Усталостная прочность

Лекция_Усталостная_прочность

ПРОЧНОСТЬ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКИ ИЗМЕНЯЮЩИХСЯ НАПРЯЖЕНИЯХ

ПОНЯТИЕ ОБ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ

Многие детали машин и механизмов испытывают напряжения, циклически изменяющиеся во времени (шатуны и поршни, коленчатые и распределительные валы, оси вагонов, рельсы, валы редукторов и т.д.)

Рассмотрим, например, вал с тяжёлым маховиком..

Значит, напряжения в произвольной точке вала меняются по синусоидальному закону.

Совокупность последовательных значений напряжений за 1 период называют циклом.

Материал вала с течением времени теряет прочность.

Разрушение происходит при очень небольших напряжениях (ниже чем ).

Разрушение происходит внезапно, без остаточных деформаций, т.е. приближается по характеру к хрупким излома.

Явление усталости материалов замечено давно. Ещё в средние века оси конных экипажей разрушались. Но скорости движения были невелики (15-20 км/час) и пассажиры отделывались обычно синяками и шишками. Но появился ж/д транспорт, скорости резко возросли (до 30-40 км/час) и поломка оси вагона стала весьма опасной для жизни пассажиров. Инженеры и учёные занялись изучением этого вопроса. Особенно много этим занимались в Англии, т.к. она была наиболее развитой страной в промышленном отношении. Появились смотрители железнодорожных составов, которые во время остановок поезда ходили вдоль состава со специальными молоточками и простукивали оси вагонов. Если звук был звонкий – ремонта не требовалось , если глухой – колёсная пара заменялась новой. Тогда считалось, что со временем металл «устаёт» становится хрупким, отсюда и хрупкие изломы. Позднее Вёлер, немецкий инженер, изобрёл машину со счётчиком циклов для испытаний материалов на усталость. Основные идеи этой машины используются до сих пор в современных испытательных машинах. Стали развиваться и методы расчёта на усталость В нашей стране особенно большой вклад внёс Серенсен Сергей Владимирович.

Нужно сказать, что теоретическое исследование явления усталости весьма затруднительно, так как процесс зарождения и развития микротрещин усталости происходит на межкристаллическом и даже на молекулярном уровне и зависит от множества трудноучитываемых факторов. Поэтому приходится идти по пути накопления экспериментальных данных, которые служат основой для создания методов расчёта на усталость.

Термин «усталость» применяется до сих пор, но под ним понимают процесс зарождения и развития усталостной трещины, приводящей к разрушению детали. Свойство материала противостоять усталости называют выносливостью материала..

Механизм возникновения трещины усталости

Нагрузка на образец

После некоторого числа циклов где-то в материале (чаще на поверхности) образуется микротрещина усталости.

Постепенно микротрещина развивается, переходя на всё новые кристаллы. В итоге сечение так ослабляется за счёт трещины, что происходит разрушение.

Вид разрушенного сечения

Гладкая притёртая зона

(зона распространения трещины)

Крупнозернистая зона (зона излома)

Зона излома выглядит так, как будто материал был хрупким. На самом деле свойства материала не изменились. Вид излома объясняется тем, что в момент разрушения (когда трещина мгновенно пробегает по сечению) в вершине трещины возникает объёмное НС, близкое к гидротатическому растяжению, а это, как известно, повышает хрупкость материала.

Установлено, что трещины усталости не образуются, если максимальное напряжение цикла не превосходит некоторого значения, называемого пределом усталости (пределом выносливости) материала.

Основные характеристики цикла переменных напряжений

– максимальное напряжение цикла;

– минимальное напряжение цикла;

– среднее напряжение (постоянная составляющая цикла)

амплитуда цикла (переменная составляющая цикла)

– характеристика цикла (коэффициент асимметрии цикла)

Циклы бывают знакопостоянные и знакопеременные

УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТЬ

Трещины в металлах зарождаются и развиваются не только при статических нагрузках, но и под действием циклических напряжений. Усталостная трещина зарождается в поверхностных слоях (это её отличительный признак) и с каждым циклом медленно развивается вглубь. Разрушение происходит, когда из-за уменьшения сечения действующие напряжения превысят разрушающие.

Накопление повреждений означает, что чем больше циклов нагружения, тем меньше должна быть величина нагрузки, чтобы металл «работал», не разрушаясь. Процесс постепенного накопления повреждений в металле называется усталостью.

Свойство противостоять усталости называется выносливостью. Её важнейшей характеристикой является предел выносливости. Он показывает наибольшее напряжение цикла, при котором не происходит усталостного разрушения после заданного числа циклов. Чаще используют симметричные знакопеременные циклы (поочередно действуют одинаковые по амплитуде сжимающие и растягивающие напряжения), в таких случаях предел выносливости обозначается σ-1.

Испытания на усталостную прочность регламентированы в ГОСТ 25.502.79 и в ГОСТ 25.505-85

Вторая по важности характеристика выносливости – усталостная долговечность. Она определяет число циклов, которое металл может выдержать при заданном напряжении. Определяется также вероятность разрушения при заданном уровне нагружения и заданном числе циклов (или допустимое напряжение при заданной вероятности разрушения). Важной характеристикой сопротивления усталости является скорость роста трещины при усталости (СРТУ) dl/dN и циклическая вязкость (циклическая трещиностойкость) Кц1с. При их определении фиксируют длину трещины по мере увеличения числа циклов, а нагружение проводится на частотах 15-20 Гц.

Способность металла работать в условиях циклических нагрузок существенно зависит от условий нагружения.

А). При относительно небольших напряжениях (которым соответствуют упругие деформации) усталостная долговечность велика – металл сохраняет целостность при большом числе циклов. Многоцикловые характеристики определяются при базе испытаний 106 – 108 циклов на частотах 10-300 Гц.

Б). При значительных нагрузках (в области упругопластических деформаций) усталостная долговечность намного меньше. Параметры малоцикловой усталости определяются при базе испытаний до 5*104 на частотах 3 – 5 Гц.

В). Циклические изменения температуры при постоянном напряжении (или на фоне циклических нагрузок) сопровождаются упругопластическими деформациями. Это приводит к термической усталости. Способность материала сопротивляться разрушению в условиях проявления термической усталости называется термостойкостью. Показатель термостойкости – количество термоциклов при заданной нагрузке до разрушения.

Получение усталостных характеристик является очень дорогим и трудоёмким процессом. Поэтому для приближенной оценки предела усталости его часто определяют через другие известные характеристики, например σ -1 = k•σв. Коэффициент k имеет разные значения не только для разных сплавов, но и для разных состояний одного и того же металла. Например, для отожженных алюминиевых термически неупрочняемых сплавов k = 0,4 – 0,6, а для термоупрочненных алюминиевых сплавов k = 0,3.

Характеристики выносливости зависят от сочетания прочностных, пластических свойств и особенностей структуры. На выносливость всех металлов и сплавов отрицательно влияют примеси и грубые фазовые включения, особенно неметаллические.

Поскольку усталостные трещины зарождаются на поверхности, то особое значение для повышения долговечности при циклических нагрузках имеет состояние поверхности. Полировка, поверхностное упрочнение, отсутствие коррозии увеличивают величину предела выносливости.

УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ.

При статических испытаниях скорость приложения нагрузки составляет 10 -5 – 10 -2 м/с. Их результаты не отражают сопротивляемость материала к нагрузкам, действующим с гораздо большей скоростью. Поэтому устойчивость металла к разрушению при ударных нагрузках определяют в динамических испытаниях при скоростях деформирования 3 – 5 м/с.

Основная характеристика, получаемая при ударных испытаниях – ударная вязкость (единица измерения – Дж/см 2 ). Она определяет энергию, необходимую для разрушения образца. Её измеряют, подвергая удару образец с предварительно нанесенным надрезом.

Энергия удара поглощается в некотором объеме вокруг надреза. Этот объем зависит и от прочности и от пластичности металла, для разных металлов он разный и его трудно оценить. Поэтому энергию разрушения относят не к объему деформируемой области (что было бы правильно), а к площади сечения в надрезе (что удобно). По этой причине величина ударной вязкости носит условный характер, что нужно учитывать при сравнении показателей для разных металлов или разных температур.

В зависимости от вида надреза (концентратора) определяется три вида ударной вязкости. В её обозначении присутствует буква, указывающая на вид концентратора: КСT, КСU, КСV (последняя буква соответствует профилю надреза). Величина КСV – используется для контроля материалов для ответственных, а КСT – для особо ответственных применений. Т- концентратор представляет собой надрез с заранее введенной трещиной, поэтому в таком случае энергия удара расходуется только на развитие трещины (а не на её образование и развитие), поэтому КСT

Критерий усталостной прочности

Хотя целесообразность введения Критерия усталостной прочности корпусов судов, обеспечивающего необходимые запасы его усталостной долговечности, отмечалась достаточно давно, вопрос о степени его лимитирующего влияния и конкретной форме остается до настоящего времени дискуссионным. Однако этот критерий необходим хотя бы потому, что только с его помощью могут быть обоснованы пределы возможного повышения действующих в корпусах судов переменных напряжений при применении высокопрочных сталей.

Практическая разработка нормативного критерия усталостной прочности связана с серьезными трудностями, что иногда не вполне логично рассматривается в качестве основания для отказа от его использования. Главная из этих трудностей заключается в том, что параметры усталостной долговечности зависят от большого числа факторов, имеющих случайную природу, количественная информация о которых довольно ограничена как по полноте, так и достоверности. Тем не менее анализ этой информации позволяет сделать определенные выводы о целесообразной структуре критерия усталостной прочности корпуса судна, которые рассматриваются ниже.

Усталостная прочность (долговечность) определяется действующими на корпус судна переменными нагрузками и работоспособностью узлов корпусных конструкций под воздействием вызываемых этими нагрузками внутренних сил и напряжений. Работоспособность узлов в указанных условиях обычно оценивается параметрами их усталостной прочности в условиях стационарного циклического нагружения.

При изучении этого круга вопросов все корпусные конструкции, которые могут получить усталостные повреждения в результате воздействия переменных нагрузок, подразделяются на две самостоятельные группы [2].

К первой из них относятся такие «классические» прерывистые связи, как надстройки и рубки, а также вырезы в перекрытиях и других плоских конструкциях, в районе которых зоны концентрации напряжений сравнительно велики, а оформление узлов достаточно просто для моделирования при теоретическом и экспериментальном исследованиях действующих в них напряжений. Параметры усталостной прочности прерывистых связей данного типа могут быть представлены в виде функции от напряжений в зонах их макроконцентрации и параметров работоспособности материала (либо его соединений), расположенных в этих зонах.

Ко второй группе относятся конструкции, включающие различные сложные сварные узлы, например узлы пересечения балок различного направления. Сложность их напряженного состояния и сложное взаимосвязанное влияние на работоспособность узлов особенностей их геометрического оформления и технологического выполнения делают, как правило, невозможным определение параметров работоспособности узлов без проведения их специальных испытаний в условиях переменного нагружения, моделирующего эксплуатационное.

Изучение усталостной прочности узлов корпусных конструкций в условиях циклического нагружения стало возможно лишь в середине 60-x годов после создания необходимого экспериментального оборудования. По сравнению с аналогичными испытаниями материала проведение исследований в этом направлении осложнено влиянием ряда дополнительных факторов, резко увеличивающих объем необходимых работ.

К числу таких факторов, в частности, относятся:
— многообразие типов конструктивных узлов и сложный характер их нагружения в условиях эксплуатации, не всегда поддающийся моделированию в лабораторных условиях;
— влияние на результаты испытаний качества и технологической последовательности сборочно-сварочных работ;
— возможное влияние особенностей оформления опытных конструкций, включающих испытываемые узлы;
— обычно сложный характер и большая длительность стадии развития разрушения узлов в составе конструкций, затрудняющие количественное определение числа циклов нагружения,’ соответствующих исчерпанию работоспособности конструкций.

Читайте также:  Устройство и ремонт генератора, ремонт генератора своими руками

Несмотря на указанные трудности, экспериментальные исследования работоспособности конструкций являются единственным путем получения информации, необходимой для оценки ее параметров хотя бы в сопоставительном плане. Это нужно, в частности, для того, чтобы установить, в какой мере различен уровень работоспособности конструкций при различном их материале и оформлении узлов.

При наличии подобных сведений могут быть выяснены по меньшей мере следующие важные вопросы, определяющие отношение к проблеме обеспечения усталостной прочности.

1. Каково соотношение параметров работоспособности в условиях циклического нагружения конструкций с оформлением узлов, характерным для судов старой и современной постройки?
2. В какой мере отражается на работоспособности конструкций применение тех или иных технологических мероприятий, направленных на снижение трудоемкости сборочно-сварочных работ?
3. Имеется ли достаточно стабильный верхний уровень работоспособности конструкций, заметное превышение которого невозможно при современном оформлении узлов корпусных конструкций и технологии их изготовления?
4. Как влияют на циклическую работоспособность конструкций механические характеристики применяемых материалов?
Ответ на первый вопрос позволит оценить диапазон безопасного увеличения действующих в корпусах судов переменных напряжений, обеспеченный применением в корпусах современных судов более совершенных узлов.

Второй вопрос связан с необходимостью выяснения степени допустимости применения упрощенных вариантов оформления конструктивных узлов, обеспечивающих использование прогрессивных методов сборки и сварки конструкций при высоком уровне механизации выполняемых работ.

Решение третьего и четвертого вопросов дает определенное представление о пределах возможного увеличения действующих напряжений в корпусах судов за счет совершенствования конструктивных узлов и применения сталей повышенной прочности.

Укажем результаты усталостных испытаний судостроительных сталей и конструкций, позволяющих с той или иной степенью полноты ответить на перечисленные вопросы.

Усталостная прочность и износостойкость высокомарганцовистой стали Текст научной статьи по специальности « Технологии материалов»

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Расщупкин В. П., Акимов В. В.

В статье повествуется о повышении износостойкости и усталостной прочности деталей гусеничных машин из высокомарганцовистой стали.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Расщупкин В. П., Акимов В. В.

Fatigue resistance and durability in high-manganese steel

Broad usage of high-manganese steel 110Г13Л for track machines and mining industry requires improved fatigue resistance and durability of parts. The casting defects are often origins for crack formation causing fracture failures of parts. One of the ways to avoid such failure is complex alloying of steel and electroslag hard facing of steel wear surface.

Текст научной работы на тему «Усталостная прочность и износостойкость высокомарганцовистой стали»

В. П. РАСЩУПКИН В. В. АКИМОВ

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТЬ И ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ВЫСОКОМАРГАНЦОВИСТОЙ СТАЛИ

В статье повествуется о повышении износостойкости и усталостной прочности деталей гусеничных машин из высокомарганцовистой стали.

Расширение применения высокомарганцовистой стали 110Г1 ЗЛдля деталей гусеничных машин и горнодобывающего оборудования ставит задачи по повышению износостойкости и усталостной прочности деталей. Технологические литейныедефекты часто являются очагами зарождения трещин, приводящих к хрупкому разрушению изделий. Одним из путей устранения такого разрушения является комплексное легирование стали и электрошлаковая наплавка быстроизнашивающихся поверхностей деталей.

Микроструктуры стали 110 Г13Л и стали 110Г13Л с дополнительным легированием, выплавленных электродутовым способом, изучались на литых образцах, закаленных в воду с температуры 1050 С°. (рис. 1) Исследовались также структуры после усталостного нагружения по ГОСТ 23026-76. Образцы нагружались пульсирующей нагрузкой, рост трещины от вершин острого надреза контролировали с помощью ультразвуковой установки для автоматического слежения[1]. Была проведена компьютерная обработка результатов в соответствии с уравнением

%, = фà (2,4). Коэффициент интенсивности напряжения К в вершине трещины находили методом конечных элементов [5].

Для изучения влияния легирующих элементов на размер аустенитного зерна и фазовый состав стали (выпадение или растворение карбидов, изменение объемной доли и морфологии неметаллических включений) использовался стереометрический и рентгеноструктурный анализы. Структура стали 110Г1 ЗА характеризуется крупным зерном аустени-та ( 497 ) (рис.2 и 4), карбидными и оксидными включениями в основном., по границам зерна. Исследование структуры в зонах разрушения показало, что после деформации в зернах аустенита

развивается интенсивное скольжение. Интерференционная картина деформируемых участков, полученная на интерферометре Линника, представляет характерные для линий скольжения ступеньки. Скольжение, начинающееся от границ зерна в местах выпадения карбидов, развивается вдоль включений, причем наблюдается локализация линий скольжения в отдельных полосах. Это повышает вероятность внезапного хрупкого разрушения при невысоком уровне внешнего напряжения (рис. 3).

Введение 0,6 % Сг и 0,4 % N1 не вызывает увеличения размеров дендридов и аустенитного зерна (1А = 360 мкм), но доля карбидной фазы возрастает. Карбиды располагаются таким образом, что образуют сплошную сетку. Дальнейшее увеличение содержания этих элементов вызывает рост зерна аустенита до 468 мкм и дендридов, усиление ликвации. По границам и по телу зерна располагаются цепочки глобулярных карбидных и оксидных включений.

Легирование несколькими элементами (1,3,1,2. % N1, 0,6 % Мо, 0,03 %Т) с комплексом редкоземельных металлов (Р.З.М.) в количестве примерно 0,1 % измельчает зерно до 284 мкм и почти полностью уничтожает карбидные и оксидные фазы на границах зерен. Величина суммарной межзеренной поверхности возрастает с 10,6 до 14,1 мм . Дальнейшее увеличение содержания хрома и никеля приводит к уменьшению этого параметра до 8,0 мм , что нежелательно, так как границы зерен тормозят распространение трещин [6,7].

Таким образом, комплексное легирование меняет структуру сталей, что отражается и на усталостных характеристиках материалов. Можно утверждать, что комплексно легированная сталь имеет более высокий коэффициент интенсивности напряжений на различных стадиях роста трещины [2]. Это подтверждается данными испытаниями по схеме

■г ■ – . ‘Ч-У •л/” С > . . *У

Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис. 3. Фрактограммы развития трещины (х5500); а) и б) -участки хрупкого скола, х 5500; в) – следы «утомления» и линии скольжения

трёхточечного изгиба. Изделия из легированной стали выдерживают максимальное число циклов нагружения при пульсирующем напряжении 120МПа (среднее значение числа циклов 1,8′ 101′). При отклонении состава сталей от оптимального, в частности, при увеличении или уменьшении содержания комплекса Р.З.М. выше 0,2% или ниже 0,1 % наблюдается снижение циклической стойкости изделия до 1,410″ циклов. Длинна скачка в области усталостного разрушения за один цикл нагружения, которая определяет скорость роста дефекта, минимальна для комплексно легированной стали с 0, 1% Р.З.М., что подтверждается снижением коэффициента в уравнении А/^ = С„К” (4].

В областях долома в сталях, в которых содержание р.з.м. больше 0,1% наблюдается разрушение (рис.5) по телу зерна путем двойникования. Интерференционная картина таких участков обнаруживает характерные для двойников двухгранные углы. Это согласуется с данными роботы [8], где показано, что чрезмерное легирование сталей р.з.м. может привести к увеличению содержания неметаллических включений в них. При этом изделия из высокомарганцовистой стали не являются хрупкими. Они хорошо выдерживают динамические нагрузки и не разрушаются. Высокое сопротивление истиранию объясняется большой склонностью стали к упрочнению и наклёпу при деформации.

Износ стали при испытаниях во вращающемся барабане в 2-3 раза меньше износа графитизирова-ной стали и в 10-12 раз меньше износа углеродистой

стдли. Износ шаров ич .л али 110Г13 равен 3,78 г/кг за 47С часов работы ме ьницы.

С1 руктурные измо! 1ения при трении протекают в несколько этапов. На начальном этапе происходит увеличение плотности дислокаций, образование их скоплений, формирование ячеистой и фрагмен-тироьаыной структур, деформационное упрочнение и соответственно тонкая структура на поверхности. Изменения имеют неравномерный характер, что обуслс влено дискретностью контакта при трении, с увеличением времени пути трения структура поверхностного слоя становится более однородной. После периода стабилизации структуры поверхностного слоя наступает период разупрочнения.

Интенсивные структурные изменения, обусловленные деформационным упрочнением и последующим разупрочнением, происходят в поверхностном слое детали при работе в условиях циклических нагрузок.

При этом возникает структурная приспособляемость материала, заключающаяся в перестройке структуры поверхностного слоя в энергетически выгодную для данных условий нагружения. Взаимодействие трущихся тел и рабочей среды локализуются в тонком слое, характеризующемся особым структурно-фазовым состоянием – слоем «вторичных» структур. В высокомарганцовистой стали наблюдается динамическое равновесие процессов разрушения и образования вторичных структур. Наклёц активирует поверхностный слой, что приводит к росту скоростей диффузии и сокращению времени образования защитных «вторичных» структур.

На основе методов микрофрактографии и физического металловедения определены микроструктурные характеристики прочности. Комплексное легирование с РЗМ повышает износостойкость и сопротивление развитию трещин в высокомарганцовистых сталях при усталостном и статическом нагружении.

Для повышения износостойкости стали перспективным является поверхностное легирование деталей и, в частности, наплавкой специальными литыми пластинчатыми электродами из стали 110Г13Л Отсутствие оксидов марганца в исходных промышленных флюсах, применяемых при такой наплавке, способствует заметному окислению марганца и существенному уменьшению его содержания в наплавленномм металле. Это приводит к снижению стабильности марганцевого аустенита и ухудшению физико-механических свойств стали. Исследования показывают, что применение безмарганцевых флюсов ведёт к снижению марганца в стали на ! ,7-2.3 % абс Содержание закиси марганца в отработанном шлаке достигает при этом 11 %[6].

Для изучения распределения марганца между шлаком заданного состава и металлом была произ-

Рис. 5. Фрактограммы разрушения; а и б) – зона «вытяжки» и вязкое субзеренное разрушение в комплексно легированной стали, х 500; в) – межзеренное разрушение в стали И0Г13Л,х 1000

ведена термодинамическая оценка процесса электрошлакового переплава стали 110Г13Л [7].

Коэффициент распределения марганца между шлаком и металлом рассчитывали по формуле

Коэффициенты активности железа и марганца в стали идентичны и равны единице, поэтому в дальнейших расчётах считали значение условной константы равновесия, равным значению константы К Мп. Для расчётов был выбран интервал температур 1873-2073 К, соответствующий реальным температурам электрошлакового процесса

Результаты экспериментов по наплавке и расчетные данные о термодинамически равновесном распределении марганца между шлаком и металлом свидетельствует о том, что при ЭШН стали 110 Г13Л с использованием флюса, не содержащего добавок оксида марганце, происходит интенсивное окисление марганца металла, причём процесс окисления не достигает равновесия, т.е. фактическое содержание марганца в шлаке иногда ниже расчётного. По всей видимости, важную роль здесь играют кинетические особенности электрошлакового процесса, т.е. кристаллизация происходит до достижения равновесия между металлом и шлаком.

Таким образом, для снижения окисления марганца при ЭШН стали 110Г13Л в состав стандартных флюсов необходимо вводить раскислители типа элементов РЗМ и оксидов марганца. Чтобы оценить результаты исследований были изготовлены серийные детали траки гусеничных машин из опытной

Читайте также:  Установление нагрузок при расчете на выносливость деталей автомобиля

Новые научно-технические разработки

Ремонтный состав РЕМЭК (ремонтная модифицированная эпоксидная композиция) с повышенными физико-механическими характеристиками

Институт химии Коми НЦ УрО РАН (г. Сыктывкар) разработал модифицированную эпоксидную клеевую композицию с повышенными физико-механическими характеристиками на основе эпоксидного олигомера ЭД-20 и полиэтиленполиамина с высокой степенью наполнения для ремонта и склеивания металлических изделий различного назначения при комнатной температуре. Модифицированные эпоксидные композиции обладают высокими физико-механическими характеристиками, хорошей износостойкостью, низким влагопоглощением. Ремонтные составы МЭРС и КОМЭС по разрушающему напряжению прочности на отрыв почти в два раза уступают составу РЕМЭК.

Институт химии Коми НЦ УрО РАН (г. Сыктывкар), (8212) 43-09-44.

высокомарганцовистой стали с дополнительным легированием и наплавкой зон изнашивания. Циклические испытания этих траков проводили по следующему режиму: максимальная нагрузка -80 кН., минимальная нагрузка – 24 кН, частота колебаний пульсатора – 698 кол./мин. В результате определено количество циклов до появления первой трещины длиной 5-7 мм . Оно составило примерно 330000 циклов. Количество циклов до разрушения трака — оно составило примерно 400000 циклов.

Испытания траков на статический изгиб дали следующие результаты. Предельная нагрузка без разрушения составила 40000-46000 кг., стрела прогиба трака 80 – 110 мм.

Проведены эксплуатационные испытания трактов на различных грунтах. Они показали повышение ходимости опытных деталей.

Таким образом, можно сделать вывод, что для повышения износостойкости и усталостной прочности деталей гусеничных машин из высокомарганцовистой стали целесообразно применять дополнительное легирование стали с добавками РЗМ, а также использовать наплавку изнашивающихся поверхностей на основе специальных флюсов также с применением РЗМ.

1.Володин В.Л. Модель прогнозирования усталостного разрушения / В,Л. Володин, Ю.А. Алюшин, Ю.Д. Коньков // Заводская лаборатория. – 1977. — №5. – С.619-620.

2. Качанов Л.М.Основы механики разрушения / Л.М. Ка-чанов. – М.: Физико-математическая литература, 1991. – 312 с.

3. Полевой С.Н. Упрочнение машиностроительных материалов / С.Н. Полевой, В.Д. Евдокимов. — М.: Машиностроение, 1994. – 420 с.

4. Финкель В.М. Физика разрушения. Рост трещин в твердых телах / В.М. Финкель, — М.: Металлургия, 1970. — С.376.

5. Браун М.Г1. Микролегирование стали / М.П. Браун. — Киев: Науковая думка, 1982. — С.30.

6. ВалицК.А. Рафинирование стали 1 ЮПЗЛпри наплавке/ К.А. Валиц, А.Я. Шварцер // Современные методы наплавки: тез. докл. республ. науч. конф. – Харьков, 1981. – С.22-23.

7. Григорян В.А; Теоретические основы электросталеплавильных процессов / В.А. Григорян, Л.Н Белянчиков, А.Я. Сто-махин. — М.: Металургия, 1979. —256 с.

8. Валиц К.А. Флюс для электрошлаковой наплавки высокомарганцовистой стали / К.А. Валиц, Ф.Я. Шварцер// Проблемы спец. электрометаллургии. – 1985. – №4. — С.26-28.

РАСЩУПКИН Валерий Павлович, к.т.н., доцент кафедры конструкционных материалов и специальных технологий.

АКИМОВ Валерий Викторович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры конструкционных материалов и специальных технологий

Дата поступления статьи в редакцию: 10.03.06 г. © Расщупкин В.П., Акимов В.В.

Характеристики статической и усталостной прочности

Про́чность (в физике и материаловедении) -свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, возникающих под воздействием внешних сил. Прочность подразделяют на статическую, под действием постоянных нагрузок, динамическую и усталостную (выносливость), имеющую место при действии циклических переменных нагрузок.

ОА – чистая упругость, АВ – площадка текучести, ВСМ – упрочнение материала, М – появление шейки, МД – деформирование шейки Д – разрушение. s в (.) А-предел текучести, s в (.) М – предел прочности

Усталость материала — в материаловедении — процесс постепенного накопления повреждений под действиемпеременных (часто циклических) напряжений, приводящий к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению материала за указанное время.

В типичном усталостном изломе можно выделить три зоны:

место зарождения трещины;

зона стабильного развития трещины, которая чаще всего характеризуется линиями усталости, представляющие собой примерно концентрические контуры. Фокус этих контуров находится в месте зарождения усталостной трещины. Поверхность этой зоны гладкая, притертая. Такой характер поверхности является результатом наклёпа, вызываемого повторяющимися нажатиями двух поверхностей трещины одна на другую или их взаимным трением при перемене знака напряжения.

Зона долома – результат заключительной стадии усталостного разрушения, протекающий в зависимости от условий испытаний или работы по вязкому или хрупкому механизму. Соответственно излом в этой зоне имеет волокнистый или кристаллический вид.

N-число циклов нагружения, No-базовое число циклов, s-предел выносливости – наибольшее напряжение при котором образец может сопротивляться бесконечно долго, т.е. не разрушаться. s0-для нолевого цикла, s1-для симметричного цикла.

33. Факторы, влияющие на усталостную прочность деталей машин. Коэффициент запаса прочности.

Основные факторы, влияющие на прочность деталей машин

Прочность деталей машин зависит от условий их нагружения и поведения соответствующих конструкционных материалов в этих условиях.

Условия нагружения характеризуются: уровнем общей и местной напряженности, температурой поверхности, числом и формой циклов нагружения, наличием ударных нагрузок, характером распределения и величиной остаточных напряжений, накоплением коррозионных, усталостных и других повреждений. С учетом анализа перечисленных факторов нагружения выбирается материал и методы определения их эксплуатационных свойств. К числу основных характеристик материала относятся сопротивление деформациям и разрушению. Учитывая постоянную тенденцию к снижению массы конструкции и повышению надежности, важное значение приобретает анализ и обоснование сопротивления неупругим деформациям.

В зависимости от условий нагружения и характеристик материала по условиям прочности отказы могут быть при усталостном разрушении, пластической деформации, хрупком разрушении и нарушении сцепления в соединениях с натягом, приводах и передачах трения и резьбовых соединениях.
Наиболее опасным является усталостное разрушение деталей, возникающее при переменных напряжениях и превышающее предельное значение для данных условий.

Пластическая деформация сопровождается образованием местной или общей ползучести металла из малоуглеродистой и низколегированных сталей. При увеличении нагрузки, вызвавшей пластическую деформацию, может произойти общее разрушение изделия.

Хрупкое разрушение деталей происходит при одноразовом воздействии больших нагрузок, или изменении структуры металла (охрупчивание) под влиянием температурного и (или) радиационного воздействия, или в результате постоянного накопления остаточных напряжений высокого уровня.
Нарушение сцепления вызывается нагрузками, превышающими предельно допустимые значения. Этот вид отказа недопустим в грузоподъемных машинах, т.к. нарушение прессовых соединений в них может вызвать падение груза, самопроизвольное движение тележки или крана и др.

Проворот валиков или втулок приводит к быстрому изнашиванию в сопряжениях этих деталей. Значительную опасность представляет и самоотвинчивание резьбовых соединений.

При сложном нагруженном состоянии номинальные нагружения распределяются неравномерно как по длине детали, так и по ее сечению. Выравниванием и уменьшением номинальных напряжений можно существенно повысить несущую способность детали. При проектировании машины это можно сделать различными способами: заменой элементов, работающих на изгиб, равномерно нагруженными растянутыми и сжатыми элементами; оптимизацией формы опасных сечений элементов и детали в целом; обеспечением равной прочности по длине; параллельной передачей нагрузки несколькими элементами; созданием начальных напряжений обратного знака и др. При нагружении изделий в отдельных зонах происходит концентрация напряжений, которые называют местными. Концентрация напряжений может быть вызвана резким изменением формы детали, прессовыми посадками, концентрацией нагрузок, неоднородностью материала, дефектами при изготовлении детали и другими причинами.

35. Зубчатые передачи: общие сведения, достоинства и недостатки, основные параметры эвольвентного зацепления.

Механизм, в котором два подвижных звена являются зубчатыми ко­лесами, образующими с неподвижным звеном вращательную или поступатель­ную пару, называют зубчатой передачей

Виды зубчатых передач: цилиндрические зубчатые передачи с внешним зацеплением; реечная передача;цилиндрическая передача с внутренним зацеп­лением; зубчатая винтовая передача; конические зубчатые передачи; ги­поидная передача

В большинстве случаев зубчатая передача служит для передачи враща­тельного движения. В некоторых механизмах эту передачу применяют для преобразования вращательного движения в поступательное (или наоборот).

Зубчатые передачи — наиболее распространенный тип передач в совре­менном машиностроении и приборостроении; их применяют в широких диапазонах скоростей (до 100 м/с), мощностей (до десятков тысяч кило­ватт).

Основные достоинства зубчатых передач по сравнению с другими передачами:

– технологичность, постоянство передаточного числа;

– высокая нагрузочная способность;

– высокий КПД (до 0,97-0,99 для одной пары колес);

– малые габаритные размеры по сравнению с другими видами передач при равных условиях;

– большая надежность в работе, простота обслуживания;

– сравнительно малые нагрузки на валы и опоры.

К недостаткам зубчатых передач следует отнести:

– невозможность бесступенчатого изменения передаточного числа;

– высокие требования к точности изготовления и монтажа;

– шум при больших скоростях; плохие амортизирующие свойства;

– громоздкость при больших расстояниях между осями ведущего и ве­домого валов;

– потребность в специальном оборудовании иинструменте для нареза­ния зубьев;

– зубчатая передача не предохраняет машину от возможных опасных перегрузок.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Студент – человек, постоянно откладывающий неизбежность. 11164 – | 7524 – или читать все.

Усталостная прочность материалов

Цикл напряжений как совокупность всех значений переменных напряжений за время одного периода изменения нагрузки, его характерные признаки и особенности, параметры и разновидности. Явление усталости. Расчет на прочность при циклических напряжениях.

РубрикаФизика и энергетика
Видреферат
Языкрусский
Дата добавления19.04.2011
Размер файла40,0 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для успешного изучения материальной части техники войск РХБ защиты необходимы глубокие знания общетехнических дисциплин. Многие детали машин в процессе эксплуатации подвергаются циклическим напряжениям. Поэтому курсанты должны иметь представление о параметрах и видах циклов напряжений, явлении и пределе выносливости.

Поэтому материал данной лекции имеет большое значение. Цель данной лекции дать курсантам основные термины и определения, связанные с циклическими напряжениями, изучить вопрос расчета элементов конструкций на прочность при данном виде нагружения.

1. Понятие о циклических напряжениях. Параметры и виды циклов напряжений

К динамическим нагрузкам, несмотря на отсутствие значительных инерционных сил, можно отнести периодические многократно повторяющиеся (циклические) нагрузки, действующие на элементы конструкции. Такого рода нагружения характерны для большинства машиностроительных конструкций, таких, как оси, валы, штоки, пружины, шатуны и т.д.

Прочность материалов при повторно-переменном нагружении во многом зависит от характера изменения напряжений во времени.

Периодическая нагрузка – переменная нагрузка с установившимся во времени характером изменения, значения которой повторяются через определенный промежуток (период) времени.

Цикл напряжений – совокупность всех значений переменных напряжений за время одного периода изменения нагрузки.

Обычно цикл напряжений характеризуется двумя основными параметрами цикла: и – максимальным и минимальным напряжениями цикла.

Среднее напряжение цикла .

Амплитудное напряжение цикла .

Коэффициент асимметрии цикла напряжений .

В зависимости от величины перечисленных характеристик циклы напряжений могут быть подразделены на следующие основные виды:

Читайте также:  Устройство и ремонт автомобиля

Симметричный цикл – максимальное и минимальное напряжения равны по абсолютной величине и противоположны по знаку , R = -1.

Асимметричный цикл – максимальное и минимальное напряжения не равны по абсолютной величине , при этом асимметричный цикл может быть знакопеременным или знакопостоянным.

Знакопеременный цикл – максимальное и минимальное напряжения не равны по абсолютной величине и противоположны по знаку , , .

Знакопостоянный цикл – максимальное и минимальное напряжения не равны по абсолютной величине и имеют одинаковый знак , , .

Отнулевой (пульсирующий) цикл – максимальное или минимальное напряжения равны нулю или , или .

2. Явление усталости. Кривая усталости. Предел выносливости

Как показывает практика, нагрузки, циклически изменяющиеся во времени по величине или по величине и по знаку, могут привести к разрушению конструкции при напряжениях, существенно меньших, чем предел текучести (или предел прочности). Такое разрушение принято называть «усталостным». Материал как бы «устает» под действием многократных периодических нагрузок.

Усталостное разрушение – разрушение материала под действием повторно-переменных напряжений.

Усталость материала – постепенное накопление повреждений в материале под действием переменных напряжений, приводящих к образованию трещин в материале и разрушению.

Выносливость – способность материала сопротивляться усталостному разрушению.

Физические причины усталостного разрушения материалов достаточно сложны и еще не до конца изучены. Одной из основных причин усталостного разрушения принято считать образование и развитие трещин.

Механизм усталостного разрушения во многом связан с неоднородностью реальной структуры материалов (различие размеров, очертаний, ориентации соседних зерен металла; наличие различных включений – шлаков, примесей; дефекты кристаллической решетки, дефекты поверхности материала – царапины, коррозия и т. д.). В связи с указанной неоднородностью при переменных напряжениях на границах отдельных включений и вблизи микроскопических пустот и различных дефектов возникает концентрация напряжений, которая приводит к микропластическим деформациям сдвига некоторых зерен металла, при этом на поверхности зерен могут появляться полосы скольжения, и накоплению сдвигов, которое на некоторых материалах проявляется в виде микроскопических бугорков и впадинок – экструзий и интрузий. Затем происходит развитие сдвигов в микротрещины, их рост и слияние; на последнем этапе появляется одна или несколько макротрещин, которая достаточно интенсивно развивается (растет). Края трещины под действием переменной нагрузки притираются друг об друга, и поэтому зона роста трещины отличается гладкой (полированной) поверхностью. По мере роста трещины поперечное сечение детали все больше ослабляется, и, наконец, происходит внезапное хрупкое разрушение детали, при этом зона хрупкого долома имеет грубозернистую кристаллическую структуру, как при хрупком разрушении.

Кривая усталости (кривая Веллера) строится на основании результатов усталостных испытаний при симметричном цикле. Она показывает, что с увеличением числа цикла максимальное напряжение, при котором происходит разрушение материала, значительно уменьшается. При этом для многих материалов, например углеродистой стали, можно установить такое наибольшее напряжение цикла, при котором образец не разрушается после любого числа циклов (горизонтальный участок диаграммы), называемое пределом выносливости ().

Предел выносливости (усталости) – наибольшее (предельное) напряжение цикла, при котором не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого числа циклов.

Так как испытания нельзя проводить бесконечно большое время, то число циклов ограничивают некоторым пределом, который называют базовым числом циклов. В этом случае, если образец выдерживает базовое число циклов (для черных металлов – N = 10 7 ), то считается, что напряжение в нем не выше предела выносливости.

Кривые усталости для цветных металлов не имеют горизонтальных участков, поэтому для них за базовое число циклов увеличивается до N = 10 8 и устанавливается предел ограниченной выносливости.

В реальных конструкциях подавляющее число деталей работает при ассиметричном нагружении.

Диаграмма предельных напряжений (диаграмма Смита) строится, как минимум, по трем режимам нагружения (по трем точкам), для каждого из которых определяют предел выносливости.

Первый режим (точка 1) – обычный симметричный цикл нагружения (, , , ).

Второй режим (точка 2) – асимметричный цикл нагружения, как правило, отнулевой (, , , ).

Третий режим (точка 3) – простое статическое растяжение (, ).

Полученные точки соединяют плавной линией, ординаты точек которой соответствуют пределам выносливости материала при различных значениях коэффициента асимметрии цикла.

Луч, проходящий под углом через начало координат диаграммы предельных напряжений, характеризует циклы с одинаковым коэффициентом асимметрии R:

Диаграмма предельных амплитуд (диаграмма Хейга) строится в координатах: среднее напряжение цикла – амплитуда цикла (рисунок 7). При этом для ее построения необходимо провести усталостные испытания так же как минимум для трех режимов: 1 – симметричный цикл; 2 – отнулевой цикл; 3 – статическое растяжение.

Соединяя полученные точки плавной кривой, получают график, характеризующий зависимость между значениями предельных амплитуд и значениями предельных средних напряжений в цикле.

Кроме свойств материала, на усталостную прочность оказывают влияние следующие факторы: 1) наличие концентраторов напряжений; 2) масштабный фактор, то есть влияние абсолютных размеров детали (чем больше размеры детали, тем ниже усталостная прочность); 3) качество обработки поверхности (с уменьшением шероховатости поверхности детали растет усталостная прочность); 4) эксплуатационные факторы (температура, коррозия, частота нагружения, радиационное облучение и т.д.); 5) наличие поверхностного слоя, упрочненного различными технологическими методами.

напряжение усталость кривая прочность

3. Расчет на прочность при циклических напряжениях

Расчет на прочность при циклических напряжениях начинают с построения диаграммы усталостной прочности (часто, для простоты рассуждений предельную линию представляют в виде прямой) и показывают на ней рабочую точку М цикла в случае, если рассматриваемый элемент испытывает только простое растяжение и сжатие.

Рассмотрим все те циклы, рабочие точки которых лежат на одной прямой, и для которых справедливо выражение sа=sm•tga. Тогда .

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: , где точка M соответствует действующему циклу, а точка N получается вследствие пересечения предельной прямой и продолжения отрезка OM.

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

Полученный коэффициент запаса соответствует идеальному образцу. Реальная же его величина зависит, как отмечалось выше, от геометрии, размеров и состояния поверхности образца, учитываемых коэффициентами К?1, соответственно. Для этого необходимо предел усталости при симметричном нагружении уменьшить в раз, или, что тоже самое, амплитудное напряжение цикла увеличить в раз. Тогда

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 ?a, ?m можно представить в виде двух наклонных, как это изображено на рисунке 9. 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

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:

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, 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.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Определение и уточнение диаметра вала с целью оценки статической нагрузки на брус. Произведение расчета вала на прочность и жесткость при крутящем ударе и при вынужденных колебаниях. Выбор эффективных коэффициентов концентрации напряжений в сечении.

контрольная работа [735,9 K], добавлен 27.07.2010

Определение напряжений при растяжении–сжатии. Деформации при растяжении-сжатии и закон Гука. Напряженное состояние и закон парности касательных напряжений. Допускаемые напряжения, коэффициент запаса и расчеты на прочность при растяжении-сжатии.

контрольная работа [364,5 K], добавлен 11.10.2013

Анализ режимов работы для комплексов действующих значений напряжений и токов; определение сопротивления нагрузки. Коэффициенты отражения и затухания волн от согласованной нагрузки для напряжения. Мгновенные значения тока, напряжения, активной мощности.

презентация [292,2 K], добавлен 28.10.2013

Определение: инвариантов напряженного состояния; главных напряжений; положения главных осей тензора напряжений. Проверка правильности вычисления. Вычисление максимальных касательных напряжений (полного, нормального и касательного) по заданной площадке.

курсовая работа [111,3 K], добавлен 28.11.2009

Методическое указание по вопросам расчётов на прочность при различных нагрузках и видах деформации. Определение напряжения при растяжении (сжатии), определение деформации. Расчеты на прочность при изгибе, кручении. Расчетно-графические работы, задачи.

контрольная работа [2,8 M], добавлен 15.03.2010

Расчет значений частичных и истинных токов во всех ветвях электрической цепи. Использование для расчета токов принципа наложения, метода узловых напряжений. Составление уравнения баланса средней мощности. Амплитудно-частотная характеристика цепи.

контрольная работа [1,1 M], добавлен 06.11.2013

Расчет на прочность статически определимых систем при растяжении и сжатии. Последовательность решения поставленной задачи. Подбор размера поперечного сечения. Определение потенциальной энергии упругих деформаций. Расчет бруса на прочность и жесткость.

курсовая работа [458,2 K], добавлен 20.02.2009

Гипотезы сопротивления материалов, схематизация сил. Эпюры внутренних силовых факторов, особенности. Три типа задач сопротивления материалов. Деформированное состояние в точке тела. Расчёт на прочность бруса с ломаной осью. Устойчивость сжатых стержней.

курс лекций [4,1 M], добавлен 04.05.2012

Условия статического равновесия. Закон распределения внутренних сил. Расчет распределенных и сосредоточенных нагрузок и момента. Площадь поперечного сечения нагруженных участков. Расчет на прочность узла конструкции при ускорении 5g по нормали к оси узла.

курсовая работа [146,5 K], добавлен 04.04.2015

Параметры рабочего тела во всех характерных точках идеального цикла. Определение КПД идеального цикла Ренкина. Энергетические параметры для всех процессов, составляющих реальный цикл. Уравнение эксергетического баланса. Цикл с регенеративным отводом.

курсовая работа [733,4 K], добавлен 04.11.2013

Ссылка на основную публикацию