книги / Некоторые вопросы усталостной прочности стали

новлеио, что при ограниченном числе разрушающих циклов, например, на базе в 10s циклов, разрушающее напряжение при выточках заметно превышает предел усталости гладких образцов. Заметная концентрация напряжений возникает при необработан­ ной поверхности образцов из прокатной стали. Согласно допол­ нительным испытаниям оказалось, что для стали обычной и повы­ шенной прочности при сохранении поверхности проката предел усталости в среднем на 25% ниже, чем на шлифованных образцах.

Влияние наплавки приваренных ребер и приклепанных уголков на сопротивление усталостному разрушению

Исследование проводилось на длинных и укороченных образ­ цах. Длинные образцы изготовлялись согласно фиг. 2, а из листов обычной и повышенной стали с продольной и поперечной наплавкой шва. Поверхность образцов гладко обрабатывалась и шлифовалась. При поперечных швах усталостное разрушение происходило вне сварки, что свидетельствовало о более высоком сопротивлении металла в зоне наплавки, чем основного металла, незатронутого термическим влиянием. Образцы спродольнымшвом, за исключением нескольких порочных, обнаружили более высокое сопротивление усталостному разрушению, чем образцы из основного металла.

Укороченные образцы изготовлялись из двух листов обычной стали и из нескольких листов повышенной стали. Механические свойства стали от трех листов, которые при испытаниях на уста­ лость укороченных образцов обнаружили наиболее характерные результаты, представлены в табл. 3.

91

По сравнению с шлифованными образцами сопротивление уста­ лостному разрушению образцов с необработанной поверхностью и с приваренным ребром заметно понизилось. Особенно значитель­ ное снижение сопротивления оказалось у образцов с треугольным надрезом. Интересно отметить, что расчет изгибных напряжений образцов с заклепками по площади нетто приводит к чрезмерно высоким сопротивлениям усталостному разрушению, что неправ­ доподобно и свидетельствует о значительном участии в сопроти­ влении изгибу приклепанного уголка.

Кривые усталости обычной и повышенной сталей от двух листов толщиной 8 мм представлены на фиг. 9 и 10 для группы образцов с приваренными ребрами, треугольным надрезом и глад­ ких шлифованных. Эти кривые показывают, что сопротивление усталостному разрушению образцов с приваренными ребрами и треугольными надрезами близки между собой и значительно ниже сопротивления гладких шлифованных образцов. Особенно заметна эта разница на повышенной стали. Характерно, что пре­ делы усталости на базе 5- 10в циклов образцов с приваренными ребрами и с надрезами на обычной и повышенной сталях примерно одинаковы, хотя для шлифованных образцов они отличаются

в1,5 раза.

Втабл. 4 представлены абсолютные и относительные вели­

чины сопротивлений усталостному разрушению образцов на двух базах разрушающих циклов.

93

Из двух листов обычной и повышенной сталей изготовлялись плоские образцы, гладкие шлифованные, с глубокими выточками и со. щелями (фиг. 11). Образцы подвергались многократному чистому изгибу на машине Шенка [2] при частоте 1400 циклов в минуту. Изгибающие моменты устанавливались по показаниям крутильного динамометра машины. Наибольшее напряжение в образцах определялось по формуле упругого состояния

где W — момент сопротивления площади ослабленного сечения образца.

Некоторые образцы с выточками и щелями сперва подверга­ лись кратковременным перегрузкам, которые после примерно 20 тысяч циклов вызывали надрывы по углам ослабленного сече­ ния, придавая ему форму восьмиугольника, как показано на фиг. 12. Затем надорванные образцы, как и другие, испытывались на уста­ лость до разрушения. Кривые усталости, построенные по опытным данным, представлены на фиг. 13 для обычной стали и на фиг. 14 для повышенной стали, согласно которым пределы усталости на гладких шлифованных образцах примерно равнялись 18 кг!мм2 для обычной стали и 30 кг/мм2 для повышенной стали. В табл. 5 даны относительные величины разрушающих напряжений при числах разрушающих циклов 10Б и 5- 10е, где за 100% приняты

94

Таблица о

пределы усталости сталей, полученные на гладких шлифованных образцах.

Опыты показали, что относительное снижение разрушающих напряжений для образцов с выточками и щелями более заметно при большом числе разрушающих циклов, чем при малом. Так, например, для повышенной стали предел усталости на образцах со щелью снизился до 6 кг/ммг, что составляет 20% от предела усталости гладких шлифованных образцов.

При испытаниях надорванных образцов обнаружена интерес­ ная особенность, состоящая в том, что, несмотря на предельную концентрацию напряжений в надрыве, при благоприятном режиме перегрузки сталь, видимЬ, настолько упрочняется, что вместо снижения усталостной прочности возможно ее повышение, ока­ завшееся особенно заметным на повышенной стали.

Сравнение сопротивлений усталостному разрушению узких полос и широких пластин

Материалом исследования являлась обычная сталь от листа толщиной 13 мм и, креме того, повышенная сталь от одного листа

узкие образцы пофиг. 4, а и большие широкие образцы по фиг. 4, г. Все образцы имели шлифованную поверхность. Испытания на усталость проводились при частотах 500 и 350 циклов в минуту соответственно для малых и больших образцов. Усталостные испы­ тания образцов, за исключением самых широких, проводились до

большого широкого образца с усталостными трещинами, возник­ шими в конце испытания, и излом от усталости малого узкого

96

разрушению, чем линейное напряженное состояние с таким же оаиболыним главным напряжением. Это обобщение, вытекающее из гипотез пластичности, находится в соответствии с полученными нпытными данными.

■ Испытания большого числа образцов разнообразной формы и величины, изготовленных из разных сталей, позволили собрать некоторые данные, свидетельствующие о влиянии масштабного фактора на сопротивление усталостному разрушению. В табл. 6 представлены геометрические и прочностные характеристики для нескольких серий стальных гладких шлифованных образцов разных размеров, испытанных на усталость на машинах ЛКИ.

Приведенные опытные данные в отдельных случаях свидетель­ ствуют о некотором отрицательном влиянии повышенных разме­

98

снижения усталостной прочности больших образцов по сравне­ нию с малыми оказалась неустойчивой. Видимо, изучение влия­ ния масштабного фактора на усталостную прочность требует более тщательных, специаль­

но поставленных опытов.

6 \

^- Ч

асредний

,_ о узкий

Применение полученных данных для расчетов на прочность .

В результате испытаний большого числа образцов на много­ кратный изгиб по симметричному циклу получены кривые уста­

симметричных циклах по диаграммам усталости, которые пред­ ставляют собой упрощенные спрямленные диаграммы Смита или Хея. Такие диаграммы строятся по двум точкам, одна из которых

а другая — пределу текучести, являющемуся опасным напря­ жением при постоянной нагрузке.

В отечественной литературе по расчету металлических кон­ струкций дается более простая диаграмма усталости [3], подоб­ ная которой предлагается здесь.

Предлагаемая диаграмма (фиг. 18) представляет собой прямую линию, построенную по двум точкам, и выражает зависимость

Выводы

1. Предложены и проверены на практике новые упрощенные машины для испытаний на усталость при плоском изгибе узких

ишироких образцов.

2.Установлено лишь незначительное влияние частоты циклов

на сопротивление стали усталостному разрушению.

3.Исследованные конструкционные стали повышенной проч­ ности оказались более чувствительными к концентрации напря­ жений, чем стали обычной прочности. Влияние концентрации напряжений на понижение усталостной прочности фактически оказалось меньше, чем это вытекает из теории упругости.

4.При наличии сварных швов и приваренных ребер сниже­ ние усталостной прочности происходит не по вине качества металла в области сварки, а вследствие концентрации напряже­ ний, вызванной профилем сварного шва или наплавки.

5.Щелевидиый надрез типа трещины приводит к шестикрат­ ному снижению предела усталости стали по сравнению с гладким шлифованным образцом. Кратковременная перегрузка при благо­

приятном режиме может повышать усталостную прочность изде­ лий со щелями или надрывами.

6.При многократном изгибе ширина образцов и возникнове­ ние плоского напряженного состояния, видимо, не влияют суще­ ственно на величину предела усталости.

7.Установлено некоторое снижение усталостной прочности больших образцов по сравнению с малыми, однако «это снижение оказалось не во всех случаях отчетливым.

8.Предложена упрощенная диаграмма усталости, построен­ ная на основании заданного предела усталости симметричного

100