Статическая прочность деталей машин
| Статическая прочность детали определяется ее способностью сопротивляться разрушению от максимальных кратковременных нагрузок. |
Характеристики статической прочности деталей - пределы прочности, текучести и пропорциональности - определяют во время статических стендовых испытаний, при этом схемы нагружения деталей близки к реальным. В качестве примера на рис. 96 приведена диаграмма статического кручения ( до зоны текучести) пяти полуосей автомобиля ЗИЛ-164 полностью разгруженного типа. Повышение статической прочности деталей бурильной колонны может быть достигнуто применением легированных сталей и объемной термической обработкой. Использование сравнительно дорогой легированной стали без термической обработки считается нерациональным. В связи с этим возникает необходимость в исследовании влияния термической обработки и последующего комбинированного упрочнения на коррозионно - - усталостную прочность легированных сталей и натурных замковых соединений. На статическую прочность деталей, выполненных из пластических материалов, концентрация напряжений не влияет, а поэтому в расчетах не учитывается. Если же деталь выполнена из хрупкого материала, то ее прочность снизится вследствие концентрации напряжений. На статическую прочность деталей, выполненных из пластических материалов, концентрация напряжений не влияет, а поэтому в расчетах не учитывается. Для оценки статической прочности деталей, имеющих значительное рассеяние механических характеристик, целесообразно применять статистический подход. Обычно исходят из нормального распределения характеристик прочности. Это отношение можно рассматривать как накопленную частоту, по которой оценивается вероятность Р разрушения детали при напряжении, меньшем или равном ат. При определении статической прочности деталей из хрупкого материала с дефектами важную роль играет величина удельной энергии К, необходимой для образования единицы поверхности излома. Экспериментально изучалась зависимость статической прочности деталей из твердой стали от концентрации напряжений у надреза, например, в работах Тума, Потака и других исследователей. Соответственно этому при расчете статической прочности деталей критерием прочности пластичных металлов считается предел текучести от, а для хрупких металлов - предел прочности ов. При наибольших кратковременных нагрузках проверяется статическая прочность детали; при длительно-действующих циклических нагрузках производится расчет на выносливость. В конструкциях арматуры необходимо обеспечить статическую прочность деталей, поскольку они, как правило, воспринимают статические нагрузки. В этих условиях опасное состояние материала определяется либо возникновением больших остаточных деформаций в пластичных металлах, либо возникновением трещин ( разрушение) в хрупких металлах. На величины эффективных коэффициентов концентрации напряжений влияют и их ограничивают целый ряд факторов, таких как статическая прочность детали с концентрацией напряжений, теоретический коэффициент концентрации напряжений для данного концентратора напряжений, абсолютные размеры и эффект коррозии [ трения ( fretting effect), каждый из которых необходимо учитывать. О том, как может быть предсказан эффект коррозии трения, известно очень мало, но приближенная оценка может быть ( найдена, если предположить, что его влияние будет одинаковым для деталей подобных конструкций ( см. разд. Это необходимо при оценке прочности болтовых соединений .Использование методов упрочняющей технологии ( химико - ер-мических, механических и др.) может существенно повысить статическую прочность детали.
7. Сопротивление усталости деталей машин. Виды расчетов.
Усталость деталей машин в значительной степени зависит от конструктивных, технологических, эксплуатационных и других факторов, которые в большинстве случаев трудно учесть при расчете механических конструкций на усталостную прочность. В этой связи испытания па усталость материалов и натурных деталей в рабочих условиях, на стадии доводки окончательного варианта конструкции являются решающим звеном в процессе создания надежных и долговечных машин. Однако такие испытания связаны с многочисленными трудностями, так как трещины усталости чаще всего развиваются на деталях, расположенных в труднодоступных местах, которые часто заполнены различными средами. На сопротивление усталости деталей машин и частей сооружений оказывает существенное влияние ряд факторов: состав и структура материала; вид напряженного состояния и характер изменения его во времени; форма и размеры нагружаемых объектов; состояние поверхности; остаточная напряженность; температура; активность окружающей среды и др. В связи с этим определить расчетным методом пределы выносливости для реальных конструкций, в которых, как правило, действуют многие из перечисленных выше факторов, чрезвычайно трудно. Повышение долговечности деталей машин методом поверхностноро пластического деформирования ( ППД) или поверхностного наклепа широко используется в промышленности для повышения сопротивляемостималоцикловой и многсцикловой усталости деталей машин.Для цементуемых сталей с нормальным содержанием углерода ( 0 17 - 0 24 %) глубину цементованного слоя принимают 1 0 - 1 25 мм. Следует иметь в виду, что сопротивление усталости деталей машин без концентраторов напряжений при малых глубинах слоя зависит от прочности сердцевины, при больших - от прочности слоя. В этом случае повышение глубины слоя полезно только до 10 - 20 % от радиуса детали. Поверхностное пластическое деформирование ( наклеп) широко применяют в настоящее время для увеличения сопротивления усталости деталей машин и частей сооружений из разнообразных металлических материалов. К настоящему времени в нашей стране и за рубежом проведено большое количество экспериментальных и теоретических работ, прямо или косвенно освещающих явление остановки развития усталостных трещин. Эти исследования имеют большое научное и практическое значение, так как анализ причин остановки развития усталостных трещин позволяет разрабатывать обоснованные практические рекомендации по увеличению сопротивления усталости деталей машин. Вместе с тем отсутствие обобщающих публикаций по проблеме нераспространяющихся усталостных трещин несомненно тормозит и развитие исследовательских работ в этой области и практическое применение их результатов. Автор надеется, что сделанные им систематизация и обобщение имеющихся в этой области сведений окажутся полезными для лиц, занимающихся вопросами повышения сопротивления усталости и долговечности деталей машин. В случае применения сталей с 0 27 - 0 34 % С глубину цементованного слоя следует назначать в пределах 0 5 - 0 7 мм. Для цементуемых сталей, содержащих 0 17 - 0 24 % С, глубину цементованного слоя принимают от 1 0 до 1 25 мм. При этом следует иметь в виду, что сопротивление усталости деталей машин без концентраторов напряжений при малых глубинах слоя зависит от прочности сердцевины, при больших - от прочности поверхностного слоя. В этом случае повышение глубины упрочненного слоя оказывается полезным только до 10 - 20 % радиуса детали. При глубине слоя меньше этих значений сопротивление усталости повышается с увеличением прочности сердцевины. Главным фактором, вызывающим увеличение предела выносливости при химико-термических методах обработки деталей, являются остаточные напряжения, возникающие в материале детали в процессе упрочнения. В еще большей степени это относится к упрочнению наклепом. Исследования влияния поверхностной закалки на усталостную прочность стали показывают, что положительный эффект достигается в тех случаях, когда окончание зоны закалки выводится в безопасное место детали. Так, для лабораторных образцов, подвергающихся испытаниям на усталость, важно, чтобы поверхностной закалке подвергались как рабочая часть образца, так и галтели. Если закаливается только рабочая часть образца ( галтели не закаливаются), то его предел выносливости оказывается ниже предела выносливости образца без закалки. Понижение сопротивления усталости деталей машин в зоне обрыва закаленного слоя многократно наблюдалось и в промышленных условиях.
В инженерной практике встречаются два вида расчёта: проектный и проверочный.
Проектный расчёт– предварительный упрощённый расчет, выполняемый в процессе разработки конструкции детали (машины) в целях определения её размеров и материала.
Проверочный расчёт– уточнённый расчёт известной конструкции выполняемой в целях проверки её прочности или определения норм нагрузки.