Факторы, влияющие на усталостную прочность

Многочисленные эксперименты показали, что при переменных напряжениях в расчетах на сопротивление усталости необходимо учитывать ряд факторов, которые существенным образом влияют на сопротивление усталости детали, в то время как на статическую прочность они оказывают незначительное влияние. К наиболее существенным факторам относятся концентрация напряжений, абсолютные размеры поперечных сечений детали, состояние поверхности — ее шероховатость, наличие коррозии, окалины и др. Рассмотрим подробней влияние этих факторов на сопротивление усталости.

1. Концентрация напряжений является одним из основных факторов, оказывающих существенное влияние на усталостную прочность. В местах, где имеются резкие изменения размеров, отверстия, резьба, острые углы, возникают большие местные напряжения (концентрация напряжений). Так как усталостное разрушение носит локальный характер, происходит без заметной пластической деформации, то напряжение в месте концентрации не выравнивается (рис. 102). Однако знание теоретического коэффициента концентрации напряжений а = а_тт / <�у"_ом еще не позволяет судить об усталостной прочности детали.

Рис. 102. Повышение напряжений в зоне отверстия.

Теоретический коэффициент концентрации напряжений равен отношению максимального напряжения в зоне концентрации о_тах к номинальному напряжению сг""", вычисленному по формулам сопротивления материалов в предположении упругого распределения напряжений.

Определяя предел выносливости при симметричном цикле для образца с концентратором напряжений и для гладкого образца, мы найдем, что в первом случае предел выносливости будет меньше в К_а раз. Величина К_а называется эффективным коэффициентом концентрации напряжений, равным отношению предела выносливости образца диаметром d o._d к пределу выносливости такого же образца, но с заданным концентратором напряжений cr-i^:

2. Размеры детали. В деталях больших размеров возможны внутренняя неоднородность, инородные включения, незаметные микротрещины. Поэтому величина предела выносливости зависит от размеров образца и устанавливается коэффициентом влияния абсолютных размеров поперечного сечения Kj_a равным отношению предела выносливости образца диаметром d g._](j к пределу выносливости гладкого стандартного образца <�т.:

Так, для образца диаметром 100 мм предел выносливости оказывается примерно на 40% ниже, чем для стандартного образца диаметром 10 мм. Дальнейшее увеличение диаметра уже слабее влияет на предел выносливости. Это объясняется статистической теорией, в соответствии с которой увеличивается вероятность пребывания «слабых зерен» в зонах повышенных напряжений. Следует также учитывать, что при увеличении размеров детали усложняются технологические процессы, ухудшается однородность строения материала.

3. Влияние поверхностного слоя. Это влияние оказывается весьма существенным и зависит от трех основных факторов качества поверхности: шероховатости, поверхностного упрочнения и коррозионного воздействия. При проведении расчетов это влияние учитывается коэффициентом влияния шероховатости поверхности К у и коэффициентом влияния поверхностного упрочнения K_v.

Кр — коэффициент влияния шероховатости поверхности, равный отношению предела выносливости образца с заданным технологией качеством поверхности сг. ц к пределу выносливости эталонного полированного лабораторного образца осi:

K_v = (J.uynpIcF-u ~ коэффициент влияния поверхностного упрочнения (закалка током высокой частоты, азотирование, цианирование, цементирование, обкатка роликами, обдувка дробью и т. д.), равный отношению предела выносливости упрочненной детали a._[dy"" к пределу выносливости неупрочненной детали a._w: