устд-
6
лостное явление на атомном уровне, объясняя пластические деформации наличием пороков атомнокристаллической решет ки — дислокаций и вакансий.
Дислокации представляют собой особые виды несовершенств кристаллической решетки. Пример такого несовершенства при водится на рис. 1. Верхняя часть кристаллической решетки раздвинута, и между двумя атомными плоскостями вставлена добавочная атомная плоскость, называемая в отличие от пер вые экстраплоокостью. Таким образом, число рядов атомов в верхней части кристалла оказалось на один больше, чем в нижней его части. Образовалась дислокация. Смещенные ато мы стремятся при этом занять положение, соответствующее идеальной решетке. Поэтому под действием касательных на пряжений произойдет перестановка атомов, в результате ко
торой |
экстраплоскость |
|
|
|
|
п |
|||||
передаст |
свои |
функции |
|
|
|
Г |
|||||
соседней |
атомной |
|
плос |
|
|
|
J J |
||||
кости, а |
дислокация |
пе |
|
|
|
X |
|||||
реместится в новое рав |
|
|
|
а |
|||||||
новесное |
|
положение |
|
|
|
|
|
||||
(рис. 1). В условиях ие- |
|
|
|
|
|
||||||
прекращающегося |
дейст |
|
|
|
|
|
|||||
вия внешних сил дисло |
|
|
3 |
|
5) |
||||||
кация продолжает |
|
дви |
|
|
|
||||||
жение и доходит до |
гра |
|
|
т |
|
|
|||||
ницы кристалла, |
образуя |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|||||||
на поверхности |
ступень |
|
|
|
|
|
|||||
ку в один период решет |
|
|
|
|
|
||||||
ки. Происходит сдвиг. |
|
|
|
|
|
||||||
Движение |
дислокаций |
£ |
/ / Ш |
|
|
||||||
сопровождается |
образо |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|||||||
ванием незанятых |
узлов |
|
|
|
|
|
|||||
кристаллической |
|
решет |
|
|
|
|
|
||||
ки (вакансий). Наиболее |
|
|
С) |
|
d) |
||||||
интенсивное |
образование |
|
|
|
|
|
|||||
вакансий |
происходит в |
Р и с . |
|
1. Схема |
образования |
дисло |
|||||
плоскости действия |
наи |
|
|
|
кации: |
|
|||||
больших |
|
касательных |
а) идеальная кристаллическая решет |
||||||||
напряжений, |
так |
|
как |
ка; |
в) |
кристаллическая решетка при |
|||||
|
наличии несовершенств; PQ — экстра |
||||||||||
именно |
последние |
|
явля |
плоскость; _[_ — Дислокация; |
с) под |
||||||
ются причиной поврежде |
воздействием напряжений дислокация |
||||||||||
ния дислокаций. |
Однако |
переместилась на один период решет |
|||||||||
ки; |
cL) сдвиг, |
как результат переме |
|||||||||
дальнейший |
механизм |
||||||||||
|
|
щения дислокации. |
|
7
зарождения усталостной трещины связан с величиной нормаль ных напряжений в плоскости действия тШах-
Предполагается, что в условиях действия циклических на пряжений протекают одновременно процесс объединения ва кансий в группы (колонии); процесс диффузии и осаждение вакансий на стенках микропор.
Первый процесс протекает тем интенсивнее, чем больше число действующих дислокаций, которые являются источника ми вакантных мест в кристаллической решетке. Определяющим фактором здесь считаются касательные напряжения. Один незанятый узел кристаллической решетки — это пора с разме рами менее субмикроскопических, но если отдельные вакансии
объединены в |
одну группу, размеры |
поры |
становятся |
микро |
скопическими. |
Поэтому следствием |
первого процесса |
будет |
|
увеличение местной пористости металла, |
называемое |
также |
||
«разрыхлением» структуры, и образование |
зародыша |
уста,- |
лостной трещины в плоскости действия наибольших касатель ных напряжений. Процесс осаждения вакансий на поверхности имеющихся в металле микропор приводит к постепенному уве личению размеров поры и, как итог, к перерождению микропоры в зародыше усталостной трещины. Эффективность этого процесса определяется величиной нормальных напряжений, и зародыш трещины располагается в плоскости действия первого главного напряжения. В действительности, когда два процесса протекают одновременно, на определенной стадии нагружения один из процессов становится ведущим и определяет плоскость появления зародыша усталостной трещины. После образования зародыша начинается процесс разрастания трещины, который также связывают с действием дислокаций.
Взаимодействием такой дислокации с другими, движущими
ся в плоскостях, пересекающих |
плоскость скольжения, |
и объ |
||
ясняется процесс |
разрастания |
зародыша трещины. При этом |
||
возможно прекращение |
роста трещины. Произойдет это в том |
|||
случае, если дислокация |
на остром конце зародыша попадает |
|||
в плоскость, где отсутствует источник дислокаций. |
можно |
|||
Таким образом, |
на основании усталостных теорий |
сделать следующие выводы: разрушение может произойти при среднем напряжении, меньшем предела текучести; вероятность разрушения возрастает с повышением напряжений; на уста лостную прочность влияют упрочнение и разрыхление, механи ческие свойства зерен и их ориентация, дислокации и вакансии,
•а также ряд других факторов.
8
Советская школа в вопросе изучения усталостной прочности материалов и конструкций является ведущей. Широко известны работы отечественных ученых Н. М. Беляева, С. В. Серенсена, И. А. Одинга, Г. В. Ужика, Н. Н. Давиденкова, Г. С. Писарен
ко, Д. Н. |
Решетова, |
И. В. Кудрявцева, |
В. С. |
Ивановой, |
|
Т. А. Лебедева, Н. Н. Афанасьева, М. В. Гарфа и других. |
|||||
Широкие |
исследования усталостной |
прочности |
материалов |
||
и деталей машин проводятся учеными вузов |
и научно-исследо |
||||
вательскими |
институтами Урала (С. Д. |
Волков, В. |
А. Гладков- |
||
ский, Н. В. Воробьев, В. А. Карпунин и другие). |
|
||||
Среди зарубежных |
исследований широкую известность по |
лучили работы В. Вейбулла, Г. Гафа, П. Форреста, Р. Хейвуда, Л. Коффина, П. Людвика и других.
Нужно также отметить, что советская наука о прочности машин развивалась все время в неразрывной связи с практи кой, много внимания уделяется разработке экспериментальных методов. В Советском Союзе созданы оригинальные модели испытательных машин, даны новые критерии усталостной проч
ности. Глубина и размах научно-исследовательской работы, |
|
большое количество решенных проблем |
усталости материалов |
и деталей машин выдвинули нашу науку |
на первое место в |
мире. |
|
|
§ |
2, Основные определения |
|
|
|||||
Усталость — процесс постепенного накопления |
повреждений |
||||||||
материала |
под действием |
повторно-переменных |
напряжений, |
||||||
приводящий к уменьшению долговечности, |
образованию |
тре |
|||||||
щин и разрушению. |
|
|
материала противостоять устало |
||||||
Выносливость — свойство |
|||||||||
сти. Таким |
образом, явление |
разрушения |
образцов под дейст |
||||||
вием повторно-переменных напряжений называется |
усталостью |
||||||||
материала, |
а способность |
выдерживать, не разрушаясь, |
боль |
||||||
шое число |
повторно-переменных напряжений |
называется |
вы |
||||||
носливостью или циклической прочностью. |
|
|
|
|
|||||
В конструкциях и деталях машин в зависимости от харак |
|||||||||
тера воздействия |
внешних |
силовых факторов |
возникают |
пов |
|||||
торно-переменные |
напряжения, изменяющиеся |
во времени по |
|||||||
различным программам. |
|
|
|
|
|
|
|||
Напряжения цикла |
ст, т могут быть выраженьшуравнениями |
||||||||
0 = О тТ " СГа • f ( t ) , Т = |
Тщ_|_ Т а ' f ( t ) , |
|
|
|
|
9