![]() |
![]() ![]() ![]() ![]() ![]() |
![]() |
![]() |
Элементы конструкций и машин часто работают при периодически меняющихся (по величине и даже по знаку) напряжениях. В подобных условиях находятся, например, оси вагонов, рельсы, рессоры, поршневые штоки, валы и многие другие детали машин. При переменных напряжениях, как показывают практика и специальные исследования, прочность конструкций ниже, чем при статических напряжениях. Следует отметить, что переменные напряжения могут возникать от постоянных нагрузок при вращательном движении элементов машин. Так, постоянные изгибающие нагрузки, действующие на валы и оси, вызывают периодически меняющиеся напряжения в точках сечений в связи с их регулярными перемещениями из растянутой зоны в сжатую, и наоборот. Снижение прочности материала при действии на него многократно меняющихся нагрузок носит название усталости материала. Исследования процесса разрушения при переменных напряжениях показали, что при этом в материале возникает микротрещина, которая постепенно проникает вглубь изделия. Переменные напряжения способствуют быстрому развитию трещины, так как во время работы края ее то сближаются, то расходятся. По мере развития трещины усталости поперечное сечение ослабляется все сильнее и в некоторый момент ослабление достигает такой величины, что случайный толчок или удар вызывает мгновенное хрупкое разрушение. Трещины усталости в изделии, как правило, имеют местный характер. Тем не менее, во многих случаях развитие трещин усталости — очень опасное явление, которое может привести к серьезной катастрофе. Так, трещины усталости могут вызвать излом оси железнодорожного вагона и быть причиной железнодорожной катастрофы. Поэтому необходимо разработать такие методы расчета, которые обеспечивали бы безопасную работу при переменных напряжениях.
Изменение напряжений от одной крайней величины до другой и обратно называется циклом напряжений.
В зависимости от соотношения максимального и минимального напряжения цикла различают циклы симметричные и асимметричные. В случае симметричного цикла значения максимального и минимального напряжений равны по величине и противоположны по знаку (рис.а). Асимметричный цикл можно рассматривать как симметричный цикл, к которому добавлено некоторое постоянное напряжение
Величина
Отношение минимального напряжения цикла к максимальному характеризует его асимметрию и называется коэффициентом асимметрии цикла
При симметричном цикле При постоянном статическом напряжении Если Количество циклов напряжений, необходимое для доведения элемента конструкции до разрушения, зависит от наибольшего переменного напряжения и от алгебраической разности между крайними значениями переменных напряжений, которым элемент подвергается. Чем больше эта разность, тем меньшее число циклов напряжений требуется для доведения материала до разрушения. Зависимость между числом циклов переменных напряжений и наибольшим напряжением изображается кривой гиперболического типа. Чем меньше напряжения, тем большее число циклов выдерживает образец. При напряжении, равном пределу выносливости, образец выдерживает неограниченное число циклов. Опытным путем можно найти такое наибольшее значение переменного напряжения, при котором материал может выдерживать неограниченное число перемен напряжений. Наибольшее переменное напряжение, которое материал может выдержать, не разрушаясь при любом числе циклов нагружения, называется пределом выносливости материала и обозначается
В сечениях деталей, где имеются резкие изменения размеров, надрезы, острые углы, отверстия, возникают высокие местные напряжения (так называемая концентрация напряжений). В этих сечениях, как правило, развиваются трещины усталости, приводящие в итоге к разрушению детали. Местные напряжения где k — коэффициент концентраций напряжений. Местные напряжения очень уменьшают предел выносливости. Поэтому изделиям, работающим при напряжениях, переменных во времени, следует по возможности придавать форму, не имеющую резкого изменения сечения, ослаблений и выточек, вызывающих концентрацию напряжений. Предел выносливости зависит также от размеров детали и качества обработки ее поверхности. При увеличении размеров детали предел выносливости понижается. Это явление учитывается так называемым масштабным фактором Характер обработки поверхности учитывается коэффициентом чистоты поверхности Когда известны пределы выносливости образца
При симметричном цикле растяжения-сжатия: где предел выносливости Аналогично в случае симметричного цикла кручения , где
|
||||||