11.Режимы нагружения и их характеристики

Р азличают стационарные и нестационарные режимы нагружения. Для стационарных режимов нагружения характерна повторяемость нагрузки за равные промежутки времени. Из различных видов стационарных режимов нагружения наибольшее значение имеют циклические напряжения. Циклом называется однократная смена напряжений (от наименьшего напряжения к наибольшему и обратно). Если такой цикл во время работы непрерывно повторяется, то напряжения в нем называются циклическими. Различные виды нагружений строятся в координатах напряжения – , время . Частным случаем периодически изменяемого напряжения является синусоидальное нагружение. Это напряжение и принято в качестве основного при определении усталостных свойств материала. Эксперименты показывают, что некоторые отклонения от синусоидальной зависимости отражаются незначительно на усталостной прочности. Эти результаты также слабо зависят от частоты циклического нагружения, если она превосходит 100 Гц, образцы нагреваются в условиях циклического нагружения, что отражается на механических свойствах материала. Рассмотрим основные режимы нагружения Постоянное нагружения Законопостоянный цикл (напряжение измененияется только по величине)

П ульсирующий отнулевой цикл

а симметрический цикл нагружения Симетрический цикл нагружения

12.Механизм усталостного разрушения Механизм усталостного разрушения имеет сложное развитие и зависит от многих факторов (материала, вида напряженного состояния, условий работы и т.д.). Эксперименты показывают, что характерной особенностью процесса разрушения при циклических напряжениях является возникновение в материале (иногда задолго до разрушения) мельчайших трещинок, являющихся следствием развития сдвигов в кристаллической решетке. Трещинки концентрируются, как правило, на поверхности материала или в поверхностных слоях в тех местах, где сделано недостаточное плавное изменение формы и размеров детали, где имеются поверхностные повреждения (заусеницы, царапины или внутренние дефекты материала, неметаллические включения, поры, раковины и т.п.). Мельчайшие трещинки постепенно развиваются, увеличиваются в размерах, сливаются в одну или несколько больших трещин и настолько ослабляют поперечное сечение детали, что она разрушается, будучи не в состоянии противостоять действию внешней нагрузки. Разрушение сопровождается доломом или дорывом детали, и в местах разрушения, как правило, наблюдается шейка, подобно той, как это имеет место при кратковременном деформировании образца. Поэтому разрушение детали при переменных напряжениях происходит обычно внезапно. В месте излома детали всегда можно видеть две зоны: гладкую и зернистую. При переменных напряжениях края трещины то сближаются и нажимают друг на друга, то расходятся. Этим и объясняется наличие гладкой, притертой зоны излома. Зернистая зона – результат внезапного разрушения. Таким образом, под усталостью необходимо понимать явление постепенного развития трещины при переменных напряжениях, приводящее к постепенному внезапному разрушению, не сопровождающемуся сколько-нибудь пластическими деформациями.

13.Предел выносливости материалов Изучение явления усталости показало, что при известных условиях разрушение материала при переменных напряжениях может и не произойти. Свойство материала выдерживать, не разрушаясь, больше число циклов переменных напряжений называют его выносливостью. Пределом выносливости (пределом усталости) называют наибольшую величину циклического напряжения, при котором материал может работать неограниченно долго без разрушения. Предел выносливости обозначается . Усталостную прочность определяют по результатам экспериментальных исследований определенного числа образцов, подвергнутым испытаниям при различных уровнях циклических напряжений, вплоть до их разрушений. Первый уровень напряжений, как правило, наибольший и составляет величину равную 0,7-0,8 предела текучести материала, остальные уровни напряжения берутся ниже. На каждом уровне напряжений испытывают 5-6 образцов. Эти образцы закладываются в машину и нагружаются. Когда произойдет излом или разрыв, машина автоматически выключается, а счетчик оборотов показывает число циклов , необходимое для разрушения образца.Эксперименты показывают, что при испытаниях образцов на одном и том же уровне напряжений наблюдается значительный разброс разрушений. В таких случаях устанавливают вероятность разрушения в течение некоторого времени t на данном уровне напряжений. С понижением уровня напряжения долговечности испытываемых образцов возрастают настолько, что приходится назначать некоторое предельное время выдержки , называемое базой испытаний, при которой образцы снимают с испытаний, когда часть из них не разрушилась. Напряжение, при котором 50% образцов разрушаются, а остальные 50% проходят базу испытаний, называется ограниченным или условным пределом выносливости

14. Предел выносливости при асимметрических циклах нагружения Асимметричный цикл – максимальное и минимальное напряжения не равны по абсолютной величине ( ), при этом асимметричный цикл может быть знакопеременным или знакопостоянным.

В реальных конструкциях подавляющее число деталей работает при ассиметричном нагружении. Ди аграмма 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, пульсирующий ( , , , );

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 асимметрииR:

(9.4)

Диаграмма Хейга строится в координатах «среднее напряжение цикла – амплитуда цикла». При этом для ее построения необходимо провести усталостные испытания так же как минимум для трех режимов: – симметричный цикл; – пульсирующий цикл; – статическое растяжение. Соединив полученные точки плавной кривой, получили график, характеризующий зависимость между значениями предельных амплитуд и значениями предельных средних напряжений в цикле. Кр оме свойств материала детали, на усталостную прочность оказывают влияние следующие факторы: - наличие концентраторов напряжений; - масштабный фактор, то есть влияние абсолютных размеров детали (чем больше размеры детали, тем ниже усталостная прочность); - качество обработки поверхности (с уменьшением шероховатости поверхности детали растет усталостная прочность); - эксплуатационные факторы (температура, коррозия, частота нагружения, радиационное облучение и т.д.); - наличие поверхностного слоя, упрочненного различными технологическими методами.

15. Коэффициенты концентрации напряжений Концентрация напряжений — явление возникновения повышенных местных напряжений в областях резких изменений формы упругого тела, а также в зонах контакта деталей. Область пространства, в которой возникают эти напряжения, называется концентратором напряжений. Концентрация напряжений характеризуется теоретическим коэффициентом концентрации напряжений — отношением максимального напряжения в области концентратора к номинальному напряжению (вычисленному в предположении отсутствия концентратора):

Влияние на прочность конструкций

Концентрация напряжений может влиять на прочность по-разному в зависимости от характера нагружения:

Статическое нагружение — влияние местных напряжений на прочность невелико. Возникновение напряжений, существенно превышающих предел текучести или даже предел прочности, может привести к местной текучести материала, но условий для её распространения и роста трещины не создаётся. Эти положения обобщены в одном из ключевых принципов механики деформируемого твердого тела — принципе Сен-Венана.

Циклическое нагружение — концентрация напряжений является одним из основных факторов, приводящих к снижению прочности. В зонах концентрации напряжений создаются наиболее благоприятные условия для роста трещин.

Для борьбы с негативным влиянием концентрации напряжений применяются следующие методы:

Изменение конструкции (разгружающие надрезы, скругления).

Поверхностное упрочнение материала в зоне концентрации. Применяется термическая обработка (закалка токами высокой частоты, азотирование), обработка давлением (накатка роликом, дробеструйный наклёп).

Точная обработка поверхности с целью уменьшения концентрации напряжений в микронеровностях (шлифование, обтачивание).

Концентрация напряжений стала причиной массовых катастроф первого в мире коммерческого реактивного авиалайнера «Комета». Иллюминаторы этого самолета имели квадратную форму, способствующую концентрации напряжений в углах, а заклепки, крепящие их, были установлены слишком часто, что способствовало быстрому распространению трещин.

16. Влияние размеров детали на величину предела выносливости Предел выносливости, как правило, определяется лабораторным путём на малых образующих диаметром 8-12 мм. Однако опыты показывают, что с увеличением размеров образцов предел выносливости их существенно уменьшается!  Влияние абсолютных размеров детали на величину предела выносливости учитывается с помощью  масштабного коэффициента   , представляющего отношение предела выносливости малого образца диаметром 10 мм, к пределу выносливости геометрически подобного образца:

, где    – предел выносливости большего образца.

Эту зависимость  можно представить графически:

До настоящего времени нет чёткого объяснения этому факту. Можно предположить, что в образцах больших размеров вероятность появления дефектов (раковин, микротрещин, неметаллических включений и т.д.) больше, чем в образцах с меньшим объёмом. Последнее обстоятельство играет большую роль при проектировании ответственных деталей, в частности газопроводов. В этих случаях сечение, выполненное из нескольких труб, будет прочнее, чем такое же сечение, выполненное из одной трубы.

17. Влияние качества поверхности детали и технологической обработки на предел выносливости Влияние качества обработки поверхностей деталей. При статических нагрузках качество обработки рабочих поверхностей деталей оказывает незначительное влияние на их прочность. При циклических нагрузках разрушение деталей связано с развитием усталостных трещин, возникающих в поверхностном слое. Развитию этих трещин способствует возникшая в результате механической обработки детали шероховатость поверхности в виде рисок, царапин, следов резца и т. п., которые являются концентраторами напряжений. С увеличением шероховатости поверхности предел выносливости снижается, что учитывается коэффициентом влияния шероховатости поверхности Ki , представляющим собой отношение предела выносливости образца с данной шероховатостью поверхности к пределу. Микроскопические трещины появляются чаще всего в местах, где сделано недостаточно плавное изменение формы и размеров детали или имеются поверхностные повреждения (заусеницы, царапины и т.д.). Поэтому качество обработки деталей  имеет первостепенное значение. Установлено, что снижение предела выносливости тем больше, чем грубее поверхностная обработка детали. Особенно это отражается на деталях, изготовленных из высокопрочных легированных сталей. Все ответственные детали машин полируются. Предел выносливости материала увеличивается при использовании термомеханической обработки. Это наклёп поверхностного слоя готовой детали, закалка, азотирование, науглероживание и т.д. Большое влияние на выносливость материала оказывают условия работы. Так, при работе в коррозионной среде предел выносливости существенно снижается. Агрессивной средой могут служить вода, щёлочи, кислоты, в пищевой промышленности различные соки, пасты и т.д. В условиях коррозийных сред не существует предела выносливости на базе некоторого определённого числа циклов

18.Назначение допускаемых напряжений и расчёт на прочность при переменных напряжениях Предел выносливости зависит от вида деформаций и связан с пределом прочности, определенным эмпирическими зависимостями. При симметричном цикле предел выносливости   всегда меньше, чем предел текучести материала. Допустимые напряжения в этом случае определяются так:

где   – динамический коэффициент;  – коэффициент запаса прочности;       – коэффициент, учитывающий технологию изготовления;    – коэффициент, учитывающий условия работы. В практических расчетах на выносливость используется приближенная диаграмма предельных амплитуд. Сущность ее заключается в том,  что на плоскость   нанося результаты трех серий испытаний образцов: тся 1)При симметричном цикле нагружения  (точка А). 2)При статическом цикле нагружения (точка Д). Причем здесь за опасное состояние для пластических материалов принимается предел текучести.

19. Малоцикловая усталость Под малоцикловой усталостью следует считать разрушение материалов, происходящее на протяжение сотен циклов. Малая долговечность сотен циклов наблюдается при условиях, когда в течение каждого цикла нагружается сначала в прямом, а затем в обратном направлении. Малоцикловая усталость в большинстве случаев связана с действием высоких напряжений, поэтому изломам присущи особенности строения, характерные для изломов циклической перегрузки или типично усталостных изломов в зонах, примыкающих к долому. Изломы малоцикловой усталости отличают многоочаговость и вследствие этого расположение зоны долома, близкое к центру сечения образца (при изгибе вращающегося образца), относительно малая длина усталостной трещины и т. д.

20. Расчет вала на усталостную прочность 1 группа: Цилиндрическая зубчатая прямозубая, ременная, цепная, фрикционная цилиндрическая. Все эти передачи воздействуют на вал 2 силами: Ft1 – Окружная (полезная) Fr- радиальная < Ft1

– крутящий момент 2 группа: Коническая передача, червячная передача, цилиндрическая зубчатая косозубая, коническая фрикционная. Возникает 3 силы: Fа1 и Fr2 – осевые силы (Fr1 и Fa2) Требуют установки радиально упорный или упорный подшипник. Задача на усталостную прочность решается в 3 этапа: 1. Опр. Опасного сечения вала. 2. Построение вала. 3. Назначение суммарного коэффициента запаса прочности

21. Принцип расчета и проектирования валов и осей Валы и оси рассчитывают на прочность, жесткость и колебания. Основной причиной выхода из строя валов является недостаточная их прочность при длительной работе, усталостное разрушение металла. Нагрузки на валы создают силы и вращающие моменты, действующие в зубчатых, червячных, цепных и других передачах. Расчет ведут по наибольшей из длительно действующих нагрузок. Проектирование вала включает три этапа: предварительное определение размеров, разработку конструкции и проверочный расчет. При проектном расчете приближенно определяют из условия прочности при кручении диаметр вала и проводят его конструирование. Проверочный расчет ведут на статическую прочность вала и усталость материала, а при повышенных требованиях – на жесткость и колебания

21. . Механические модели процесса накопления повреждений элемента материала. Принцип линейного суммирования повреждений Принцип линейного суммирования повреждений применяется при нестационарных режимах нагружения. В выражении для определения повреждений в этих условиях постоянные и функциональные параметры определяются по кривым длительной прочности, построенным при различных уровнях напряжений. В условиях многоцикловой усталости вместо времени  t должно фигурировать текущее число циклов N , а параметрами нагружения являются напряжение    и коэффициент асимметрии r. Кинетическое уравнение повреждений имеет вид:

 

В момент разрушения П=1, и уравнение усталостной кривой

где   – число циклов до разрушения. Если подставить кинетическое уравнение повреждений в уравнение усталостной кривой и проинтегрировать, получим

При ступенчатом режиме нагружения имеем:

где   – число циклов отдельных режимов нагружения,

   – число циклов до разрушения при тех же параметрах, что соответствуют  .

На практике часто встречается, что в момент разрушения П или больше или меньше единицы.

23 Накопление повреждений в конструкционных материалах из полимеров. На полимерные композиционные материалы существенное влияние оказывают атмосферные факторы (температура, влажность, солнечная радиация, циклическое изменение температуры и др.), которые, являясь активаторами старения ПКМ, способствуют развитию физико-химических процессов в материалах и за время эксплуатации изделий (25‒30 лет) могут существенно снизить их прочностные свойства. В частности, снижение деформационно-прочностных показателей материалов, в том числе вследствие пластификации влагой связующего, может достигать 30% и более, снижение температуры стеклования связующих: 25°С. Особенно остро проблема сохраняемости характеристик стоит при эксплуатации техники в районах с воздействием жестких климатических условий (тропический и морской климат). Длительная работа материалов в конструкциях связана с накоплением в материалах необратимых повреждений . Эти повреждения бывают как механического (воздействие механических нагрузок, накопление пластических деформаций, нарушение адгезии между наполнителем и полимерной матрицей, процессы растрескивания связующего и др.), так и физико-химического происхождения (адсорбция влаги, процессы доотверждения и деструкции полимерной матрицы и др.)