Файл: Кравченко, Петр Ефимович. Усталостная прочность учебное пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.04.2024
Просмотров: 71
Скачиваний: 1
ПУeЯИЧНАЯ , !
- |
v .....■— |
ПРЕДИСЛОВИЕ
При изучении курса «Сопротивление материалов» все большее л большее внимание уделяется изучению вопро сов усталостной., прочности. , ■
Однако изложение этих вопросов в учебниках и учеб ных пособиях' страдает рйДо'й существенных Недостат
ков (недостаточная четкость изложения основных поня
тий, отсутствие конструктивно-актуальных и достаточно
простых расчетных примеров, отсутствие |
сведений |
о |
|
методах повышения усталостной прочности и т. п.). |
по |
||
Сказанное побудило автора |
написать |
пособие, |
|
возможности лишенное указанных недостатков. |
|
||
В пособии дается краткое изложение всех основных |
|||
вопросов усталостной прочности. |
Краткость изложения |
||
достигнута не в ущерб доступности изложения, а |
за |
||
счет исключения второстепенных |
вопросов, излишних |
уточнений и справочных данных.
Достигнутое сокращение объема позволило рассмот
реть вопрос о путях повышенияусталостной прочности,
а также изложить результаты тех исследований, кото рые проведены в последнее десятилетие.
Часть материала, данную, петитом, читатель может опустить без ущерба для понимания последующих во просов.
Пособие рассчитано на студентов, изучающих курс «Сопротивление материалов».
Кроме того, оно может быть полезно для инженеров
и техников при проектировании деталей машин.
Автор выражает искреннюю благодарность рецензен там профессору С. С. Миловидову и инженеру Г. М. Иц
ковичу, а также преподавателям кафедр Куйбышевско го индустриального, Ждановского металлургического, Ленинградского, Горьковского.и Томского политехниче ских институтов, приславшим свои отзывы на пособие.
Автор..
3
ВВЕДЕНИЕ
В середине прошлого века, т. е. в период бурного расцвета металлургии и создания различного рода ме ханизмов и машин, с постоянно увеличивающимися ра бочими скоростями, внимание технического мира все ча
ще и чаще стали привлекать следующие факты. Оси поч товых карет, железнодорожных вагонов и некоторые другие конструкции, сделанные из доброкачественного и достаточно пластичного металла, иногда внезапно раз рушались, не давая при этом остаточных деформаций, т. е. разрушения имели выраженный хрупкий характер.
Опасность оказалась тем более серьезной, что рас
четные напряжения в этих случаях всегда были ниже
не только пределов статической прочности, но и тех на пряжений, при которых возникают первые остаточные деформации.
Вскоре было замечено, что такие хрупкие разруше ния наблюдаются лишь в тех случаях, когда металл де тали подвергается действию многократных повторно-пе ременных (циклических) нагружений-
Последующие наблюдения показали, что разрушение
деталей происходит не сразу, а после некоторого (иног да довольно продолжительного) периода их работы. Это обстоятельство породило гипотезу о том, что при дейст вии повторяющихся нагружений металл «перерождает ся», «устает» (подобно уставанию живых организмов),
структура его изменяется, из пластичного -он делается хрупким.
В подтверждение созданной гипотезы авторы ее ука зывали на вид поверхности излома при циклических
нагружениях, который, как казалось, подтверждал спра ведливость этой гипотезы. И только опыты Баушингера (80-е годы) показали ее несостоятельность, хотя сам Баушингер не дал и не мог еще дать такого объяснения
4
разрушению при циклических нагружениях, которое вы работано в настоящее время.
Опыты Баушингера показали, что сопротивление разрыву и .относительное удлинение образца, выточен
ного из детали, разрушенной при циклических нагруже
ниях, не снижаются по сравнению с теми же.характери стиками для исходного материала.
. Таким образом, уже эти опыты указывали на то, что
никакого перерождения или уставания металла при его
работе с циклическими нагружениями не происходит и, следовательно, гипотеза о разрушении от усталости не
верна.
Однако термин «усталость металлов», благодаря его краткости и широкому распространению, сохранился и
до настоящего времени,,хотя теперь в него вкладывается совершенно иной смысл.
Работы Ф. П, Белянкина и других 'исследователей показали, что усталости подвержены не Только метал лы, но и другие материалы (дерево и пластмассы).
В последующем нами используется главным образом термин «усталость металлов», т. е. рассматривается лишь поведение металлов и их сплавов при циклических на гружениях.
* * *
Опыт эксплуатации современных быстроходных ма шин показывает, что большинство поломок деталей этих машин носит усталостный характер. Число таких поло мок составляет примерно 80—90% от общего числа по ломок ([1]-и др.).
Этим обстоятельством определялась и определяется необходимость всестороннего изучения вопросов уста лостной прочности..
Первые работы, связанные с изучением усталостной
прочности осей вагонов, выполнены в Англии в .1848—
1850 гг.
Именно в этот период на одном из собраний в Лон донском институте инженеров-механиков было заявлено, что «...даже при условии величайшей тщательности в из
готовлении, оси под воздействием вибраций подвер
жены быстрому повреждению...» и,что «...при этом проис ходит какое-то изменение природы железа...».
5
В Портсмуте в этот |
же период было проведено пер |
вое экспериментальное |
исследование, имевшее целью |
изучить прочность железных брусьев при многократно
повторяющемся изгибе.
На основании этого и других исследований было установлено, что повторяющуюся нагрузку можно счи тать безопасной, если она не превышает одной трети от
разрушающей статической нагрузки.
Однако все это — лишь первые шаги в изучении яв ления усталости.
Первое систематическое изучение этого
явления было выполнено немецким инженером иссле
дователем Вёлером (1819—1914).
Работая более 20 лет на железной дороге,(с 1847 г.); Вёлер наблюдал и изучал частые поломки осей подвиж ного состава, имея целью найти причину этих поломок
иуменьшить число аварий.
Впроцессе своих поисков Вёлер спроектировал и из
готовил ряд машин, на которых испытывались на уста лость не только образцы, но и натурные оси вагонов.
В последующем изучением явления усталости зани мались Баушингер, Дженкин, Гаф, Орован и многие другие зарубежные исследователи.
В России пионерами в этой области были цроф. М. А. Воропаев, первым выполнивший большое иссле дование по усталости чугунов (1910 г.), и акад. К. К-
Симинский, поставивший серию опытов по изучению
усталости мостового железа (1920 г.).
Однако широкие исследования вопросов усталостной прочности в нашей стране начались только с 1925 г. Ре зультаты этих исследований с 1930 г. стали внедряться в расчетную и производственную практику.
Из большого количества работ, выполненных совет
скими учеными за этот период, следует отметить преж
де всего теоретические и экспериментальные иссле дования Н. Н. Давиденкова, С. В. Серенсена, Н. И. Афа насьева, Н. П. Щапова, И. А. Одинга, Г. В. Ужика, Р. С.
Кинасошвили и др. Эти работы сыграли решающую роль в деле внедрения прогрессивных методов расчета,
конструирования и создания надежных и экономичных конструкций.
Глава I
УСТАЛОСТЬ МЕТАЛЛОВ И МЕТОДЫ ОПЫТНОГО
ИЗУЧЕНИЯ ЭТОГО ЯВЛЕНИЯ
§ 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Большинство деталей машин в процессе работы подвержено действию переменных напряжений, т. е. на пряжений, которые многократно изменяются во вре
мени.
Это изменение связано либо с изменением величины нагрузки, действующей на деталь, либо вызывается из менением положения детали по отношению к действую щей нагрузке (которая может иметь постоянную вели
чину и направление). Так, если на вращающуюся ось
действует постоянная по величине и направлению сила Р (рис,-1а), то напряжения в рассматриваемой точке А
Рис, 1. Изменение напряжений в поперечном сечении вращающейся оси
7
поперечного |
сеченияпосле |
поворота оси на угол <р |
будут: |
Mz |
М, |
|
||
|
<3 =-7-y = -r-rsin<f> |
|
ИЛИ |
1 z |
1 z |
Мг |
|
|
|
|
|
|
ад= w^sin< |
|
где |
изгибающий момент в рассматриваемом |
|
Mz = В . а _ |
||
сечении; |
|
|
Z- |
яйР |
|
Wz = —р- ~ "32-----осевой момент сопротивления;
со — угловая скорость вращения оси.
Таким образом, напряжения в рассматриваемой точ ке изменяются по синусоидальному закону и уже за пол оборота оси они меняются от максимальных сжимаю щих (в положении Л2) до максимальных' растягиваю
щих (в положении А3). За полный оборот напряжения в
этой точке принимают все возможные значения (рис.
1, б) и становятся опять максимальными сжимающими. В тех случаях, когда с изменением угла поворота оси меняется и величина действующей нагрузки, карти
на изменения напряжений будет более сложной. Другим примером детали, испытывающей перемен
ные напряжения, являемся шатун двигателя: при рабо чем ходе он испытывает переменные напряжения сжа тия, а при всасывании — переменные напряжения ра стяжения.
Действию переменных напряжений подвержены так же торсионные валы, рессоры, вагонные оси, клапанные пружины, коленчатые валы и многие другие детали ма шин.
Опыт показывает, что металл таких деталей после многократного приложения переменных нагружений раз рушается при напряжениях не только меньших предела прочности, но часто даже меньших предела упругости.
Свойство металлов разрушаться под действием пере менных напряжений по истечении некоторого срока службы называется усталостью металлов.
Способность металлов выдерживать большое число смен переменных напряжений без разрушения называ ется выносливостью, или циклической прочностью.
8
.Закон изменения переменного напряжения во вре мени и пределы изменения напряжений могут отличать ся большим разнообразием. В большинстве случаев при исследовании усталости образец испытывается при на
пряжениях, изменяющихся, по синусоидальному закону, так как именно таков характер их изменения во многих вращающихся деталях машин (рис. 1).
Однократная смена напряжений, получающих непре рывный ряд значений, называется циклом. Растя и-
- t-время
Рис. 2. Параметры цикла переменных напряжений
ваюшие напряжения считаются положительными, а сжи мающие — отрицательными.
Продолжительность цикла во времени называется периодом цикла. За один период напряжения принимают всевозможные значения, свойственные дан
ному циклу (рис. 2).
Число циклов в секунду называется частотой из менения напряжений.
Основными параметрами цикла являются (см. рис- 2):
— наибольшее (по алгебраической величине) напряже ние цикла отах;
—наименьшее (по алгебраической величине) напря жение цикла <3ацп;
—среднее напряжение цикла, равное алгебраической
полусумме напряжений агаах и qmin: ос =
cmix -J" qmln .
2
— амплитуда цикла, равная алгебраической полураз ности этих же напряжений:
_ |
°тах — . |
°а= |
------- 2------; |
9
—коэффициент несимметрии цикла:
г— pmin
ртах
Поскольку отах и smin всегда берутся с учетом их знаков, то среднее напряжение цикла ос может быть как положительным, так и отрицательным, а амплитуда цикла всегда положительна.
Пикл, в котором наибольшее и наименьшее напряже ния одинаковы по величине, но противоположны по зна ку, называется симметричным. Для такого цикла
г=—1. Если численные значения отах и omin
Отах га
не равны между собой, цикл называется несиммет ричным.
Несимметричный цикл растяжения, для которого amin
равно нулю, |
называется |
пульсирующим. Для не |
го г = |
= о. |
|
amax |
2 видно, что |
всякий несимметричный цикл |
Из рис. |
можно получить наложением симметричного цикла с ам плитудой Од на постоянное среднее напряжение ае.
Основные виды циклов нормальных напряжений и их
параметры приводятся в таблице 1.
|
|
|
Таблица 1 |
|
Основные виды циклов и |
их параметры |
|||
|
Отли- |
Коэф |
|
|
f |
чи- |
фици |
|
|
ент |
|
|||
Название циклов |
тель- |
|
||
не- |
Форма кривой цикла |
|||
ные |
||||
|
сим |
|
||
|
приз |
|
||
|
мет |
|
||
|
наки |
|
||
|
рии |
|
||
|
|
|
||
Цикл постоянных (стати- |
ва=0 ' Г=1 |
Растяжение |
||
ческих) напряжений |
|
|
t |
|
Симметричный цикл |
ас=0 |
/■--1 |
|
10