Факторы, влияющие на предел выносливости .

Практика использования деталей, работающих при переменных напряжениях, показала, что основными факторами, влияющими на их предел выносливости, являются:

а) форма детали;

б) размер детали;

в) состояние поверхности детали и характер термообработки.

Стандартный цилиндрический образец диаметром 7-10 мм с полированной поверхностью назовем эталоном. Будем считать, что предел выносливости эталона для какого-либо вида нагружения и цикла изменения напряжений характеризует именно тот материал, из которого он изготовлен. Для конкретной детали предел выносливости отличается от предела выносливости эталона. Это учитывается введением поправочных коэффициентов.

Учет формы детали. Общая тенденция – чем сильнее деталь отличается по форме от эталона, тем ниже ее предел выносливости. Это учитывается с помощью специального коэффициента k_σ, называемого коэффициентом концентрации напряжений. Он снижает предел выносливости конкретной детали. Основной причиной этого является наличие концентраторов напряжений в сложных по форме деталях, например в местах резкого изменения диаметров, различного вида проточек, буртиков и т.д.

В аналитическом виде это описывается следующей зависимостью:

 

σ_Rк = σ_R/ k_σ

 

где: σ_R–предел выносливости эталона,

k_σ–коэффициент концентрации напряжений (k_σ>1);

σ_Rк–предел выносливости детали;

R–коэффициент асимметрии цикла (для симметричного цикла R= -1; отнулевого R=0).

Учет размеров детали. Чем деталь больше по размеру, тем ее предел выносливости меньше. Это влияние учитывается с помощью специального масштабного коэффициента β_м, который снижает предел выносливости конкретной детали по сравнению с эталоном.

Основная причина этого явления - наличие в большей по размерам детали большего количества дефектов. В аналитическом виде это описывается следующей формулой:

 

σ_Rм = σ_R/ β_м

 

где: β_м–масштабный коэффициент (β_м>1),

σ_Rм–предел выносливости детали.

Учет состояния поверхности детали. Чем поверхность детали более грубая, тем предел выносливости ее меньше. Это влияние учитывается с помощью специального коэффициента состояния поверхности β_п, который уменьшает предел выносливости конкретной детали, если чистота обработки ее поверхности ниже, чем у эталона. Такая зависимость связана с тем, что усталостные трещины, как правило, начинаются от поверхности детали. Следовательно, ее состояние оказывает существенное влияние на развитие явления усталости при действии переменных напряжений. Риски от грубой механической обработки делают форму детали более сложной, они являются концентраторами напряжений и, следовательно, уменьшают предел выносливости.

В аналитическом виде это влияние описывается следующей формулой

:

σ_Rп = σ_R/ β_п

где: β_п–коэффициент состояния поверхности (β_п>1,

σ_Rп–предел выносливости детали с данным качеством поверхности.

Совместное влияние всех перечисленных факторов может быть представлено соотношением:

 

К_{σ д} = k_σ β_м β_п

где: К_{σ д} коэффициент снижения предела выносливости детали, учитывающий влияние всех рассмотренных факторов.

Окончательно для вычисления предела выносливости детали получим следующее выражение:

σ_R^дет. = σ_R / К_{σ д}

Библиографический список

Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов. - М.: Высшая школа, 1995.

Аркуша А.И. Техническая механика. - М.: Высшая школа, 1989.

Буланов Э.А. Решение задач по сопротивлению материалов. - М.: БИНОМ, 2005.

Варданян Г.С., Андреев В.И., Атаров Н.М., Горшков А.А. Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности. - М.: АСВ, 1995.

Дарков А.В., Шпиро Г.С. Сопротивление материалов. - М.: Высшая школа, 1989.

Иосилевич Г.Б., Лебедев П.А., Стреляев B.C. Прикладная механика. - М.: Машиностроение, 1985.

Ицкович Г.М. Сопротивление материалов. - М.: Высшая школа, 1998.

Ицкович Г.М., Минин Л.С., Винокуров А.И. Руководство к решению задач по сопротивлению материалов. - М.: Высшая школа, 1999.

Осоцкий В.М. (ред.) Прикладная механика. - М.: Машиностроение, 1997.

Степин П.А. Сопротивление материалов. - М.: Высшая школа, 2000.

Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. - М.: Изд-во МГТУ, 2000.

Шинкин В.Н. Сопротивление материалов. Простые и сложные виды деформаций. – М.: МИСиС, 2008.

Эрдеди А.А., Медведев Ю.А., Эрдеди Н.А. Техническая механика. - М.: Высшая школа, 1991.

[1] Французский ученый Пуассон (Poisson) Сименон Дени (1781-1840) известен своими трудами в математике, механике и физике. В 1926 г. был избран иностранным почетным членом Петербургской Академии наук.

[2] Юнг (Young) Томас (1773-1829) английский ученый, один из основоположников волновой теории света. Ввел модуль упругости, названный его именем. Труды по акустике, астрономии, расшифровке египетских иероглифов.

[3] Гук (Hooke) Роберт (1635-1703) английский естествоиспытатель, разносторонний ученый и эксперимента-тор. В 1660 году открыл закон, названный его именем. Усовершенствовал микроскоп и установил клеточное строение некоторых растительных тканей, ввел термин «клетка», совместно Х.Гюйгенсом установил постоянные точки термометра.