С увеличением абсолютных размеров поперечных сечений детали предел выносливости снижается.

Масштабный эффект объясняется металлургическим, технологическим и статистическим факторами. Металлургический фактор связан со снижением механических свойств металла с ростом размеров отливки или поковки, так как при этом возрастает неоднородность металла, ухудшается прокаливаемость при термообработке и т.д. Технологический фактор обусловлен образованием остаточных напряжений в поверхностных слоях при механической обработке детали, которые по-разному влияют на предел выносливости деталей больших и малых размеров. Статистический фактор связан с тем, что в деталях больших размеров больше вероятность попадания структурных дефектов в область повышенных напряжений.

Влияние масштабного фактора на предел выносливости оценивается в расчетах коэффициентом , представляющим собой отношение предела выносливости гладкого образца данного диаметра  к пределу выносливости стандартного образца диаметром  7-10 мм:  (2.83).

Необходимо иметь в виду, что если эффективные коэффициенты концентрации взяты из графиков, в которых уже учтен масштабный фактор, вносить поправку на размеры детали не требуется.

Влияние состояния поверхности на сопротивление усталостному разрушению.  На поверхности детали почти всегда имеются риски от обработки резцом, мелкие царапины, следы коррозии и т. д., которые являются концентраторами напряжений. Дефекты поверхности приводят к снижению сопротивления усталости детали. Опытами установлено, что предел выносливости образцов с полированной поверхностью выше, чем у шлифованных, а у шлифованных выше, чем у обработанных резцом, и т. д.

Влияние чистоты поверхности на предел выносливости оценивается коэффициентом , равным отношению предела выносливости образца с заданной обработкой поверхности к пределу выносливости такого же образца, но с тщательно шлифованной поверхностью:  (2.84). На рис.2.35 приведена зависимость коэффициента  от предела прочности материала для различных видов обработки поверхности.

Рис.2.35

Применение некоторых технологических методов упрочнения поверхности детали при правильном их выполнении приводит к значительному повышению ее сопротивления усталости.

К таким методам относятся:

а) наклеп поверхностного слоя путем обдувки дробью, накатки роликом и т. п.; б) цементация, азотирование и цианирование поверхностного слоя; в) закалка токами высокой частоты.

Влияние технологических факторов на усталостную прочность оценивается коэффициентом поверхностного упрочнения .

Положительное влияние технологической обработки поверхностного слоя детали на сопротивление усталости связано, в первую очередь, с созданием в этом слое остаточных сжимающих напряжений, наличие которых затрудняет развитие усталостных трещин. При закалке токами высокой частоты и азотировании также создаются значительные сжимающие напряжения в поверхностном слое детали.

В то же время такие часто применяемые покрытия стальных деталей, как никелирование и хромирование, заметно снижают предел выносливости детали, хотя и не влияют на их статическую прочность, причем снижение сопротивления усталости тем больше, чем толще слой хрома или никеля. Объясняется это значительными остаточными растягивающими напряжениями в поверхностном слое при хромировании и никелировании. Аналогичное явление имеет место и при покрытии поверхности стальной детали слоем меди.

Влияние внешней среды и коррозии трения на сопротивление усталостному разрушению. Все металлы, находясь в контакте с газообразной или жидкой средой, подвергаются коррозии. На поверхности детали появляются язвинки коррозии, являющиеся причиной высокой концентрации напряжения. Особенно интенсивно развивается коррозия при действии растягивающих напряжений. Другой вид коррозии - коррозия под напряжением проявляется в виде межкристаллических и внутрикристаллических трещин почти без всяких признаков образования продуктов коррозии.

При переменных нагрузках коррозия существенно снижает сопротивление усталости, особенно легких сплавов. В сталях снижение предела выносливости от коррозии тем больше, чем более высокопрочна сталь.

Количественные характеристики снижения выносливости зависят от агрессивности внешней среды. Например, морская вода больше снижает долговечность, чем пресная, и т. п.

Влияние коррозионной среды учитывается в расчетах коэффициентом:  (2.85), где в числителе стоит предел выносливости при наличии агрессивной среды. Значения коэффициента    приводятся в справочной литературе.

Средством борьбы с влиянием внешней среды являются различного рода антикоррозионные покрытия.

Коррозия трения возникает в местах контакта деталей, подвергающихся циклическому нагружению, например в заклепочных и болтовых соединениях листов обшивок самолетов. Коррозия трения возникает и в сварных соединениях из-за упругих перемещений соединяемых деталей друг относительно друга по плоскостям их контакта.

Трение в местах контакта деталей даже в случае чрезвычайно малых относительных перемещений сопровождается разрушением поверхности соприкасающихся частей, выпадением окислившихся частей материала и постепенным образованием и развитием усталостных трещин.

Чтобы коррозия трения проявила себя, необходима наработка соединением достаточно большого количества (порядка миллиона) циклов. При больших значениях максимальных напряжений, соответствующих левой части кривой усталости, разрушение наступает после относительно небольшого числа циклов, и коррозия трения не ускоряет этот процесс.

Средства борьбы с коррозией трения - различного рода покрытия и упрочнение поверхностей трения, постановка прокладок между трущимися поверхностями, окраска этих поверхностей и т. д.

Суммарный коэффициент, учитывающий влияние концентрации напряжений, масштабного и технологических факторов определяемый из уравнения:

(2.86).

Малоцикловая  и многоцикловая усталость. Характер усталостного разрушения существенно зависит от уровня циклически изменяющихся напряжений. В связи с различными физическими процессами разрушения материала при высоких и низких уровнях максимальных напряжений цикла, принято различать два вида усталости - многоцикловую и малоцикловую.

Малоцикловая усталость - усталость материала, при которой усталостное повреждение или разрушение происходит при упругопластическом деформировании. Это происходит, когда максимальные напряжения цикла превосходят предел упругости, пластические деформации возникают в больших объемах материала. От цикла к циклу пластические деформации накапливаются. Таким образом, усталостное разрушение сопровождается заметной пластической деформацией всей детали и по своему характеру ближе к разрушению при однократном нагружении. Поэтому такой тип разрушения при циклически изменяющихся напряжениях называют квазистатическим.

Многоцикловая усталость - усталость материала, при которой усталостное повреждение или разрушение происходит в основном при упругом деформировании. Так, при максимальных напряжениях цикла, меньших предела упругости материала, усталостное разрушение имеет хрупкий характер и происходит вследствие накопления повреждений и развития магистральной трещины без заметной пластической деформации всей детали.

Точной границы между многоцикловой и малоцикловой усталостью установить, естественно, нельзя. Условно в качестве такой границы принимается  циклов, и ветвь кривой усталости, расположенную левее вертикальной прямой с абсциссой , относят к малоцикловой усталости, а правую ветвь - к многоцикловой усталости.

Определение коэффициента запаса усталостной прочности при простом сопротивлении. При переменных нагрузках обычно производится поверочный расчет на прочность, причем за основу для определения запаса прочности принимается схематизированная диаграмма предельных амплитуд (рис.2.34).

Эта диаграмма построена по результатам испытания стандартных образцов диаметром 7-10 мм без концентраторов напряжений и со шлифованной или полированной поверхностью. Поэтому при расчете должно быть дополнительно учтено влияние на сопротивление усталости детали всех указанных выше факторов.

Так как концентрация напряжений, масштабный фактор и состояние поверхности мало сказываются на прочности деталей из пластического материала при постоянных напряжениях, принято эффект концентрации, состояния поверхности и масштабного фактора относить к переменной составляющей цикла .

Предположим, что при возрастании нагрузок на деталь коэффициент асимметрии не изменяется, т. е. будем предполагать пропорциональное возрастание амплитуды и среднего напряжения рабочего цикла вплоть до наступления предельного состояния.

На рисунке 2.33 кривая линия представляет собой действительную диаграмму предельных амплитуд. Верхняя прямая линия аппроксимирует кривую диаграммы предельных амплитуд для лабораторных образцов, нижняя прямая – для детали. Точка  на рисунке 2.33 характеризует рабочий цикл действующих на деталь напряжений, в то время как точка  определяет предельную амплитуду для детали. Эти точки в соответствии с принятым допущением лежат на одном луче.

Коэффициент запаса определяется из следующего уравнения:  (2.87). В соответствии с принятой схематизацией диаграммы предельных амплитуд прямыми линиями, имеем: , где  (2.88).

Подставляя соотношения (2.88) в (2.87) после несложных преобразований получается формула для коэффициента запаса:  (2.89),  где  - предел выносливости гладкого лабораторного образца при симметричном цикле для базовой долговечности;  - характеристики рабочего цикла изменения напряжений; - коэффициент чувствительности к асимметрии цикла;  - суммарный коэффициент, учитывающий влияние концентрации напряжений, масштабного и технологических факторов определяемый из уравнения (2.86).

В случае кручения запас прочности  определяется аналогично. Расчетные формулы получатся путем замены во всех предыдущих выражениях   на   и  на .

При совместном действии переменного изгиба и переменного кручения или в случае растяжения-сжатия и кручения для расчета на прочность С.В. Серенсеном и Р.С. Кинасошвили получено следующее уравнение:  (2.90). Здесь  - запас прочности при действии одних только нормальных напряжений;  - запас прочности при действии одних только касательных напряжений;  - запас прочности при совместном действии и нормальных и касательных напряжений и синхронном их изменении.