Файл: Кравченко, Петр Ефимович. Усталостная прочность учебное пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.04.2024
Просмотров: 75
Скачиваний: 1
Продолжение
|
Отли- |
Коэф |
|
|
|
|
фици |
|
|
|
|
|
чи- |
ент |
|
|
|
|
тель- |
Форма кривой цикла |
|
||
Название циклов |
не- |
|
|||
ные |
|
||||
|
Ьим- |
|
|
|
|
|
приз |
|
|
|
|
|
мег- |
|
|
|
|
|
наки |
|
|
|
|
|
рии |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Знакопеременные несимметричные циклы |
|
||||
|
|
|
О |
|
|
Знакопеременный 'цикл |
—1<Г |
|
|
|
|
растяжения]^ |
& ос> 0 |
<0 |
0 г |
|
|
|
|
|
> |
|
|
*ft?- Г -■ ■ |
ас<0 |
|
п Л ? Л\ j А |
f- |
|
Знакопеременный |
|
||||
цикл сжатия |
|
<—1 |
шж |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
О 1 |
|
|
Знакопостоянные’ |
циклы |
|
|
||
Знакопостоянный цикл |
О’ |
|
|
||
0<г. |
|
|
|
||
■растяжения |
<?с>0 |
|
|
|
|
|
|
<1 |
(JmoxV |
pAZljf/rn’n |
|
|
|
|
f |
|
|
Знакопостоянный цикл |
|
| Отах |
|
||
|
|
|
|
||
сжатия |
ас<0 |
1<г |
|
|
|
|
|
<со |
|
|
|
3 накопостоян ыде |
пульс и р у.ю шие |
циклы |
|
||
Пульсирующий цикл |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
растяжения |
ас>0 |
г=0 |
|
|
|
|
|
|
|
г" |
t |
Пульсирующий цикл |
Пг |
|
|
||
|
|
|
|
||
сжатия |
<=с<0 |
г=00 |
|
|
|
■а
11
Аналогично могут быть охарактеризованы и циклы
касательных напряжений. Но знак напряжений в этом случае берется условно: напряжение, направленное в одну сторону, считается положительным, и наоборот.
Знак среднего касательного напряжения никак не влия ет на величину механических характеристик (т. е. на прочность детали) и поэтому в расчетах всегда прини мается положительным.
Способность металлов сопротивляться усталостному разрушению изучалась главным образом при симмет ричных циклах — наиболее простых по их осуществле
нию. Результаты этих исследований, а также исследова ний при несимметричных циклах показывают, что:
1. Число циклов до разрушения зависит не только от величины наибольшего напряжения, но и от ампли туды цикла.
Чем больше аа при одном и том же отах, тем мень ше циклов выдерживает металл до разрушения. Отсюда
следует, что при данном |
атах |
нее |
опасен, |
чем |
||
|
|
|||||
|
|
цикл 2. Самым опас |
||||
|
|
ным |
в |
Отношении |
||
|
|
циклической |
проч |
|||
|
|
ности |
Оказывается |
|||
|
|
симметричный |
цикл, |
|||
|
|
так как он при |
дан |
|||
|
|
ном атах |
имеет |
наи |
||
|
|
большую |
амплиту |
|||
|
|
ду. |
|
|
|
|
Рис. 3. Сравнение различных циклов |
2. Существует та |
|||||
кое |
максимальное |
|||||
с одинаковым |
|
напряжение, которое материал выдерживает без разрушения неограниченное число циклов.
В практике, однако, это число ограничивают, чтобы уменьшить время, потребное для проведения испытаний.
Но при этом число циклов выбирают достаточ/но большим и считают, что если усталостное разрушение
не наступает при этом числе циклов, то оно. невозможно
и при гораздо большем числе циклов.
То предельное (наибольшее по абсолютной величи не) напряжение, которое образец или деталь выдержи-
12
вает без разрушения заданное число циклов, называется пределом выносливости.
Число циклов, которое образец или деталь должны выдерживать без разрушения, задается ГОСТом или техническими условиями и называется базовым. Согласно ГОСТу 2860-45, предел выносливости стальных образцов, подверженных симметричному изгибу, опреде ляется при базе в 5 млн. циклов, а образцов из легких
литейных сплавов — при базе в 20 млн. циклов'.
Для сталей, вновь применяемых, или для сталей,- предназначенных для изготовления деталей, длитель ность работы которых на практике может быть значи
тельно больше 5 млн. циклов, база испытаний может быть увеличена до 10 млн. циклов.
Ограниченный предел выносливости— это наибольшее по величине напряжение, которое обра зец (или деталь) выдерживает без разрушения при чис
ле циклов, меньшем базового числа.
Числа циклов, выбранные в качестве базовых, срав нительно невелики. Так; например, шатун паровой ма шины испытывает за время своей работы больше мил лиарда чередующихся растяжений и сжатий, детали кривошипно-шатунного механизма автомобильного дви
гателя |
— 200 • 10s циклов напряжений и т. д. |
§ 2. |
МАШИНЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ |
Основным показателем выносливости металла явля ется предел выносливости,- Для экспериментального оп ределения пределов выносливости и оценки влияния на их величины различных факторов используются специ альные машины, различающиеся:
а) по видам осуществляемых ими деформаций (ма шины для испытаний на изгиб, кручение и т. д-);
б) по характеру возбуждения сил, деформирующих образец (машины гидравлического действия, резонанс ные, электромагнитные, рычажные и др.);
в) по видам режимов изменения напряжений (маши ны для создания напряжений, изменяющихся по симмет ричному или по несимметричному циклам).
Основное требование, предъявляемое к этим маши нам, — быстроходность и долговечность их. Это требо
13
вание обусловливается основной особенностью испыта ний на. выносливость — их длительностью.
Длительность испытаний и потребность испытывать большие образцы и детали в натуральную величину обусловили быстрое совершенствование усталостных ма
шин. И если еще совсем недавно наибольшие амплитуды
Нпнусный
изгиба
Рис. 4. Схема машины для испытаний чистым изгибом при вращении.
нагрузок в этих машинах измерялись только сотнями ки
лограммов при частоте, в 10—15 герц (1 гц равен 1 цик лу в секунду), то сейчас применяютёя машины (резо
нансные или гидравлические) с амплитудой нагрузки в
десятки тонн при частоте 20—50 герц. Менее мощные современные машины, предназначенные для испытания малых образцов, могут иметь частоту до 5000 герц [2].
Ниже приводятся схемы и краткий анализ конструк ций некоторых машин, получивших наибольшее распрост ранение в лабораторной практике. Наиболее простыми по схеме и конструктивному выполнению являются ма шины для проведения испытаний на переменный изгиб.
На рис. 4 показана схема машины для испытаний
образцов на чистый изгиб при вращении.
14
Отечественные и зарубежные машины, выполненные
по этой схеме, позволяют создавать лишь напряжения
симметричного цикла и имеют частоту около 3000 цик лов в минуту. Образец закрепляется в гнездах шпин делей при помощи конусных зажимов. Вместе с послед ними образец представляет собой балку, свободно лежа
щую на двух опорах А я Г. Опорами Б и В являются качающиеся подшипники, обеспечивающие свободное де формирование этой балки.
Величина нагрузки Р, передаваемой на образец, за висит от положения груза G на рычаге. Максимальные
напряжения, отвечающие данной нагрузке, подсчитыва ются (согласно рис. 4) по формуле
max о == ,
где Мг — Р1 — изгибающий момент на участке чистого изгиба;
HZ |
= |
nd3 |
—1 |
. |
-gj- |
осевой момент сопротивления образца диа |
метром d.
Величину Р легко найти из условия равновесия ры чага в зависимости от величины и положения груза
G [3].
За полный оборот образца напряжения изменяются на полный цикл (как и на рис. 1).
Число нагружений образца (число циклов) фиксиру ется счетчиком оборотов. Машина снабжена автоматом, останавливающим ее в момент излома образца.
При испытаниях используются стандартные образцы
длиной 226 мм и диаметром 9,48 или 7,52 мм (ГОСТ
2860-45). Но изготовление длинных образцов небольшо го диаметра иногда вызывает затруднения (особенно при
шлифовке) из-за недостаточной жесткости их. Вслед
ствие этого, а также из-за необходимости испытывать образцы большего диаметра в настоящее время по этой же схеме созданы более мощные машины (УИПМ-20
и др.), которые позволяют испытывать образцы диамет ром 18—20 мм.
По такой же схеме загружается и вагонная ось (см.
рис. 41).
15
На рис. 5 приведена схема машины для испыта ния консольных образцов на поперечный изгиб . при вращении. По этой схеме выполнены машины Вёлера, ЦНИИТМАШ, НИИЖТ и др. Они также позволяют осу
|
ществить |
лишь |
симмет |
|
|
ричный цикл и работают |
|||
Шпиндель |
с частотой |
от |
трех до |
|
машины |
тридцати тысяч циклов в |
|||
|
минуту .* На осуществ |
|||
|
ленных |
конструкциях |
||
|
возможно |
испытание об |
||
|
разцов или деталей диа |
|||
|
метром от 2 до 300 мм. |
|||
|
В некоторых машинах |
|||
|
действие груза Р заменя |
|||
ется натяжением. тариро |
||||
Эпюра, изгибающих моментов |
ванной пружины. В част |
|||
Рис. 5. Схема машины для ис |
ности, это имеет место в |
|||
пытаний консольных образцов |
машинах большой |
мощ |
||
для испытания вагонных осей |
ности, предназначенных |
|||
в натуральную величину |
||||
и развивающих нагрузку в несколько десятков тонн. |
||||
Преимуществом машин этого типа является |
их |
про |
||
стота. Однако они имеют и серьезный недостаток. |
Боль |
шие изгибающие моменты в консольном образце возни
кают на очень небольшом участке его длины, который к тому же попадает в сопряжение галтели с цилиндром (см. рис. 5). Вследствие этого даже самое малое иска жение размеров или самый незначительный поверхност ный дефект в зоне опасного сечения резко изменяют выносливость образца.
Это указывает на частую возможность искажения результатов испытаний и на необходимость самого тща тельного изготовления образцов.
Если машины для испытаний переменным изгибом получили са мое широкое распространение в лабораторной практике, то машины для испытаний на циклическое кручение менее распространены, чтообъясняется большей конструктивной сложностью их.
Рассмотрим устройство и работу хотя бы одной из таких машин
(рис. 6).
* Машина Вёлера, выполненная по этой схеме, имела частоту 60—80 циклов в минуту. Неудивительно поэтому, что Вёлер продол жал свои опыты болс-е 10 лет (1860—1870 гг.), изучив при этом уста лостные характеристики лишь для небольшого числа материалов,
16