Меню

Концентрация напряжений усталостная прочность

Усталостная прочность. Концентраторы напряжений

Любое изделие должно обладать основными категориями качества: надежностью, прочностью и жесткостью в работе.

Прочность — один из основных критериев работоспособности изделия, обусловливаемой циклическими и контактными напряжениями. Отсюда принято различать циклическую прочность и контактную прочность.

Детали, подвергающиеся длительной переменной нагрузке, разрушаются при напряжениях, значительно меньших предела прочности материала при статическом нагружении Циклическая прочность деталей сильно падает на участках ослаблений, резких переходов ния циклических нагрузок, то хотя бы их уменьшения. Даже в машинах определенно циклического действия можно достичь значительного уменьшения максимальных циклических напряжений и их амплитуды, а также смягчения динамичности нагрузки. Технологические способы повышения циклической прочности.

Металлургические факторы. Большое влияние на циклическую прочность оказывает технология выплавки стали. Спокойные стали (раскисленные алюминием) имеют более высокие пределы выносливости, чем к и п я ш и е (раскисленные Мп и 81). Повышенной циклической прочностью обладают стали вакуумной плавки, а также полученные методами электронно-лучевого и плазменного переплава или электродугового переплава под слоем синтетического шлака.

Термообработка. Упрочняющая термообработка повышает предел выносливости примерно пропорционально увеличению показателей статической прочности (рис. 191). Наибольший эффект дает закалка с низким отпуском, увеличивающая предел выносливости в 2 — 2,5 раза по сравнению с нетермообработанной сталью (кривые 4).

Высокую циклическую прочность обеспечивает изотермическая закалка на бейнит, а также термомеханическая обработка (особенно НТМО).

Усталость металла — изменение состояния металла в результате многократного (циклического) деформирования, приводящее его к прогрессирующему разрушению. Если проанализировать процесс разрушения детали от действия переменных напряжений, то можно выделить две его фазы: образование микротрещины, а затем ее дальнейшее развитие до полного разрушения образца. Статистика показывает, что до 80% поломок и аварий при эксплуатации машин связано с усталостными явлениями. Поэтому проблема усталостной прочности является важнейшей для повышения надежности и долговечности машин. Наиболее явно циклические нагрузки выражены в машинах и механизмах с возвратно-поступательным движением (поршневые машины, шатунно-кривошипные группы, кулачковые механизмы).

Во всех зубчатых передачах зубья колес подвержены циклическим нагрузкам. Валы, работающие под нагрузкой постоянного направления (валы зубчатых, ременных и цепных передач), также подвергаются циклическому нагружению.Диаграмма сравнительной характеристики усталостной прочности для различных соединений типа «вал — ступица», характеризующая выносливость валов при циклическом кручении в зависимости от конструкции соединения

Анализ причин, определяющих степень снижения усталостной прочности валов в рассматриваемых соединениях, свидетельствует о значительном влиянии конструктивных особенностей подступичной части вала и формы ступицы на распределение контактных давлений. Изучение характера поломок деталей машин показало, что на их долговечность влияют главным образом форма и способы обработки. Остановимся на этом более подробно. Установлено, что прочность деталей машин существенно отличается от прочностных характеристик материалов, из которых эти детали были изготовлены. Наглядное представление об этом дает диаграмма

Если принять прочность образца из данного материала при испытании на разрыв за 100%, то предел выносливости образца составит 55. 72%, а прочность деталей в зависимости от формы и типа соединений составит всего 7. 24%. На диаграмме в процентах по сравнению с прочностью образца при разрыве представлена прочность деталей: сложной формы 2, 3,4 и 5, соединения типа «вал — ступица» 7, 8 и 9, соединений болтового, заклепочного и сварного 1,6,10 и 11, представляющих наи­более типичные случаи конструктивного исполнения деталей и соединений.

Усталостная прочность деталей резко падает при наличии ослаблений, резких переходов, острых углов, поднутрений и т. п., вызывающих местную концентрацию напряжений. Зоны концентрации напряжений (у краев отверстий, в выкружках, во входящих углах и т. д.) наиболее перегружены и служат местами начала пластической деформации или разрушения.

Читайте также:  Номинальное напряжение системы возбуждения

Степень концентрации напряжений зависит от вида концентраторов, состояния поверхности и размеров детали, материала детали, его химического состава и однородности, термообработки, механической прочности, характера рабочего цикла детали.Среди концентраторов напряжений (рис. 62) различают геометрические (концентраторы формы) и технологические (концентраторы, появление которых связано с нарушением структурообразования материала при изготовлении изделия).

Рис. 62

Основными источниками геометрической концентрации напряжения на валах и осях служат их ступенчатая форма, выточки, поперечные отверстия, шпоночные канавки, шлицы и т. д. Чем больше перепад сечений на участке перехода и чем резче переход, тем выше местное напряжение.

Технологические концентраторы напряжения в деталях, подвергающихся механической обработке, возникают в результате перерезания волокон при обработке заготовки давлением. В литых деталях участки перехода часто бывают ослаблены такими литейными дефектами, как микротрещины, пористость, воздушные раковины и т. д. У кованых и штампованных деталей участки перехода в изгибах имеют пониженную прочность вследствие вытяжки металла на этих участках.

Примеры появления очагов концентрации напряжений на деталях

Грубые риски, оставшиеся после обработки на поверхности впадины шпоночного паза 1, между зубьями шестерни, вызывают появление постепенно растущих трещин усталости. Изломы валов чаще всего происходят в участках резкого перехода от большого диаметра к меньшему III (типа лысок и отверстий — IV, V), выполненному без галтели. В этом случае в местах грубых рисок, острых углов и местах резких переходов происходит сосредоточение (концентрация) напряжений, приводящих к поломке деталей. Отсюда можно сделать вывод, что при конструировании деталей следует избегать острых углов в ее конфигурации.

При статической нагрузке величина концентрации напряжения зависит от степени пластичности материала. У пластичных материалов явление концентрации напряжения выражено слабо. При повышении напряжения в зоне ослабления такие материалы переходят в состояние текучести. Хрупкие материалы при переходе местных напряжений за предел прочности разрушаются.

Дата добавления: 2019-07-17 ; просмотров: 430 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник



Влияние концентрации напряжений на усталостную прочность.

Влияние концентрации напряжений на усталостную прочность. Влияние концентрации напряжений на усталостную прочность. Влияние концентрации напряжений на усталостную прочность. Это изображение имеет пустой атрибут alt; его имя файла - image-10-1.png

Влияние концентрации напряжений на усталостную прочность.

  • Влияние концентрации напряжений на усталостную прочность. Концентрация напряжений оказывает очень большое влияние на усталостную прочность. Это и понятно: усталостное разрушение происходит без выраженной пластической деформации, поэтому напряжения в сосредоточенных участках не выравниваются. Однако по теоретическому коэффициенту концентрации а оценка

усталостной прочности еще не сделана. Определение предела выносливости§ 188] влияние концентрации напряжений 423 В цикле симметрии образца концентрации напряжений и гладкого образца в первом случае предел выносливости оказывается малым по коэффициенту. Это значение называется эффективным коэффициентом концентрации и всегда равно Но. Это связано, в частности, с тем, что напряженное состояние

характеризует прочность в полной мере, причем при напряжении ниже предела упругости пластическая деформация все же происходит, а при переменной нагрузке происходит накопление пластической деформации, и напряженное состояние изменяется. Поскольку объем концентрации напряжений занимает очень малый объем, большую роль играет масштабный эффект. Существуют и другие объяснения того, что эффективный коэффициент концентрации меньше теоретического, но мы не будем на них

останавливаться. В библиографии приведены значения эффективного коэффициента концентрации для различных материалов и различных концентраторов напряжений. Для приблизительной оценки можно использовать следующую формулу: «/ = 1 4 — 9 ( » — 1). Величину q называют коэффициентом чувствительности материала к концентрации напряжений, а для конструкционной стали

  • ее следует выбирать в диапазоне 0,6-0,8. Отметим, что чугун совершенно нечувствителен к концентрациям напряжений и является Д-0 для него. Это связано с тем, что чугун имеет проникающую графитовую пластину, которая является причиной очень сильной концентрации внутренних напряжений, поэтому концентрация из-за формы изделия не играет никакой роли. Зная коэффициент концентрации а, можно рассчитать прочность изделия и работать с симметричным циклом изменения напряжения. Условия прочности следующие: Да. 7н Ф При статической нагрузке
Читайте также:  Стабилизатор напряжения однофазный энергия ach 8000

коэффициент концентрации вообще не учитывается. Если напряжение изменяется в несимметричном цикле, то весь эффект концентрации напряжений обусловлен переменной составляющей напряжения OO, которая умножается на^. Поэтому выражение (187.5) заменяется на: (188. 1) Теория 424 сильных сторон[глава XVII если расчеты выполняются по более точным формулам (187.7) и (187.8), то вторая из них не изменяется, а первая заменяется на:- (Г*>тлф’ (188. Два.) Усталостная прочность очень сильно зависит от состояния поверхности; обычно образец полируют, что определяет предел выносливости.

поверхности играет ту же роль, что и концентрация напряжений. Для количественной оценки этого эффекта можно ввести коэффициент, аналогичный коэффициенту концентрации. Для поверхности, обработанной резцом, соответствующий коэффициент может достигать значения 1,25. С другой стороны, упрочнение поверхности путем создания поверхностного упрочнения (обкатка, дробеструйная обработка), цианирования и поверхностного упрочнения может увеличить предел выносливости.

Помощь студентам в учёбе
Помощь студентам в учёбе
Помощь студентам в учёбе

Помощь студентам в учёбе

Изучу , оценю , оплатите , через 2-3 дня всё будет на «4» или «5» !

Откройте сайт на смартфоне, нажмите на кнопку «написать в чат» и чат в whatsapp запустится автоматически.

Помощь студентам в учёбе

Помощь студентам в учёбеf9219603113@gmail.com


Помощь студентам в учёбе

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.9219603113.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Источник

9.2. Влияние концентраций напряжений, состояния поверхности и размеров детали на усталостную прочность

На величину предела усталости влия­ют многие факторы. Рассмотрим некото­рые из них.

Одним из основных факторов, оказывающих существенное влияние на усталостную прочность, является кон­центрация напряжений. Основным пока­зателем местных напряжений является коэффициент концентрации напряже­ний:

, (9.2)

где smax — наибольшее местное напряже­ние, sНОМ — номинальное напряжение. Например, для полосы с отверстием (рис. 9.4) от действия продольной силы Р в кольцевых сечениях, имеем:

Определенный по (9.2) коэффициент концентрации напряже­ний не учитывает многих реальных свойств материала (его неод­нородность, пластичность и т. д.), в связи с чем, вводится понятие эффективного коэффициента концентрации К1.:

,

где — предел усталости при симметричном цикле на гладких образцах, — предел усталости при симметричном цикле на об­разцах с наличием концентрации напряжений.

Между КT и К1 существует следующая зависимость:

, (9.3)

где q — коэффициент чувствительности материала к местным на­пряжениям, q » 1 — для высокопрочных сталей; q = 0,6 ¸ 0,8 — для конструкционных сталей.

При расчетах на усталостную прочность, особенности, связан­ные с качеством обработки поверхности детали, учитываются коэф­фициентом качества поверхности, получаемом при симметричных циклах нагружения:

, (9.4)

где s1 — предел усталостной прочности, полученный на испыта­ниях образцов, имеющих стандартную обработку поверхности, s1n — пре­дел выносливости рас­сматриваемой детали.

На рис. 9.5 приведе­ны значения b в зависи­мости от качества обра­ботки поверхности сталь­ного изделия и прочнос­ти материала sBP .

Прямая 1 относится к шлифованным образцам, 2 — к образцам с полированной поверхностью, 3 — к образцам, имеющим поверхность обработанную резцом, и наконец, 4 — к образцам поверхность которых обработана после проката.

Для учета масштабного фактора вводятся соответствующий коэффициент:

. (9.5)

где s1D, t1D — предел усталостной прочности рассматриваемой де­тали на растяжение и сдвиг, соответственно; s1,t1 -предел уста­лостной прочности образца с диаметром d =(8 ¸ 12) × ×10 -3 м.

Графики es, et изображены на рис. 9.6, где кривая 1 относится к углеродистой стали, 2 — к полированной стали, 3 — к полированной стали с наличием концентрации напряжений, 4 — к сталям, име­ющим высокую степень концентраций напряжений.

Читайте также:  Трансформаторы напряжения однофазные масляные

9.3. Запас усталостной прочности и его определение

Сначала построим диаграмму усталостной прочности (часто, для простоты рассуждений предельную линию представляют в виде прямой) и покажем на ней рабочую точку М цикла (с коорди­натами sm и sа ) в случае, если рассматриваемый элемент испыты­вает только простое растяжение и сжатие (рис. 9.7).

Рассмотрим все те циклы, рабочие точки которых лежат на од­ной прямой (рис. 9.7) и для которых справедливо выражение sа = = sm tga. С учетом (9.1) и после несложных преобразований можно получить, что:

.

где R — коэффициент асимметрии цикла.

Значит, можно сделать вывод о том, что все подобные циклы лежат на одной прямой. Тогда, под запасом усталостной прочности будем понимать отношение отрезка ON к отрезку OM (рис. 9.7):

, (9.6)

где точка M соответствует действующему циклу, а точка N получа­ется вследствие пересечения предельной прямой и продолжения отрезка OM (рис. 9.7).

Это отношение характеризует степень близости рабочих усло­вий к предельным для данного материала. В частном случае при постоянных статических нагрузках sа = 0, данное определение за­паса прочности совпадает с обычным.

Для определения (т.е. в ситуации когда действуют лишь нор­мальные напряжения) в инженерной практике применяется как графи­ческий, так и аналити­ческий способ. При гра­фическом способе стро­го по масштабу строится диаграмма предельных напряжений в системе координатsа и sm . Да­лее, на этой диаграмме наносится рабочая точка и определяется отношение величин отрезка ON и OM. Для определения расчетных зависимостей для воспользуемся условием подобия треуголь­никовOND и OMK и получим:

. (9.7)

Полученный коэффициент запаса соответствует идеальному об­разцу. Реальная же его величина зависит, как отмечалось выше, от геометрии, размеров и состояния поверхности образца, учитывае­мых коэффициентами К1, es и b, соответственно. Для этого необ­ходимо предел усталости при симметричном нагружении умень­шить в раз, или, что тоже самое, амплитудное напряжение цикла увеличить враз. И тогда (9.7) принимает вид:

, (9.8)

. (9.9)

Аналогичным образом могут быть получены соотношения уста­лостной прочности и при чистом сдвиге. Эксперименты показы­вают, что диаграмма усталостной прочности для сдвига заметно отличается от прямой линии, свойственной простому растяжению-сжатию, и имеет вид кривой. В первом приближении эту кривую в координатных осях ta , tm можно представить в виде двух наклон­ных, как это изображено на рис. 9.8. Причем, если одна из них (ближняя к оси ординат) соответствует разрушению образца вследствие усталостных явлений, то другая — по причине наступления пластического состояния.

В данном случае расчетная формула для записывается в виде

, (9.10)

где — эмпирическая величина, определенная на осно­ве обработки экспериментальных данных.

При сложном напряженном состоянии, т.е. если в рабочей точ­ке при действии внешних нагрузок одновременно возникают как нормальные, так и касательные напряжения, для вычисления nR применяется следующая приближенная формула:

, (9.11)

где nR — искомый коэффициент запаса усталостной прочности; — коэффициент запаса усталостной прочности в предположе­нии, что касательные напряжения в рабочей точке отсутствуют; — коэффициент запаса прочности по усталости при предполо­жении, что в рабочей точке нормальные напряжения отсутствуют.

Резюмируя заметим, как это было показано в настоящем раз­деле книги, в настоящее время в связи с тем, что физические осно­вы теории твердого деформируемого тела недостаточно развиты, многие предпосылки современной теории усталостной прочности базируются на эмпирической основе. Отсутствие твердых предпо­сылок в теории выносливости, в современном виде лишает ее нуж­ной строгости. Так как полученные эмпирические зависимости не являются универсальными, сами результаты расчетов являются до­статочно приближенными. Однако указанные приближения оказы­ваются допустимыми для решения инженерных задач.

Источник