Влияние характеристики цикла r на прочность при переменных нагрузках

Предел выносливости зависит в значительной степени от характеристики цикла. Цикл — совокупность всех значений напряжений за время одного периода нагружения.

Отношение называют коэффициентом амплитуды или характеристикой цикла, где и — соответственно наибольшее и наименьшее напряжения цикла по абсолютной величине.

На (Рис. 6.3, а)показана схема цикла симметричного нагружения | | = | |, на (Рис. 6.3, г)— от нулевого.

Рис. 6.3 Осциллограммы нагружений с различными характеристиками циклов.

Пределы выносливости, определенные при симметричном цикле, обозначаются σ_-1, при отнулевом — σ₀; при произвольном — σ_r. Наибольшее значение имеют пределы выносливости при испытаниях на изгиб, несколько меньшее — при осевом нагружении и наименьшее — при кручении. Характер изменения напряжений по времени бывает различным: как синусоидальным (Рис. 6.3, а-г), так и другой формы (Рис. 6.3, д-е).

Рис. 6.4 Диаграмма прочности и усталости в координатах σтax, σmln и σт

В целях изучения пределов выносливости в зависимости от характеристики циклов строится диаграмма выносливости. Наиболее часто пользуются построением диаграммы выносливости испытуемых образцов по методу Смита, представленной в схематизированной форме (Рис. 6.4). Она дает возможность на основании экспериментального определения предела выносливости при симметричном цикле найти пределы выносливости при любом цикле.

По данным других исследований диаграмму прочности и усталости строят в форме параллельных прямых.

Обоснованием к этому служит положение, что для ряда материалов разрушение определяется главным образом диапазоном изменений напряжений в то время как постоянная составляющая не имеет существенного влияния. Диаграмма может быть использована до того, как , достигает . По оси абсцисс откладываются значения средних напряжений цикла

,

по оси ординат — напряжения σ_max и σ_min. Под углом 45° к оси абсцисс проводится прямая. Величины амплитуд

откладываются симметрично относительно этой прямой.

Прямые пересекаются в точке К, которая характеризует цикл с бесконечно малой амплитудой. Условно принимают, что эта точка соответствует пределу прочности σ_в. Отрезок ОА выражает значение предела выносливости при симметричном цикле. При этом σ_m=0.

В большинстве случаев пользуются участком диаграммы с напряжениями, не превышающими предела текучести σ_T. Из точки D с координатами σ_T проводят горизонтальную прямую до пересечения с прямой АК в точке N. Эту точку проецируют на прямую А'К. в точке М. Ломаная линия ANDMA' выражает схематизированную диаграмму усталости в пределах упругих деформаций. Отрезок ВС выражает значение предела выносливости при пульсирующем цикле σ₀; отрезок OB= σ₀/2.

Проведем из точки 0 прямую под произвольным углом а к оси абсцисс, тогда

(6.1)

Рис. 6.5 Полная диаграмма усталости в области растяжения и сжатия

По этому отношению для заданного цикла r определяют tgα. Точка Р определяет значение предела выносливости при заданном цикле нагружения.

В машиностроении нередко для определения пределов выносливости сварных соединений при цикле r поступают следующим образом. Экспериментальным путем определяют предел выносливости σ_-1 при цикле стандартного образца. Определяют предел выносливости при том же цикле проектируемого сварного соединения σ_{-1 св} Находят отношение η= σ_-1/ σ_{-1 св}. Перестраивают диаграмму Смита в масштабе η, и по ней определяют предел выносливости для любого цикла r, пользуясь формулой (6.1).

На Рис. 6.5 показана полная диаграмма зависимости σ_max и σ_min от среднего напряжения σ_m в области растягивающих и сжимающих напряжений. С ростом средних сжимающих напряжений амплитуда разрушающих напряжений растет, пределом роста является предел текучести при сжатии σ_Т^СЖ.

Отношение предела выносливости и предела текучести при испытании стандартных гладких образцов из низкоуглеродистых сталей на изгиб в условиях симметричного цикла равно

. Для низколегированных конструкционных сталей отношение меньше, чем для низкоуглеродистых.

Обычно при повышении температуры пределы выносливости сталей понижаются. В агрессивных средах предел выносливости значительно уменьшается. Прочность деталей конструкций при переменных нагрузках зависит от концентрации напряжении.