книги из ГПНТБ / Григорьев, К. М. Основы циклической прочности учебное пособие

§ 5. Определение среднего значения предела выносливости и параметров уравнения кривой усталости

В предыдущих параграфах рассматривалась методика опре­ деления характеристик нагрузочного режима. Однако для рас­ чета долговечности по формулам (6.7., 6.10.) необходимо рас­ полагать еще и данными о способности детали сопротивляться усталостному разрушению (ст-щ, m, N0).

Под пределом выносливости детали в данном случае пони­ мается статистическая оценка среднего, определяемая, напри­ мер, по методу ступенчатого изменения нагрузки. Метод, преду­ сматривает испытание серии образцов (деталей) на нескольких уровнях напряжения. Первый образец испытывают при напря­ жении, равном ожидаемому пределу выносливости, а уровень напряжения для каждого последующего образца повышают по сравнению с предыдущим, если тот не разрушился при базо­ вом числе циклов N0, и понижают, если предыдущий образец разрушился. Перепад d между уровнями напряжений выбира­ ется постоянным и не превышающим двух значений среднего квадратического отклонения предела выносливости.

После испытаний подсчитывают общее число разрушений и общее число неразрушепий н выбирают Umin наименьшее из них. Пусть менее частое событие происходило при напряжениях Оо, (Ti....cti ,...., (Тк с соответствующими частотами n 0 ,ni,...,ni,...,nK.

где знак плюс (+ ) ставится, когда Umm — число неразрушепий,

азнак минус (—) — когда Umin—-число разрушений. Определение параметра m уравнения кривойусталости

производится в процессе линейного регрессионного анализа ре­

70

лицы (см. табл. 2).

к

2. Вычислим значение суммыStfaiti при к= 6 (учитываются все i=l

уровни напряжений) 2aaiti= 10-0,136-р 15-0,182 + 20-0,273 + 25-

• 0,227 + 30• 0,136 + 35 • 0,046 = 20,915.

3. Найдем расчетное значение суммы относительных долговеч­

71

L= 0,5-1,3-105=0,6-105 (часов).

11.Решение с учетом влияния на долговечность средних напряжений.

1.Подготовим исходные данные для расчета в форме таблицы

(см. табл. 3).

+28,6 • 0,045 + 27,6 • 0,046 + 26,4 • 0,091 + 32,2 ■0,227 + + 39,0 • 0,046 + 37,9 • 0,091 + 43,6 • 0,045 = 28,524.

6. Ресурс.детали в часах работы изделия

L= 0,5 • 0,23:105»0,1 • 105(часов).

72

Г л а в а VII

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ ПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗОК

• Проектирование деталей машин, работающих в условиях переменных нагрузок, является более сложным, чем конструи­ рование их при статическом нагружении. Ибо оно требует учета концентрации напряжений, нестационарности нагружения, ста­ тических и динамических нагрузок и других факторов.

Если рабочий луч II (рис. 29) пересекает линию пластич­ ности (запас прочности п=£71), то в проектируемой детали не хватает статической прочности, в ней возникают пластические деформации. В этом случае необходимо увеличивать размеры

общие размеры в большинстве случаев нецелесообразно. Доста­ точно изменить материал, конструктивные элементы или же применить специальные методы упрочняющей обработки по­ верхности детали.

§ 1. Выбор материала

Для деталей, работающих при переменных нагрузках, выбор материала должен основываться на его усталостных характери­ стиках.

На практике материал выбирается по статическим характе­ ристикам (0Т, 0в, б5) , Они являются удовлетворительным крй-

74

пределу прочности (К = — )■

Для сталей предел выносливости возрастает примерно пря­ мо пропорционально пределу прочности при растяжении в пре­ делах от 60 кг/мм2 до 125 кг/мм2.

о - легированные с та л и »

Р ис. 33. Зависимость между пределом выносливости O-i-npn

. изгибе с вращением и пределом прочности ов на разрыв для сталей.

Поведение алюминиевых сплавов до некоторой степени по­ добно стали. При превышении предела прочности для стали более 125 кг/мм2 и для алюминиевых сплавов 45 кг/мм2 замет­ ного роста предела выносливости не наблюдается.

Наличие выраженного предела выносливости является же­ лательным свойством, и оно встречается у низко- и среднепроч­ ных сталей, чугуна, алюминиево-магниевых сплавов и некото­

рых титановых сплавов.

Выбор материала во многом будет зависеть от обработки поверхности. Если поверхность детали не подвергается отделоч­

75

ной обработке, то выбор высокопрочного материала мало це­ лесообразен. Высокопрочные материалы, например, легирован­ ные стали, весьма чувствительны к концентрации напряжений и состоянию поверхности. Для них обработка поверхности пу­ тем обдувки дробью и обкатки роликами дает большой эффект. Цементация поверхности увеличивает усталостную прочность.

Предел выносливости гладких образцов для кованого ма­ териала выше, чем для литого, но литые материалы менее чув­ ствительны к концентраторам.

Выбор материала зависит также от напряженного состояния и эксплуатационных условий.

Усталостное разрушение часто является результатом вибра­ ций, особенно для случаев резонансных состояний. В этом слу­ чае рационально применять материал с высокой демпфирую­ щей способностью. Демпфирование материала возникает в ос­ новном за счет пластической деформации и связано с пло­ щадью петли гистерезиса диаграммы сг—в, являющейся мерой способности материала сопротивляться повторной пластической деформации без разрушения. Высокой демпфирующей способ­ ностью обладают мягкая сталь, нержавеющие стали и чугуны. Высокопрочные стали и алюминиевые сплавы имеют низкие значения этих характеристик.

Выбор материала для деталей, работающих в области ма­ лоциклового нагружения, требует специального изучения-.

Нужно иметь в виду, что только небольшую часть уста­ лостных разрушений в рабочих условиях можно отнести за счет дефектности материала. Поэтому прежде всего нужно обращать внимание на недостатки конструкции и на непра­ вильную эксплуатацию.

§ 2. Проектирование деталей

Форма детали является наиболее важным фактором, влияю­ щим на усталостную прочность в большей степени, чем другие факторы. Резкий перепад жесткостей л а различных участках детали создает условия для возникновения концентрации на­ пряжений. Для снижения ее нужно избегать резкого измене­ ния поперечного сечения, придавать плавные очертания сопря­ жениям конструктивных элементов, избегать острых углов и краев, применять конусообразные детали, избегать концентра­ ции нагрузки. Желательно избегать отверстий, шпоночных

76

пазов, надрезов или же их следует располагать в областях низкого основного напряжения, это относится и к расположен нию клейм.

При проектировании деталей необходимо учитывать харак­ тер деформаций конструкции и вторичные деформации в ре­ зультате изменения формы сечения. Особое внимание следует обращать на соединения отдельных частей (болтовые, закле­ почные, сварные и другие соединения).

Снижая вибрацию там, где она неустранима, необходимо обеспечить достаточное демпфирование с помощью демпфера колебаний или использовать демпфирующий материал для ограничения вибрационных напряжений.

При проектировании деталей следует применять методы уп­ рочнения, подбирать для них определенные внешние условия работы (температура, коррозия и т. д.). Коррозия значительно снижает усталостную прочность.

Для повышения сопротивляемости малоцикловой усталости следует применять увеличенные сечения.

На рис. 34, 35, 36 приведены примеры конструктивных эле­ ментов, снижающих концентрацию.

§ 3. Влияние обработки поверхности на усталостную прочность

Можно считать доказанным, что усталостная прочность де­ талей во многом зависит от состояния поверхности и механиче­

из легированных высокопрочных сталей при наличии концент­ раторов напряжений и при плохом состоянии поверхности (риске, коррозии и т. д.) снижается в значительно большей степени, чем у деталей, выполненных из углеродистых или низ­ колегированных сталей.

77

иьбермо

место наиболее беаоягяного

посВлёЩо^гмрешГины

Иebepuo Ьермо

, Возможно о5разо6аиие

трещины

Р и с. 34. Резьбовые соединения.

Усталостная прочность деталей может быть повышена за счет упрочнения поверхностных слоев материала. Наиболее су­ щественны два основных приема улучшения качества поверх­ ностных слоев: 1-) упрочнение за счет пластического деформи­ рования поверхностных слоев материала (обкатка роликами, дробеструйная обработка, жидкостное хонингование и т. д.); 2) упрочнение за счет термической и термохимической обра­ ботки поверхностных слоев материала (поверхностная закалка токами высокой частоты, цементация, азотирование и другие покрытия).

78

Обработка поверхности деталей стальными закаленными роликами повышает их усталостную прочность. В результате такой обработки в поверхностных слоях материала возникают пластические деформации и создаются благоприятные для прочности детали остаточные напряжения.

Дробеструйная обработка пластически деформирует поверх­ ностные слои материала и вызывает в них значительные бла­ гоприятные остаточные напряжения. Эта обработка изменяет физические свойства поверхностных слоев материала — повы-

a h

Ри с . 35. Галтели:

а) необходимо увеличивать радиус перехода на меньший диа­

метр, выгодно галтель очерчивать по эллипсу с отношением

а

— = 1—2,5, эллипс можно заменить дугами двух окружностей

(овал); б) для деталей, где нельзя увеличивать радиус, жела­

тельно применять поднутрение, оставляя больший радиус без изменения, циклическая прочность увеличивается на 30'°/о; в) выточка вблизи галтели уменьшает перепад местностей, со­

храняя посадочный буртик.

шает твердость, прочность, но снижает предел текучести и от­ носительное удлинение. Предел выносливости повышается до

50—60%.

Жидкостное хонингование оказывает аналогичное влияние дробеструйной обработке. Струя жидкости с образивом на­ правляется под определенным углом «атаки» на обрабатывае­ мую поверхность. Наряду с упрочнением поверхностных слоев материала наблюдается значительное улучшение коррозионных свойств детали. Предел выносливости повышается до 30%.

79