Прочность при циклически изменяющихся нагрузках .

Работа механизмов характеризуется определенностью движений и нагружений звеньев, повторяемостью через определенные промежутки времени (периоды) этих движений. Значительная часть элементов механизмов (валы, зубья зубчатых колес и т.д.) испытывает в процессе эксплуатации периодические изменяющиеся по величине и знаку механические нагрузки. Замечено, что при таком нагружении разрушение деталей происходит при напряжениях, значительно меньших предельных напряжений (предела текучести) при статическом нагружении. Характер разрушения материалов при переменных повторяющихся нагрузках существенно отличается от вида разрушения при статическом нагружении. Разрушение начинается с образования на поверхности элементов микротрещин, которые развиваются вглубь материала, уменьшая площадь поперечного сечения детали. Разрушение происходит внезапно при достаточном ослаблении сечения и на поверхности разрушения видны две характерные зоны: зона постепенного развития трещины и зона внезапного разрушения. Процесс постепенного накопления повреждений под действием повторяющихся знакопеременных нагрузок, приводящий к внешне непроявляющемуся изменению свойств (электропроводимость, микротвердость и др.) материала, к зарождению и развитию трещин, и, наконец, к разрушению элемента, называют усталостью. Усталостное разрушение - длительный процесс, связанный с многократным нагружением. Свойство материала (изделия) сопротивляться усталости называют выносливостью, или усталостной прочностью.

Совокупность последовательных значений напряжений (нагрузок) за один период называютциклом напряжений (нагрузок). Замечено, что сопротивление усталости зависит от значений наибольшего и наименьшего напряжений цикла, их отношения и практически не зависит от закона изменения (синусоидальный, треугольный, трапецеидальный и др.) напряжений внутри цикла. Будем считать, что напряжения меняются во времени по закону, близкому к синусоиде (рис. 4). Цикл напряжений характеризуется следующими величинами: максимальным у_max и минимальныму_min напряжениями, т.е. наибольшим и наименьшим по алгебраическому значению (с учетом знаков) напряжениями; средним напряжением у_m, равным алгебраической полусумме у_max и у_min(у_m = (у_max + у_min)/2); амплитудой цикла напряжений у_a, равной полуразности у_max и у_min (у_a = (у_max - у_min)/2); коэффициентом асимметрии цикла R, равным отношению минимального напряжения к максимальному, т.е. R = у_min/ у_max. На рис. 4, а показан асимметричный цикл напряжений, когда |у_max|? |у_min|. Наиболее часто на практике встречаются симметричный иотнулевой циклы напряжений. Для симметричного цикла имеем у_max = у; у_min = -у; у_a = у; у_m = 0; R = -1; а для отнулевого (пульсационного): у_max = у; у_min = 0; у_a = у_m = у/2; R = 0, где у - максимальное по величине напряжение цикла. Постоянное статическое напряжение (рис. 4, г) можно рассматривать как частный случай переменного с параметрами у_max = у_min = у_m = у; у_a = 0; R = + 1. Наиболее опасны симметричные циклы нагружения.

Все переменные циклы напряжений, кроме симметричного, называют асимметричными. Циклы с одинаковыми коэффициентами асимметрии R называют подобными. При действии переменных касательных напряжений все приведенные выше характеристики и соотношения остаются в силе с заменой у на ф.

43.Прочность при циклически изменяющихся нагрузках.диаграмма усталостной прочности.

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.