Предельные напряжения при знакопеременных нагрузках

Величина наибольшего напряжения, которое может выдержать повторно (часто до бесконечности) без разрушения и недопустимых деформаций, называется пределом выносливости при знакопеременных нагрузках . Предел выносливости определяется экспериментальным путем – воздействием знакопеременных нагрузок на пробные образцы материалов вплоть до их разрушения; если испытывается много образцов, то способность материала сопротивляться усталостному разрушению, можно выразить графиком с помощью кривой Веллера (зависимость максимального напряжения от числа циклов нагружения до разрушения). Для стали, кривая Веллера проходит по оси абсцисс до 2…10 миллионов циклов, для цветных металлов число циклов составляет около 100 миллионов.

На практике не всегда учитывается влияние дополнительных факторов (износ, коррозия, многократные перегрузки и т.д.). В этом случае число циклов нагружения уменьшается. Следует отметить, что , для повышенных средних напряжений . Коэффициент запаса прочности (значение нагрузки обозначается дополнительным индексом предела выносливости в виде большой буквы). Усталостное разрушение обычно происходит без пластических деформаций. Для пластмасс предельное число циклов нагружения не всегда может быть указанно, т.к. начинает проявляться их ползучесть. Для сталей с высоким сопротивлением разрыву внутренние напряжения, как результат производственных процессов, могут оказать значительное влияние на усталостную прочность.

Диаграмма усталостной прочности

Для каждого минимального и среднего напряжения можно определить величину амплитуды напряжения вплоть до «бесконечного числа циклов», пользуясь диаграммой прочности при испытании на усталость (см. рис.).		Влияние качества поверхностей на предел усталости при изгибе и растяжении-сжатии
Диаграмма усталостной прочности
Особые случаи предела усталости
Предел усталости при пульсирующем цикле напряжения:
Напряжение	Сталь	Цветные металлы
Растяжение-сжатие	0,30…0,45	0,2…0,4
Изгиб	0,40…0,55	0,3…0,5

 

Допустимые циклические напряжения в деталях с надрезами

Фактический предел выносливости деталей с надрезами в большинстве случаев выше, чем вычисленный по формуле с применением коэффициента . Материалы имеют разную чувствительность к концентрации напряжений в надрезе при многократных нагрузках; например пружинная сталь, высококачественная конструкционная сталь, высокопрочная бронза более чувствительны, чем чугун, нержавеющая сталь и упрочненные алюминиевые сплавы. При многократных нагрузках вместо коэффициента в расчетах применяется коэффициент эффективности надреза , так что например, при =0 эффективная амплитуда напряжений составит (показывает номинальное напряжение на оставшуюся площадь поперечного сечения). При этом должно соблюдаться следующее соотношение:

На основе многократных опытов установлена зависимость коэффициентов и . Тамм ввел дополнительный коэффициент чувствительности к надрезу и установил соотношение:

.

Коэффициент не является постоянной характеристикой материала; он также зависит от термообработки и вида нагружения.

Усталостная прочность конструкции

Для многих деталей машин трудно или даже не возможно определить коэффициент концентрации напряжения и коэффициент эффективности надреза . В этом случае предел усталости всей детали (например, усталостная прочность под действием пульсирующей нагрузки в Н или пульсирующего изгибающего момента в Нм) должен определяться экспериментально и сравниваться с результатами испытаний, приведенными в литературных источниках. Местные напряжения при испытаниях могут непрерывно измеряться тензометрическими датчиками. Как альтернативный вариант или для предварительного расчета, в целях выявления распределения нагрузки и сравнения с соответствующими допустимыми нагрузками, может применяться метод конечных элементов.

Свойство ползучести

В материале, подвергающемся длительному воздействию больших напряжений и/или высоких температур, может возникнуть ползучесть, а затем и релаксация. Если не желательны даже очень небольшие деформации, возникающие при этом, то при расчетах и почти неизмененных напряжениях необходимо учитывать свойства ползучести материала.

Ползучесть – остаточная деформация при равномерных нагрузках и почти неизмененных напряжениях (например, у лопаток турбины).

Релаксация – ослабление внутренних напряжений; при этом первоначальная упругая деформация становится остаточной.