книги / Усталость крупных деталей машин

ной степени изменяться в зависимости от абсолютных размеров образцов и коэффициентов концентрации напряжений (подробнее см. гл. I I I ) .

Приведенные данные показывают, что если для крупных образ­ цов или образцов с концентраторами напряжений испытания на усталость при кручении оправданы, то испытания гладких сталь­ ных образцов малых размеров во многих случаях нецелесооб­ разны.

Указанные пути сокращения испытаний на усталость металлов могут сэкономить время и трудозатраты без ущерба в точности

идостоверности определяемых величин пределов выносливости.

2.Значительное число испытаний на усталость (особенно в за­ водских лабораториях) выполняют на крупных моделях или на­ турных деталях и связаны с большой стоимостью или длитель­ ностью их изготовления. Такого рода испытания не регламентиро­ ваны стандартом, и их проводят по разнообразным методикам.

Для ускорения и удешевления испытаний предложены много­ численные методы определения пределов выносливости на малом числе образцов (метод Продта, Докати — Бегагоена и др.). Однако все они не гарантируют от больших погрешностей и, кроме того, (как в методе Докати) предполагают известными некоторые веро­ ятные граничные положения левых ветвей кривых выносливости.

Известный метод «вверх-вниз» [351 наиболее приемлем для испытаний на моделях, однако он доступен только для мощных лабораторий научно-исследовательских институтов, так как требует значительного числа образцов (30 и более).

Иногда проводят испытания на усталость дорогостоящих и трудоемких объектов путем сравнения их долговечности (число циклов до разрушения) на уровне, превышающем предел выносли­ вости. Этот метод может дать полезную информацию только в том случае, если выбранный уровень нагружения соответствует экс­ плуатационному. В противном случае можно допустить большую ошибку, так как кривые усталости для сравниваемых объектов могут пересекаться.

В нашей практике испытания дорогостоящих крупных образцов или моделей на усталость использован метод, который можно именовать методом полнобазных ступенчатых перегрузок. Сущ­ ность метода состоит в следующем. Для испытаний берут серию образцов (три или более); первый образец испытывают при напря­ жении, близком к ожидаемому пределу выносливости, и если он

далее, пока образец не сломается. Второй образец также нагру­ жают ступенчато (после прошествия базы испытаний на каждой ступени), начиная с нагрузки на одну ступень ниже той, на кото­ рой сломался первый образец. Последующий образец нагружают

Метод полнобазных ступенчатых перегрузок является комби­ нацией двух методов — метода перегрузок по Локати и метода «вверх-вниз». От метода Локати он отличается тем, что ступени нагружения, на которых ведут испытания, располагаются ниже предела выносливости (а не выше, как у Локати), и цикловую базу на каждой ступени выбирают равной базе при обычных (стандартных) испытаниях. Метод предполагает, что нагружения на ступенях ниже предела выносливости не вызывают в образце никаких повреждений. Это предположение предусматривает и ме­ тод Локати.

От метода «вверх-вниз» использован порядок статисти­ ческой обработки результатов испытаний. В отличие от метода «вверх-вниз» в рассматриваемом методе каждый образец доводят до разрушения, и, таким образом, число точек, подвергаемых статистической обработке, увеличивается вдвое.

Правомерность применения указанных статистических обра­ боток для метода полнобазных ступенчатых перегрузок обосно­ вывается тем, что любую последовательность испытаний образцов, полученную этим методом, можно перестроить в последователь­ ность, строго отвечающую требованиям «вверх-вниз». При этом может остаться неиспользованной часть опытных данных, относя­ щихся к неразрушенным образцам, что не играет роли, так как подсчеты ведут только по сломавшимся образцам. Допущение об отсутствии накапливания повреждений при тренировках образ­ цов на уровнях напряжений ниже предела выносливости не

Рассматриваемый метод помогает существенно (приблизи­ тельно вдвое) экономить число образцов при статической обработке результатов и принципиально допускает определение предела выносливости даже при испытании только одного образца. Опыт ЦНИИТМАШа по испытанию на усталость (при изгибе и кручении) особо крупных образцов показывает рациональность применения метода полнобазных ступенчатых перегрузок для широкого круга сортов и состояний сталей и чугунов. При желании, помимо определения величины предела выносливости, можно дополни­ тельно фиксировать и долговечность сломавшихся образцов. В этом случае можно представить результаты испытаний графи­ чески в координатах а и — N или в а — lg N.

При испытаниях по рассматриваемому методу возрастает машинное время (суммарное число циклов для испытания образцов данной серии), однако в большинстве случаев стоимость и трудо­ емкость изготовления сложных по форме и изготовлению крупных образцов значительно превосходят потери, связанные с удлине­ нием сроков испытаний.

За последние годы в ЦНИИТМАШе накоплены эксперименталь­ ные данные, касающиеся сопротивления усталости стальных валов диаметром до 280 мм. Испытания на усталость проводили при изгибе по симметричному циклу на машинах с вращающимся образцом (для диаметров до 42 мм) или на инерционных машинах, осуществляющих круговой изгиб (машина У-200) или изгиб в од­ ной плоскости (машины УП-50, УП-200 и УП-300).

Испытания вели с различными целями, для решения конкрет­ ных практических задач, возникавших в разное время на заводах тяжелого и энергетического машиностроения. По результатам испытаний делали частные выводы. В данной книге по обобщениям этих материалов сделаны более широкие выводы, касающиеся сравнения сталей различных марок по масштабному фактору, чувствительности к надрезам и способам нагружения. Рассмотрим только стальные валы круглого поперечного сечения — гладкие и ступенчатые с галтельным переходом (табл. 2). Цикловая база испытаний составила 107 (за исключением случаев, отмеченных в примечании к табл. 2). Во всех случаях критерием разрушения считали появление на валу макротрещины. Состояние поверхности образцов Rz = 20 и Ra = 2,5 мкм.

Во многих случаях пределы выносливости сталей определяли на образцах, диаметр которых был больше обычно принятых лабораторных (7— 10 мм). Принимая во внимание наличие устой­ чивой связи между временным сопротивлением при растяжении сталей и их пределом выносливости [41 ], было принято сг_1(10) =

в табл. 2 приведены также результаты испытаний одной марки литой стали. Образцы валов изготовляли из поковок или проката в состоянии после термообработки (нормализация или улучшение для углеродистых сталей и улучшение — для легированных).

где В = V А (1—2/ЗА); А = (Did — 1) 2Did и R — радиус круговой галтели перехода от малого d к большому D диаметру ступенчатого вала.

сталей и 0,77—0,50 для легированных сталей (при этом не приняты во внимание две верхние кривые как относящиеся к испытаниям при N = 10°). Области значений еа для легированных и углеро­ дистых сталей практически совпадают (особенно если принять во внимание, что единственное низкое значение для легированных сталей (еа = 0,5) относится к стали 34ХН1М с высоким временным

Можно заключить также, что в пределах каждой из двух рас­ сматриваемых групп сталей коэффициент масштаба понижается с ростом временного сопротивления сталей. Важным отличием углеродистых сталей от легированных является повышенное значение временного сопротивления у последних при практически равных значениях коэффициентов масштаба. Опытные данные дают основание предполагать также, что при малых цикловых базах испытаний (1 млн. циклов) влияние масштабного фактора уменьшается. Литая сталь обладает большей чувствительностью к масштабу, чем кованые стали.

вости при изгибе для образцов при консольном нагружении (при вращении) или при действии постоянного изгибающего момента по рабочей длине образца (по схеме Мура). Не удалось также обна­ ружить разницы в результатах испытаний при изгибе в одной плоскости по симметричному циклу и изгибе с вращением. Повидимому, различия в условиях нагружения оказывают влияние, не выходящее за пределы погрешностей опытов. Однако получа­ емые в результате испытаний величины пределов выносливости не следует рассматривать как высокоточные. Обычные испытания на усталость по 7—20 образцов в серии (а для особо крупных валов три-четыре образца) не могут гарантировать погрешность меньше 7— 10% от определяемой величины сг_х.

Опытные данные ЦНИИТМАШ позволяют только приближенно судить о влиянии формы поперечного сечения образцов на сопро­ тивление усталости. На рис. 12 приведены результаты испытаний на усталость катаной стали 22К разных поперечных сечений. Из этих данных можно сделать вывод (в пределах ограниченной точности), что образцы квадратного сечения (200 X 200 мм) при испытании на изгиб в одной плоскости по симметричному циклу и образцы круглого сечения ( 0 150—200 мм) при испытании на изгиб с вращением обладают примерно одинаковым сопротивле­ нием усталости.

Исходя только из имеющихся ограниченных данных, можно считать, что сопротивление усталости стальных валов при изгибе по симметричному циклу практически не зависит от схемы нагру­ жения (изгиб образца при вращении при консольном нагруже­ нии, чистый изгиб с вращением или изгиб в одной плоскости). Можно полагать, что возможные погрешности при указанных допущениях не выйдут за пределы обычных рассеяний опытных данных при определениях пределов выносливости валов.

3. МАСШТАБНЫЙ ФАКТОР В УСТАЛОСТИ ВАЛОВ

СКОЛЬЦЕВЫМИ НАДРЕЗАМИ

Влияние масштаба для валов с кольцевыми надрезами было экспериментально изучено в ЦНИИТМАШ [5] на сталях (табл. 3).