Основные характеристики цикла и предел усталости

Прочность при циклических нагрузках

В машиностроении часто приходится встречаться с необходимостью расчета на прочность изделий (валы, вращающиеся оси, зубчатые колеса и т.д.), в которых при работе возникают напряжения, периодически меняющиеся во времени.

Валы предназначены для передачи вращающего момента вдоль своей оси. Силы, возникающие при передаче вращающего момента, вызывают напряжения кручения и изгиба, иногда напряжения растяжения или сжатия.

Оси не передают вращающий момент; действующие в них силы вызывают только напряжения изгиба.

Валы вращаются в подшипниках. Оси могут быть вращающимися или неподвижные.

Основные характеристики цикла и предел усталости

Простейший пример детали, испытывающей напряжения, изменяющиеся во времени – вращающаяся ось, нагруженная постоянной нагрузкой. Ось испытывает циклически изменяющиеся напряжения при постоянных внешних силах, т. к. части вращающейся оси находятся то в растянутой, то в сжатой зоне (рис. 1).

Напряжение при изгибе в любой точке контура поперечного сечения (точка на рис. 1) при вращении оси изменяются по синусоидальному закону:

,

где – угловая скорость вращения оси.

Напряжения через определенный период времени , пройдя через ряд значений, возвращаются к исходной величине. Совокупность последовательных значений напряжений за одни период их изменения называется циклом напряжения. Каждый цикл характеризуется следующими параметрами (рис. 2):

Рис. 1. Циклически изменяющиеся напряжения

1. Максимальное напряжение – наибольшее по алгебраической величине напряжение цикла.

2. Минимальное напряжение – наименьшее по алгебраической величине напряжение цикла.

Рис. 2. Параметры цикла

3. Среднее напряжение или статическая составляющая цикла – алгебраическая полусумма и напряжений цикла:

. (1)

4. Амплитуда цикла, или переменная составляющая цикла – алгебраическая полуразность и напряжений цикла:

. (2)

Из (1) и (2) следует, что .

5. Коэффициент асимметрии цикла:

, (3)

Если , то цикл называется симметричным (рис. 3). Во всех остальных случаях цикл асимметричный (рис. 2).

Для симметричного цикла и .

Если , то и цикл называется отнулевым (рис. 4).

Циклы, имеющие одинаковые коэффициенты асимметрии, называются подобными.

Рис. 3. Симметричный цикл

Рис. 4. Отнулевой цикл

Разрушение деталей при действии переменных напряжений происходит при напряжениях, значительно меньших предела прочности, а иногда и предела текучести материала.

Если уровень напряжений превышает определенный предел, то в материале формируются необратимые процессы накопления повреждений, которые приводят к разрушению детали.

Процесс разрушения начинается с появления микротрещины (в наиболее напряженном месте детали, либо там, где в материале есть внутренние дефекты). С течением времени происходит развитие микротрещины. Когда прочность оставшейся неповрежденной части сечения становится недостаточной, происходит внезапное разрушение детали.

Процесс постепенного накопления повреждений в материале под действием переменных напряжений, приводящих к образованию трещин и разрушению, называется усталостью.

Такое название объясняется тем, что долгое время существовало мнение, будто под влиянием переменных напряжений металл «устает» и вместо пластичного становится хрупким. На такую мысль наводил вид излома деталей (рис. 5), имеющих характерные особенности: поверхность излом делится на две резко различные зоны. В одной зоне металл имеет гладкую поверхность, в другой – шероховатую, типичную для хрупкого излома.

---

Дата добавления: 2015-07-16