Усталостная прочность металла это

Обновлено: 07.01.2025

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.

Усталостная прочность

Уста́лостная про́чность (уста́лостная долгове́чность) — свойство материала не разрушаться с течением времени под действием изменяющихся рабочих нагрузок.

В большинстве случаев это циклические нагрузки. Разрушение происходит из-за появления микроразрушений, их накопления, затем объединения в одно макроразрушение. Накопление микроповреждений образно называют «усталостью», а усталостная прочность тогда есть способность материала не «уставать» и держать нагрузку. Для каждого материала существует так называемый предел усталостной прочности, который значительно меньше его предела прочности. Предел усталостной прочности предполагает возможность выдерживать нагрузки бесконечное число циклов, что в жизни конечно же недостижимо, однако усталостная кривая для максимально допустимых напряжений, после прохождения предела усталостной прочности значительно выпрямляется. На усталостную прочность влияют не только число циклов и величина действующей нагрузки, но и амплитуда напряжений в материале, возникающая в результате действующей переменной во времени нагрузки. Таким образом, в некоторых случаях, для определения усталостной прочности необходимо брать амплитуду изменения напряжения, а не максимально зафиксированное напряжение по модулю. На усталостную прочность влияют такие факторы как: эффективный коэффициент концентрации напряжений, масштабный фактор, фактор поверхности. При решении задач на усталостную прочность обычно определяют коэффициент запаса усталостной прочности.

См. также

  • Добавить иллюстрации.
  • Проставить интервики в рамках проекта Интервики.
  • Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное.
  • Сопротивление материалов
  • Теория надёжности
  • Свойства материалов

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Усталостная прочность" в других словарях:

усталостная прочность — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN fatigue strength … Справочник технического переводчика

усталостная прочность — 3.1.6 усталостная прочность: Диапазон напряжений (нагрузок) постоянной величины, которые при данных условиях вызывают усталостное разрушение. Источник: СТО 70238424.27.010.003 2009: Тепловые сети. Условия создания. Нормы и требования Смотри также … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Усталостная прочность — Fatigue strength Усталостная прочность. Максимальное циклическое напряжение, которое материал может выдержать при данном числе циклов перед возникновением разрушения. (Источник: «Металлы и сплавы. Справочник.» Под редакцией Ю.П. Солнцева; НПО… … Словарь металлургических терминов

усталостная прочность фильтрующего элемента — Способность фильтрующего элемента сопротивляться разрушению вследствие изгибов, возникающих при циклическом изменении расхода. [ГОСТ 26070 80] Тематики фильтрование, центрифугирование, сепарирование … Справочник технического переводчика

Усталостная прочность при N циклах (SN) — Fatigue strength at N cycles (SN) Усталостная прочность при N циклах (SN). Предполагаемое значение напряжения разрушения при заданном N числе циклов в соответствии с кривой S N. Значение SN, таким образом, определяется при тех же самых условиях… … Словарь металлургических терминов

Усталостная прочность фильтрующего элемента — 55. Усталостная прочность фильтрующего элемента Способность фильтрующего элемента сопротивляться разрушению вследствие изгибов, возникающих при циклическом изменении расхода Источник: ГОСТ 26070 83: Фильтры и сепараторы для жидкостей. Термины и… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

усталостная прочность — выносливость … Cловарь химических синонимов I

Средняя усталостная прочность при N-циклах — Median fatigue strength at N cycles Средняя усталостная прочность при N циклах. Оценка напряжения, при котором 50 % деталей выдерживают N циклов. Оценка получается в конкретной точке распределения усталостной долговечности, так как не имеется… … Словарь металлургических терминов

Прочность — … Википедия

Прочность — – свойство твердых тел сопротивляться разрушению под действием внешних сил. [Блюм Э. Э. Словарь основных металловедческих терминов. Екатеринбург 2002] Прочность – механическое свойство материала, указывающее на его способность… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

3.1.6 усталостная прочность: Диапазон напряжений (нагрузок) постоянной величины, которые при данных условиях вызывают усталостное разрушение.

Смотри также родственные термины:

55. Усталостная прочность фильтрующего элемента

Способность фильтрующего элемента сопротивляться разрушению вследствие изгибов, возникающих при циклическом изменении расхода

Усталостная прочность — (усталостная долговечность) свойство материала не разрушаться с течением времени под действием изменяющихся рабочих нагрузок. В большинстве случаев это циклические нагрузки. Разрушение происходит из за появления микроразрушений, их… … Википедия

Методика проведения усталостных испытаний

Под действием циклических напряжений в металлах и сплавах зарождаются и постепенно развиваются трещины, вызывающие в конечном итоге полное разрушение детали или образца. Это разрушение особенно опасно потому, что может протекать под действием напряжений, намного меньших пределов прочности и текучести. Подсчитано, что более 80% всех случаев эксплуатационного разрушения происходит в результате циклического нагружения.

Процесс постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящий к изменению его свойств, образованию трещин и разрушению, называют усталостью, а свойство противостоять усталости – сопротивлением усталости.

Усталостная трещина обычно зарождается в поверхностных слоях и затем развивается вглубь образца или детали, образуя острый надрез. Распространение усталостной трещины обычно длительно. Оно продолжается до тех пор, пока сечение не окажется столь малым, что действующие в нем напряжения превысят разрушающие. Тогда произойдет быстрое разрушение, как правило хрупкое, из-за наличия острого надреза.

Задача усталостных испытаний – дать количественную оценку способности материала работать в условиях циклического нагружения без разрушения.

Современные методы испытаний на усталость разнообразны. Они отличаются характером изменения напряжений во времени, схемой нагружения (изгиб, растяжение – сжатие, кручение), наличием или отсутствием концентраторов напряжений. Основные требования и методика усталостных испытаний обобщены в ГОСТ 25.502 – 79.

Во время любого усталостного испытания на образец действуют циклические напряжения, непрерывно изменяющиеся во времени и часто по знаку. Типичные примеры используемых циклических напряжений показаны на рис. 2.89. Цикл напряжений – это совокупность переменных значений напряжений за один период их изменения. Каждый цикл характеризуется несколькими параметрами. За максимальное напряжение цикла σmax принимают наибольшее по алгебраической величине напряжение. Минимальное напряжение цикла – σmin – наименьшее по алгебраической величине напряжение.

Среднее напряжение цикла

Амплитуда напряжений цикла

Сложение и вычитание максимальных и минимальных напряжений производят с учетом их знака. Из рис. 2.89 ясно, что

Цикл характеризуется также коэффициентом ассиметрии

Наиболее распространенные схемы нагружения при усталостных испытаниях – изгиб и растяжение – сжатие. Схема изгиба реализуется по-разному. Особенно проста и чаще всего применяется схема чистого изгиба образца при вращении (см. рис. 2.90). Нагрузка здесь прилагается в двух точках, что обеспечивает постоянство изгибающего момента на всей рабочей длине образца.

Для испытаний в условиях циклического растяжения – сжатия чаще всего используют гидропульсационные машины с гидравлическим приводом и гидропульсатором.

Схемы некоторых стандартных образцов, используемых при усталостных испытаниях, показаны на рис. 2.91. Их рабочая часть имеет круглое или прямоугольное сечение. Используют гладкие (без надрезов) и образцы с концентраторами напряжений.

Усталостные испытания делятся на две большие группы: высокоцикловые и малоцикловые. Первые характеризуются большой частотой нагружения (10 1 – 10 3 Гц), вторые – низкой частотой, не более 10 Гц.

Основным первичным результатом высокоциклового усталостного испытания одного образца является число циклов до разрушения (циклическая долговечность) при заданных характеристиках цикла. По результатам испытаниям серии образцов могут быть определены различные характеристики сопротивления усталости. Главной из них является предел усталости σR – наибольшее значение максимального напряжения цикла, при действии которого не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого или заданного числа циклов нагружения.

Для того, чтобы оценить предел усталости, необходимо испытывать целую серию образцов, как правило, не меньше 15. Каждый образец испытывают при определенном значении максимального напряжения цикла. При этом циклы для всех образцов одной серии должны быть подобны, т.е. иметь одинаковую форму и отношение различных характеристик цикла.

По результатам испытания отдельных образцов строят кривую усталости в координатах максимальное напряжение цикла σmax – циклическая долговечность N (рис. 2.92). Максимальное напряжение для первого образца обычно задают на уровне ⅔ σв. Нижний предел используемых напряжений составляет 0,3 – 0,5 σв. Из-за относительно большого разброса экспериментальных точек строить эти кривые рекомендуется методом наименьших квадратов. Наиболее наглядны кривые усталости в логарифмических координатах (см. рис. 2.92,б).

Рисунок 2.92 - Кривые усталости в различных координатах

По мере уменьшения максимального напряжения цикла циклическая долговечность всех материалов возрастает. При этом у сталей и некоторых цветных сплавов, склонных к динамическому деформационному старению, кривая усталости асимптотически приближается к прямой, параллельной оси абсцисс (см.рис. 2.92, а, кривая 1). Ордината, соответствующая постоянному значению σmax, и есть предел усталости таких материалов σR – наибольшее напряжение, которое не вызывает разрушения при любом числе циклов N (его иногда называют физическим пределом выносливости). Наиболее просто определяется σR при использовании логарифмического масштаба (см.рис. 2.92,б). Удобно оценивать σR и по кривым в координатах σmax – 1/N (см.рис. 2.92,в). Здесь предел усталости определяют, экстраполируя кривую в точку ее пересечения с осью ординат, где 1/N = 0. Этот способ особенно целесообразен для приближенной оценки σR по результатам испытания небольшого числа образцов.

Многие цветные металлы и сплавы не имеют горизонтального участка на кривых усталости (см.рис. 2.93, а, б, кривые 2). В этом случае определяют предел ограниченной усталости – наибольшее напряжение σmax, которое материал выдерживает, не разрушаясь в течение определенного числа циклов нагружения. Это число циклов называют базой испытания, обычно 10 8 циклов (когда на кривой усталости имеется горизонтальный участок, испытания продолжают не более чем до 10 7 циклов).

Кривые усталости, построенные при использовании цикла с R = - 1, для многих металлических материалов хорошо описываются уравнением Вейбулла:

σmax = σ-1 + a (N + B) - α ,

где σ-1 – предел усталости; N – долговечность; a, B, α – коэффициенты.

Для усталостных испытаний характерен значительный разброс экспериментальных данных, поэтому особенно важна их правильная статистическая обработка, регламентируемая ГОСТом. При ограниченном числе образцов предел выносливости определяется с 50%-ной вероятностью. Для этого, строя кривую усталости, необходимо при напряжениях, равных 0,95 – 1,05 σR, провести испытание нескольких (не менее трех) образцов, половина которых должна остаться неразрушенной по достижении заданной базы испытаний.

Как уже говорилось выше, по результатам усталостных испытаний для каждого образца определяют циклическую долговечность N – число циклов нагружения, которое выдерживает материал перед разрушением при определенном напряжении. Циклическая долговечность – вторая по важности после σR характеристика сопротивления высокоцикловой усталости металлических материалов.

Предел усталости и циклическую (или усталостную) долговечность можно определять и по результатам испытаний на малоцикловую усталость (МЦУ). Однако в них эти характеристики не являются основными. Испытания на МЦУ проводят с использованием относительно высоких напряжений и малой частоты циклов напряжений, имитируя условия эксплуатации конструкций, например самолетных, которые подвергаются воздействию относительно редких, но значительных по величине циклических нагрузок. База испытания на малоцикловую усталость не превышает 5 · 10 4 циклов. Таким образом, малоцикловая усталость относится к левой ветви кривых усталости (см.рис. 2.92, а, б) до их выхода на горизонталь или появления перегиба.

Границей между мало- и многоцикловой усталостью является зона перехода от упруго-пластического к упругому деформированию в условиях циклического нагружения. Названная выше база (5·10 4 циклов) является такой условной границей, характеризующей среднее число циклов нагружения для этой переходной зоны у пластичных сталей и сплавов цветных металлов. Для высокопластичных сплавов переходная зона смещается в сторону большего числа циклов, а для хрупких – в сторону меньшего.

Малоцикловые испытания чаще всего проводят по схеме растяжение – сжатие. При этом по ГОСТ 25.502 – 79 необходимо обеспечить непрерывное измерение и регистрацию деформирования рабочей части образца. В отличие от испытаний на многоцикловую усталость, где в основном используют цилиндрические образцы, в малоцикловых испытаниях предпочитают образцы с прямоугольным сечением, в частности пластины с концентратором напряжений.

Важнейшим первичным результатом испытаний на МЦУ является скорость роста трещины при усталости dl/dN (СРТУ). Ее удобно определять на больших по размеру образцах шириной B=200÷500, длиной L=3B и длиной исходной щели 2l0=0,3 – 4 мм, при этом 2l/B≈0,3, где l= l0+Δ l, а Δl – длина предварительно выращенной усталостной трещины от 1,5 до 2 мм. В этом случае легко проводить замеры величины l на поверхности образца и рассчитывать dl/dN с достаточно высокой точностью.

Все большее развитие в последние годы получают испытания на МЦУ, базирующиеся на концепциях механики разрушения. Эти испытания получили название испытаний на циклическую трещиностойкость. Их основным результатом является построение диаграммы усталостного разрушения – зависимости СРТУ от наибольшего значения Kmax или размаха ΔK коэффициента интенсивности напряжений цикла (рис. 2.93). При этом

lg Kmax = lg[ΔK/(l – Rσ)].

Диаграмма усталостного разрушения состоит из трех участков. Первый, соответствующий низким скоростям роста усталостных трещин (менее 10 -5 мм/цикл), характеризуется затуханием СРТУ с увеличением Kmax или ΔK. Величина Kmax на участке 1 близка к пороговому значению Ks, за которое принимают величину Kmax, при которой трещина не развивается на протяжении заданного числа циклов нагружения.

Линейный участок 2 диаграммы усталостного разрушения (см.рис. 2.93) описывается степенной зависимостью

dl/dN = C(ΔK) m или dl/dN = C’(Kmax) m , (2.43)

где для различных материалов m = 2÷10, m’=2÷6. Зависимости (2.43) обычно реализуются в диапазоне СРТУ от 10 -5 до 10 -3 мм/цикл.

На участке 3 скорость роста трещины возрастает с увеличением Kmax, приближающимся к критическому коэффициенту интенсивности напряжений Kили K- значению Kmax, при котором образец разрушается. Критические коэффициенты Kили Kназывают циклической вязкостью разрушения. Кроме них, по диаграмме усталостного разрушения определяют еще несколько характеристик циклической трещиностойкости. Наиболее важными из них считают: коэффициенты C и m в уравнении (2.43), пороговый коэффициент интенсивности напряжений Ks. Оценивают также величины Kmax и ΔK при заданной СРТУ и, наоборот, величину СРТУ при определенных значениях Kmax и ΔK, коэффициенты интенсивности напряжений K1-2 и K2-3, соответствующие началу и концу второго участка диаграммы усталостного разрушения (см. рис. 2.93 и др.)

Читайте также: