Прочность при переменных напряжениях

В процессе работы в конструкции возникают различные по знаку и величине напряжения. Экспериментально установлено, что элементы конструкции, подверженные воздействию знакопеременных напряжений, разрушаются при действии напряжений, меньших предела пропорциональности.

Разрушение материала под действием знакопеременных напряжений называется усталостью.

Усталостное разрушение начинается с образования в наиболее слабом месте детали сначала микро-, а затем макротрещины, которые при переменной нагрузке имеют тенденцию прогрессивно развиваться. Развитие трещин идет особенно интенсивно, если напряжения изменяются не только по величине, но и по знаку.

Характер изменения напряжений во времени отличается большим разнообразием. Часто конструкции испытывают

Рис. 2.48

действие нагрузок, случайным образом изменяющихся во времени или, как говорят, представляющих собой случайный процесс.

Если максимальное (или) и минимальное ( или xmjn) значения напряжений численно равны между собой, но противоположны по знаку, то цикл изменения напряжения называется симметричным (рис. 2.48, а). Если же максимальные и минимальные напряжения по модулю не равны между собой, то цикл называется асимметричным (рис. 2.48, б).

Степень асимметрии цикла характеризуется коэффициентом асимметрии

(2.102)

Цикл, минимальное напряжение которого равно нулю, называется отнулевым (пульсирующим) (рис. 2.48, в).

Коэффициент асимметрии симметричного цикла, а для отнулевого цикла. В случае постоянных напряжений

Величина называется амплитудой, а – средним напряжением цикла.

Экспериментально установлено, что число циклов, при котором происходит разрушение, зависит не только от величины максимального (по абсолютному значению) напряжения, по и от амплитуды колебания напряжений: чем больше σ„ при одном и том же, тем меньше перемен нагрузки выдержит материал. Поэтому из всех циклов наиболее опасным является симметричный.

Определение предела выносливости

Наибольшее по абсолютному значению напряжение цикла, при котором еще не происходит усталостное разрушение, называется пределом выносливости.

Его обозначают символамиис указанием в индексе значения коэффициента асимметрии цикла, для которого эти величины определялись. Так,ипредставляют собой пределы выносливости при симметричном цикле, аи– при отнулевом цикле.

Предел выносливости материала определяется путем испытания идентичных образцов при различных значениях (но при поименном коэффициенте асимметрии R) и регистрации количества циклов, в которых происходит разрушение каждого образца.

Первый образец испытываемой партии нагружается так, чтобы максимальные напряжения превышали предел выносливости при данном коэффициенте асимметрии цикла, и но счетчику на машине устанавливается количество циклов, которое выдержал образец перед разрушением. Количество циклов, выдерживаемых образцом или деталью перед разрушением, называется циклической долговечностью.

В каждом последующем образце при том же коэффициенте асимметрии цикла создастся максимальное напряжение меньшее, чем в предыдущем, а также регистрируется число N циклов, при котором эти образцы разрушаются.

Эксперименты показывают, что образцы из большинства черных металлов, выдержавшие 10' циклов, обычно не разрушаются при дальнейшем увеличении числа перемен нагрузки. Кривая усталости для таких материалов асимптотически приближается к горизонтальной прямой. Отрезок, отсекаемый этой прямой на оси ординат, определяет предел выносливости материала при данном коэффициенте асимметрии цикла R (рис. 2.49, а).

Для цветных металлов, строго говоря, не существует такого числа циклов, выдержав которые, образец не разрушается при дальнейшем испытании. Кривые усталости цветных

Рис. 2.49

металлов не имеют горизонтальной асимптоты (рис. 2.49,6). В таких случаях можно говорить лишь о пределе ограниченной выносливости

Пределом ограниченной выносливости называется максимальное напряжение цикла., при котором материал выдерживает перед разрушением наперед заданное число циклов N, называемое базой испытания.

Результаты экспериментальных исследований показали, что пределы выносливости одного и того же материала при растяжении и кручении меньше предела выносливости при изгибе. Например, при симметричном цикле предел выносливостипри растяжении равен , а при кручении – , где – предел выносливости при изгибе. В справочной литературе приводятся значения, полученные но результатам испытаний на переменный изгиб.