книги / Усталость крупных деталей машин

Рис. 19. Зависимость между предельной амплитудой и средним напряжением цнк. различным условиям прочности:

/ — Зодерберга ^для Р = = 0,8 j ; 2 — И. А. Одинга; 3 — И. В. Кудрявцева

Приведенные условия в большей или меньшей степени отве­ чают опытным данным, относящимся к области средних напряже­ ний растяжения. Эти условия так же как и опытные данные, пока­ зывают снижение величины предельной амплитуды с ростом сред­ них растягивающих напряжений. Условия предполагают, что предельные амплитуды будут снижаться в одинаковой степени с ростом как растягивающих, так и сжимающих напряжений. Это положение, однако, во многих случаях не согласуется с опытными данными, показывающими, как правило, возрастание предельных амплитуд с повышением средних сжимающих напряжений. В боль­ шем приближении к опытным данным находится условие, предло­ женное И. В. Кудрявцевым [12],

г - -VГ2 *+ г\тп '

где т] — коэффициент, отражающий различную сопротивляемость материалов при растяжении и сжатии (так называемый коэффи­ циент неравнопрочности). Численно коэффициент неравнопрочности может быть выражен так:

где а_.г и а Т— пределы текучести материала при сжатии и растя­ жении.

На рис. 19 представлена зависимость между относительными значениями предельной амплитуды и средним напряжением цик­ лов по условиям И. В. Кудрявцева, И. А. Одинга и Зодерберга.

Условие И. В. Кудрявцева выражено пучком кривых, отража­ ющих различные значения коэффициента неравнопрочности мате­ риалов. Это условие показывает разное количественное влияние средних напряжений цикла на предельную амплитуду материалов с различной степенью неравнопрочности, а также дает объяснение многим опытным данным, показывающим ту или иную степень влияния средних напряжений на величину предельных амплитуд. Материалы с малым коэффициентом в меньшей степени реаги­ руют на изменение средних (растягивающих или сжимающих) напряжений, чем материалы с большим коэффициентом Ц. Этим можно объяснить и некоторые противоречия в экспериментальных данных, показывающих в одних случаях весьма заметное влияние средних напряжений и незначительное в других.

Как показывают опытные данные, пределы текучести при рас­ тяжении и сжатии могут отличаться друг от друга в зависимости от состава и структурного состояния стали в 2 раза и более. Соот­ ветственно этому коэффициент неравнопрочности может достигать значений г| = 0,5 и более. При т) = 0,5 относительное увеличение предела выносливости вследствие приложения среднего сжима­ ющего напряжения (величиной, равной пределу выносливости при симметричном цикле а т = а_х) составит свыше 50%. Соответству­ ющее понижение предела выносливости в результате приложения среднего растягивающего напряжения (той же величины) составит около 30%.

Следует заметить, что процент изменения предела выносливости может быть значительно большим, если прилагаемые средние напряжения по своей величине больше величины предела вы­ носливости. Такие случаи особенно вероятны при переменных нагружениях деталей формы, вызывающей резкую концентрацию напряжений. В этих случаях величины средних напряжений могут

Т а б л и ц а 11

Пределы текучести стали при растяжении и изгибе образца

значительно превосходить величину не только предела выносли­ вости, но и предела текучести (соответственно при растяжении или сжатии). Это объясняется тем, что в зонах концентрации напряжений имеет место более или менее значительный градиент напряжений, а, как известно, при наличии градиента предельные напряжения, вызывающие текучесть материала, существенно больше по величине, чем пределы текучести при однородном на­ пряженном состоянии. Так, пределы текучести при изгибе больше по своему значению, чем пределы текучести при растяжении. В табл. 11, по данным И. А. Одинга, приведены значения пределов текучести при растяжении и изгибе для образцов стали прямо­ угольного, кругового и ромбического сечения (большая диаго­ наль ромба — высота образца).

Роль среднего напряжения цикла в изменении величины пре­ дельной амплитуды при растяжении или изгибе выражается усло­ вием <та = ст_1 — \|)0crm, где фа — коэффициент, характеризующий чувствительность материала к асимметрии цикла; он зависит от свойств материала и изменяется для машиностроительных сталей

При расчете запасов прочности деталей, работающих при пере­ менных напряжениях растяжения или изгиба при несимметричных циклах, пользуются выражением

пп =

Аналогичное выражение для нагружения кручением будет

Следует указать, что коэффициент чувствительности материалов к асимметрии цикла при кручении меньше, чем при изгибе или растяжении-сжатии. Можно считать фт л: 0,5ф<,.

Значительные экспериментальные исследования сопротивле­ ния усталости крупных образцов при асимметричных циклах нагружения были проведены в ВНИИМЕТМАШе (г. Москва) под руководством проф. Б. А. Морозова [22]. Было испытано два вида образцов из литой стали 35Л: диаметром или стороной ква­ драта 60 мм на осевое растяжение-сжатие и в виде кривого бруса

нии были испытаны восемь образцов. Предел выносливости был

°тах (0)

Крупные образцы типа кривого бруса испытывали на гидропульсаторной машине ЦДМ-200. При этом для достижения разной степени асимметрии цикла были использованы пакеты мощных витых пружин, которые помещали внутри бруса и работали на сжатие (в направлении приложения пульсирующих, сжимающих брус нагрузок от гидроцилиндра машины). Кроме того, асимме­ трия цикла обусловливалась разной кривизной внутренней и на­ ружной поверхности рабочей части бруса. Эта разница кривизны определяла соотношение сжимающих (внутри бруса) и растягива­ ющих напряжений (снаружи бруса)

<W<7p - 2,8.

Испытывали образцы гладкие и с концентратором напряжений в виде отверстий ( 0 20 мм, глубиной 50 мм, а а = 2,5). Испытания вели на базе 10 млн. циклов до появления макротрещин. Каждая серия образцов состояла из 8— 12 шт.

Перечень серий образцов и результаты испытаний предста­ влены в табл. 12.

На основе экспериментальных данных авторы рекомендуют учитывать влияние асимметрии цикла для литой стали 35Л в изве­

стном определении запаса прочности коэффициентами фо* =

вании, регулирование степени пластической деформации по длине вала и пр.). Однако в ряде случаев приходится исправлять поводку механической правкой. Для установления влияния механической правки на сопротивление деталей усталости в ЦНИИТМАШ были выполнены соответствующие исследования. Испытывали на усталость при изгибе по симметричному циклу на базе 10 млн. циклов плоские ступенчатые образцы (рис. 21), изготовленные из различных сталей 34ХН1М, 15ГН4М (в состоянии после закалки и высокого отпуска) и 22К (в состоянии после нормализации). Испытания проводили на инерционных машинах УП-50 (см. главу I). Часть образцов подвергали азотированию при следу­ ющем режиме: посадка в печь при 150 °С, повышение температуры (со скоростью около 80 °С/ч) до 500—520 °С и выдержка 50 ч при диссоциации аммиака 20—40%, дополнительная выдержка при температуре 520—540 °С в течение 50 ч при диссоциации ам­

Азотированные образцы для получения остаточной стрелы прогиба / = 0,3; 0,5 и 0,8 мм на длине 500 мм правили приложе­ нием изгибающего момента по трехточечной схеме при темпера­ туре 500—520 °С. Приспособление для нагружения образцов при правке — двуплечий рычаг с грузом — помещали вместе с образ­ цом в печь с температурой 500—520 °С на 14 ч с последующим охлаждением до 300 °С с печью, а затем на воздухе. Твердость азо­ тированных образцов после нагрева в процессе правки понизилась до HV 350—380. Одну серию азотированных образцов подвергали ложной правке, т. е. отпуску при том же температурном режиме, что и при правке (но без приложения изгибающего момента). Часть образцов в зонах галтельных переходов (R = 3 мм) упроч­ няли наклепом на горизонтально-фрезерном станке методом че­ канки при помощи ударного пружинного приспособления. Режим наклепа был следующим: диаметр ролика 65, профильный радиус 3 мм, число проходов 2 (прямой и обратный ход), энергия удара бойка 26 Дж, усилие постоянного нажима ролика 10 кН. Боек перемещался вдоль галтели образца со скоростью около 0,008 м/с и наносил удары с частотой 850 в минуту. Твердость образцов из стали 34ХН1М в результате чеканки повысилась на 13%, глубина наклепанного слоя при этом составила около 6 мм.

Пределы выносливости ступенчатых пластин в зависимости от вида поверхностного упрочнения и характера последующей правки

Упрочненные чеканкой образцы правили в холодном состоянии, изгибая на гидравлическом прессе также по трехточечной схеме. Остаточную стрелу прогиба / измеряли индикатором после снятия нагрузки. При правке образцов изгибом различали два случая приложения сосредоточенной силы между опорами — на шип

ина сторону образца, противоположную шипу. В первсм случае

взонах галтельных переходов у образца действовали сжимающие напряжения, во втором случае — растягивающие. В соответствии с этим можно ожидать изменения осевых остаточных напряжений

вгалтельных зонах образцов. Результаты испытаний 17 серий

ступенчатых пластин с различными видами поверхностного упроч­ нения и различными видами последующих правок приведены в таблЛ 13.

Из рассмотрения табл. 13 можно заключить следующее. Упроч­ нение азотированием ступенчатых пластин из стали 34ХН1М привело к повышению сопротивления усталости более чем в 2 раза. Последующий длительный отпуск пластин (несмотря на заметное в связи с этим понижение твердости азотированного слоя) только незначительно (около 10%) понизил предел выносливости. Правка азотированных пластин (с прогибом 0,3; 0,5 и 0,8 мм на длине 500 мм) приводит к понижению предела выносливости приблизи­ тельно на 1/3. При этом особенно неблагоприятным является слу­ чай правки, когда прикладываемый к пластинам изгибающий момент сопровождается сжатием галтельных зон. Предел вынос­ ливости азотированных образцов понижается с увеличением стрелы прогиба при правке. Упрочняющая чеканка галтелей также весьма существенно (в 1,5—2 раза) увеличила предел вы­ носливости пластин, изготовленных из всех исследованных сталей.

Правка упрочненных наклепом пластин приводит к пониже­ нию предела выносливости. При этом в особо неблагоприятном виде правки (сосредоточенная сила действует на шип, т. е. при приложении сжимающих напряжений в зоне галтелей) понижение предела выносливости составляет 30—40% для мягких сталей (15ГН4М и 22К) и достигает 80% для высокопрочной стали. Правка упрочненных наклепом пластин при приложении сосре­ доточенной силы со стороны, противоположной шипу (т. е. при приложении растягивающих напряжений в зоне галтелей при правке пластин), приводит к меньшей потере предела выносливо­ сти (около 10%).

Г л а в а III

УСТАЛОСТЬ КРУПНЫХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПРИ КРУЧЕНИИ

1. О СООТНОШЕНИИ ПРЕДЕЛОВ ВЫНОСЛИВОСТИ СТАЛЕЙ ПРИ ИЗГИБЕ И КРУЧЕНИИ

На рис. 22 приведены собранные С. Л. Жуковым эксперименталь­ ные данные зависимостей между пределами выносливости при изгибе и кручении (опыты Гафа, И. А. Одинга, Мура, Лера и С. Л. Жукова — всего 138 источников).

Сопоставление экспериментальных данных показывает устой­ чивую зависимость между пределами выносливости сталей при симметричных циклах изгиба о г и кручения т_х для гладких лабораторных образцов малых диаметром ( 0 8— 10 мм) т_x/o_i = = 0,58, что соответствует отношению предельных состояний при статических нагружениях растяжением и кручением по энергети­ ческой гипотезе прочности.

Если принять во внимание также достаточно устойчивую связь между временным сопротивлением разрыву сталей и пределом

ложенных различными авторами и связывающих предел выносли­ вости сталей на малых гладких образцах. При изгибе и кручении,

существенное влияние на результаты испытаний таких факторов, как шероховатость поверхности, влажность воздуха и др., вряд ли целесообразно искать более точные зависимости между пределами выносливости, чем те ориентировочные, которые указаны выше.

Следует подчеркнуть, что приведенные эмпирические зависи­ мости относятся только к характеристикам сталей, определенным на гладких лабораторных образцах со шлифованной поверхностью.

Сопоставление пределов выносливости при изгибе и кручении