2.3.Диаграмма усталости. Процесс усталостного разрушения

На основе большого числа экспериментальных работ построены кривые усталости, отражающие влияние числа циклов на напряжение, разгружающее образец (рис. 2.2): N₁ N₂ – число циклов нагружения до разрушения образца при напряжениях σ₁ и σ₂.

Рис. 2.2 Формы кривой усталости

Кривые усталости показывают, что:

– разрушающее напряжение в области малых N близко к показателям статической прочности;

– по мере увеличения N величина разрушающих напряжений уменьшается и при некотором числе циклов стабилизируется

– ордината горизонтального участка кривой усталости (σ_D) является пределом выносливости.

Для большинства конструкционных сталей предел выносливости определяют при 10⁶…10⁷ циклов. Эти значения и берут за базу испытаний. Для цветных металлов, например алюминия, даже при числе циклов 10⁷…10⁸ наблюдается дальнейшее медленное падение разрушающего напряжения. В этом случае говорят об ограниченном пределе выносливости (обычно это 510⁷).

Испытания на выносливость проводят при симметричных знакопеременных циклах (r = -1), у которых амплитуда напряжений наибольшая, а предел выносливости наименьший. С увеличением (r) пределы выносливости возрастают и при некоторых значениях (r), близких к единице (колебания малой амплитуды), становятся практически постоянными (верхняя линия) и равными показателям статической прочности.

Рис. 2.3 Влияние коэффициента асимметрии цикла на форму кривой усталости

2.4.Развитие усталостных повреждений

На первой стадии нагружения возникают в отдельных кристаллических объемах пластические сдвиги, необнаруживаемые обычными экспериментальными методами. Затем сдвиги охватывают все большие объемы и переходят в субмикроскопические сдвиги, наблюдаемые с помощью электронных микроскопов.

При определенном числе циклов и уровне напряжений (рис. 2.4 кривая 1) образуется множество трещин, видимых под оптическим микроскопом. Эта стадия характеризует порог трещинообразования (0,7…0,8) разрушающего напряжения для углеродистых и низколегированных сталей. С приближение напряжений к пределу выносливости развитие трещин вступает в критическую фазу (кривая 2). Далее микротрещины, прогрессивно расширяясь, превращаются в макротрещины, которые приводят к разрушению (кривые 3).

Рис. 2.4 Развитие усталостных повреждений

2.5.Учет переменного характера режима нагружения

Большинство зубчатых передач работают в условиях переменных режимов нагружения. Расчет таких передач по максимальным нагрузкам приводит в предположении их постоянного действия приводит к ненужному утяжелению передачи.

В настоящее время для расчета таких передач принято за расчетную принимать максимальную рабочую нагрузку, а переменный характер нагружения учитывать соответствующим выбором допускаемых напряжений.

Из уравнения кривой Велера следует:

,

где N₀ – число циклов нагружения до перегиба кривой усталости (базовое число циклов). При расчете на изгиб N₀ =310⁶; при расчете на контактную прочность N₀ = 10⁷;

σ₀ – предел выносливости;

σ_i и N_i – напряжение и число циклов нагружения до разрушения;

m – показатель кривой усталости.

Можно записать, что:

или

В этом случае:

,

где [σ] – допускаемое напряжение при переменном режиме нагружения с эквивалентным числом циклов нагружения N_E;

[σ]₀ – допускаемое напряжение при длительной работе (здесь предел выносливости при отнулевом цикле, r = 0);

K_L – коэффициент долговечности или режима нагрузки. Если N_E > N₀ , то деталь работает за перегибом кривой усталости и K_L =1,0;

N_E – эквивалентное число циклов нагружения при напряжениях [σ].

Эквивалентным называют расчетное (воображаемое) число циклов, которое при постоянной нагрузке дало бы такой же эффект усталости, что и действительная переменная нагрузка в течение фактического числа циклов.