Влияние факторов на предел выносливости

Величина предела выносливости конкретной детали конструкции за­висит от ряда факторов, главные из которых: концентрация напряжений, масштабный фактор (размеры детали) и состояние поверхности детали (шероховатость и поверхностное упрочнение).

Влияние концентрации напряжений.Концентрацией на­пряжений называется повышение напряжений в местах изменений формы или нарушений сплошности материала. Напряжения, вычислен­ные по формулам сопротивления материалов без учета концентрации, называются номинальными напряжениями.

Резкое изменение формыили площади поперечного сечения деталей (наличие отверстий, выточек, галтелей, канавок, надрезов и т. п.) приво-

дят к неравномерному распределению на­пряжений, то есть вызывают концентра­цию напряжений.Причина, вызывающая концентрацию напряжений (отверстие, выточка), называется концентрато­ром напряжений.

Рассмотрим стальную полоску, растя­гиваемую силой F (рис. 25.4). В попереч­ном сечении площадью А полосы действует продольная сила N=F.

Номинальное напряжение равно

Концентрация напряжений имеет местный характер, поскольку с удалением от концентратора напряжения быстро падают, приближаясь к своим номинальным значениям. График распределения напряжений возле концентратора показан на рисунке (иногда их называют местными на­пряжениями).

Явление концентрации напряжений легко понять с помощью так на­зываемой гидродинамической аналогии. Теоретическими и экспериментальными исследованиями доказано сходство между распре­делением напряжений в деталях и скоростями и направлениями отдель­ных струй потока воды, протекающего по трубе, имеющей форму иссле­дуемой детали. В прямой трубе постоянного поперечного сечения ско­рость потока во всех точках сечений одинакова; постоянными остаются и напряжения во всех точках сечения прямого бруса постоянного сечения.

Любое изменение поперечного сечения будет являться препятствием для потока. При сужении трубы скорость потока увеличивается, а при расширении — уменьшается. Аналогичным образом напряжение в сече­ниях прямого бруса увеличивается или уменьшается при изменении раз­меров и формы сечения.

С количественной стороны концентрацию напряжений характеризует теоретический коэффициент концентрации напря­жений К_т,равный отношению наибольшего местного напряжения к номинальному напряжению :

Иногда теоретический коэффициент концентрации напряжений обо­значают и

Концентрация напряжений по-разному влияет на прочность пластич­ных и хрупких материалов. Существенное значение при этом имеет и ха­рактер нагрузки. Если взять пластичный материал, нагруженный статиче­ски, то при увеличении нагрузки рост наибольших местных напряжений при достижении предела текучести приостанавливается вследствие мест­ной текучести материала и произойдет выравнивание напряжения по се­чению. Отсюда можно сделать вывод, что при статической нагрузке пла­стичные материалы малочувствительны к концентрации напряжений.

При нагрузках, быстро изменяющихся во времени, выравнивание на­пряжений произойти не успевает, поэтому концентрацию напряжений необходимо учитывать и для пластичных материалов.

При расчетах на прочность деталей из хрупких материалов концен­трацию напряжений необходимо учитывать и при статической нагрузке, поскольку неравномерность распределения напряжений вследствие их концентрации сохраняется на всех стадиях нагружения.

Теоретический коэффициент концентрации К_тотражает влияние концентратора напряжений в условиях, далеких от разрушения детали, поэтому вводится понятие эффективного коэффициента концентрации напряжений, обозначаемого К или К .

Эффективным коэффициентом концентрации напряжений называется отношение предела выносливости образ­ца без концентрации напряжений к пределу выносливости образцов с концентрацией напряжений, имеющих такие же абсолютные размеры как и гладкие образцы:

Сравнение показывает, что эффективный коэффициент концентрации всегда меньше теоретического. Для стальных валов при МПа при­нимают .

Влияние абсолютных размеров детали. На основании опытов ус­тановлено, что предел выносливости зависит от абсолютных размеров поперечного сечения образца: с увеличением размеров сечения предел выносливости уменьшается. Эта закономерность объясняется тем, что с увеличением объема материала возрастает вероятность наличия в нем неоднородностей строения и нарушений сплошности, что приводит к появ­лению очагов концентрации напряжений

Влияние абсолютных размеров детали учитывается введением в рас­четные формулы соответствующего коэффициента.

Коэффициентом влияния абсолютных размеров поперечного сечения K_d называется отношение предела вынос­ливости гладких образцов диаметра d к пределу выносливости гладких образцов стандартных размеров:

Для стальных валов K_d= 0,52 .. .0,95.

Влияние состояния поверхности детали.На предел выносливости влияют шероховатость поверхности детали и поверхностное упрочнение.

С увеличением шероховатости поверхности предел выносливости понижается, что учитывается введением в расчетные формулы коэффи­циента влияния шероховатости поверхности K_F.

Коэффициентом влияния шероховатости по­верхности называется отношение предела выносливости образцов с данной шероховатостью поверхности к пределу выносливости гладкого стандартного образца.

Значения этого коэффициента лежат в пределах

Для повышения сопротивления усталости широко применяются раз­
личные способы упрочнения поверхностей деталей, например, поверхно­
стная закалка, химико-термическая обработка, обкатка роликами, дробе­
струйная обработка и др. Отношение предела выносливости упрочненных
образцов к пределу выносливости неупрочненных образцов называется
коэффициентом влияния поверхностного упрочне­
ния и обозначается K_v.Обычно K_v =1,1…2,8.

Общий коэффициент снижения предела выносли­вости обозначается К и определяется по формуле: