Режимы нагружения деталей и конструкций.

При действии на детали статических нагрузок, т. е. постоянных по величине и по направлению, они могут выйти из строя вследствие возникновения недопустимых остаточных деформаций или разрушения.

Основные условия прочности:

; .

Расчетные напряжения не должны превышать допускаемых значений.

В реальных конструкциях нагрузки всегда переменны, т.е. периодически изменяющиеся во времени по величине или и по величине, и по направлению. Закон изменения нагрузок определяет закон изменения напряжений. Нагрузки и напряжения в зависимости от характера действия создают различные режимы нагружения.

Рис 59.

I режим нагружения создается статическими нагрузками. Постоянные нагрузки вызывают и постоянные напряжения (Рисунок 59). - коэффициент асимметрии, характеристика цикла - отношение минимального напряжения к максимальному, взятое с алгебраическим знаком.

II режим создается нагрузками переменными по величине и постоянными по направлению. Напряжение изменяется по синусоидальному закону. Число циклов напряжений в секунду называют частотой нагружения (Рисунок 60).

Рис 60.

' ; 1>r>0; (рисунок 60)

- среднее напряжение в цикле.

Амплитуда цикла: .

Любое переменное напряжение в любой момент можно определить по двум значениям: .

Изменение напряжений по пульсационному циклу (Рисунок 61)

Рис 61.

III режим создается знакоперенными нагрузками (Рисунок 62).

Знакопеременный цикл (симметричный) ;

; ;

Рис 62.

IV режим. Ударные нагрузки, например, контактные напряжения

(Рисунок 63):

; .

Рис 63.

2.7.2 Усталость материалов.

Нагрузки, вызывающие переменные напряжения, называются циклическими. При действии циклических нагрузок разрушение материалов происходит при значительно меньших напряжениях, чем σ_т или σ_вр(с). В этом случае говорят об усталости материалов. Детали разрушаются без видимых деформаций (пластических) за счет накопления внутренних микроповреждений. Разрушение начинается с образованием микротрещин, которые прогрессивно развиваются вглубь материала, уменьшая площадь поперечного сечения (Рисунок 64. а). Разрушение происходит внезапно, когда площадь поперечного сечения не в состоянии выдержать нагрузку.

Рис 64.

Способность материалов выдерживать не разрушаясь переменные нагрузки, называют сопротивлением усталости. Его оценивают с помощью предела выносливости – σ_r, который определяюn экспериментально при динамических испытаниях. Следовательно, при переменных напряжениях достижение предела выносливости опасно как и достижение предела прочности при статических напряжениях.

Наиболее опасным является симметричный (знакопеременный) σ_r = σ_-1 Испытания проводят не менее, чем на 8... 10 образцах, каждый из которых подвергают действию переменных напряжений. Цель испытания определить величину σ_-1 (Рисунок 64. б).

Кривую, построенную по экспериментальным данным, называют кривой усталости или кривой Веллера (Рисунок 64. в).

Первый образец нагружают нагрузкой (2/3)σ_в. Образец испытывают до поломки (допустим до 3 • 10³ циклов нагружения). Следующий образец нагружают нагрузкой меньшей на 15 %, чем первый. Допустим, разрушение наступило через 104 циклов; еще уменьшают нагрузку и т.д. Испытания прекращают при базовом числе циклов: N = 10⁷ для пластических материалов. Наибольшее значение максимального напряжения цикла, которое образец выдерживает базовое число циклов испытаний, называют пределом выносливости. Иногда σ_-1 определяются по эмпирическим зависимостям. Величину предела выносливости определяют на цилиндрических полированных образцах с диаметром 7,5 или 10мм. На предел выносливости конкретных деталей, работающих в реальных условиях, влияет ряд факторов. Поэтому, при определении предела выносливости, вводят поправочные коэффициенты:

1)Масштабный эффект учитывает влияние на предел выносливости размера сечений деталей. Согласно статистической теории разрушения при увеличении абсолютных размеров деталей возрастает вероятность попадания дефектных зерен в зону концентрации напряжений. Коэффициенты масштабного эффекта:

;

- это отношение предела выносливости серии образцов заданного диаметра d к пределу выносливости стандартных образцов.

2)Коэффициент упрочнения, учитывающий влияние упрочняющей обработки (термическую, термохимическую, механическую):

;

Отношение предела выносливости серии образцов с заданной обработкой к пределу выносливости стандартных образцов.

3)Коэффициент качества поверхности:

;

Отношение предела выносливости образцов, имеющих данную шероховатость поверхности к пределу выносливости стандартных образцов.

4)Экспериментальные исследования показали, что разрушение элементов конструкций начинается в местах концентрации напряжений - в зонах резких изменений в форме элементов конструкций.

Эффективный коэффициент концентрации напряжений учитывает влияние конструктивного оформления деталей, наличие очагов концентрации напряжений (отверстия, галтели, шпоночный паз и т.д.) (Рисунок 65. а):

;

Отношение предела выносливости серии гладких образцов к пределу выносливости серии образцов тех же размеров, но имеющих тот или иной концентратор.