книги / Прогнозирование долговечности и диагностика усталости деталей машин

рушения от величины напряжения. Характеристики со­ противления усталости приведены в табл. 2.4.

Сравнение результатов испытания двух серий образ­ цов показывает, что закалка образцов из стали 40Х по сравнению с состоянием поставки повышает среднее значение и значение предела выносливости, соответст­ вующего вероятности неразрушеиия 0,99; увеличивает число циклов до точки нижнего перегиба кривой устало­ сти (сдвиг на графике усталости в область большего числа циклов); практически не влияет на характеристи­ ку наклона кривой усталости; приводит к росту среднего квадратичного отклонения и коэффициента вариации значений предела выносливости. Следовательно, исходя из сопротивления усталости, более предпочтительной яв­ ляется закалка стали 40Х.

2.1.4. Оценка влияния микрогеометрии поверхности на сопротивление металлов усталости

Оценка влияния шероховатости поверхности на со­ противление металлов усталости может быть получена в результате сравнительных испытаний нескольких серий образцов металла. Серия от серии должна отличаться только шероховатостью поверхности в опасной в смысле усталости зоне образцов. Каждую серию образцов реко­ мендуется испытывать, соблюдая однородность нагруже­ ния, по схеме, рассмотренной в подпараграфе 2.1.1, с оп­ ределением характеристики наклона и числа циклов до точки нижнего перегиба кривой усталости, а также сред­ него и квадратичного отклонения значений предела вы­ носливости.lI

I l l

При анализе результатов испытаний необходимо оце­ нить справедливость гипотез о независимости параметра и0 и числа циклов до точки нижнего перегиба кривой усталости от микрогеометрии и при справедливости этих гипотез найти обобщенные значения характеристик для всех испытанных серий.

Учитывая, что шероховатость поверхности определя­ ет величину начальной степени повреждения опасных сечений и рост микронеровностей в опасных зонах вы­ зывает значительное снижение среднего значения преде­ ла выносливости, при анализе результатов испытаний целесообразно определить зависимость среднего значе­ ния предела выносливости от характеристик шерохова­ тости (например, от высоты микронеровностей). Так как зависимость предела .выносливости от логарифма степе­ ни повреждения можно считать линейной (ем. гл. 1), поиск зависимости предела выносливости от шерохова­ тости поверхности рекомендуется вести графически в системе координат: среднее значение предела выносли­ вости — логарифм характеристики шероховатости.

В завершение анализа результатов испытаний вос­ производится семейство кривых усталости для серий образцов металла с разной шероховатостью поверхности на базе обобщенных характеристик выносливости. В ка­ честве примера рассмотрим результаты испытания1 на машине МУИ-6000 цилиндрических образцов, имевших радиусную шейку с диаметром опасного сечения 7,52 мм. Материал образцов — сталь 20ХНЗА. Перед окончатель­ ной механической обработкой образцы подвергались за­ калке в масле с 830 °С и отпуску при 560 °С (HRC 32— 34). Испытано четыре серии образцов: А — с полирован­

кольцевым надрезом глубиной 0,16 мм и радиусом дна 0,5 мм.

Для серий А, Б и В снимались профилограммы. В качестве оценки шероховатости использовалась осредненная по трем образцам высота неровностей Rz — сред­ нее расстояние между находящимися в пределах базы измерений пятью точками выступов и впадин. Результа­ ты испытаний приведены в табл. 2.5 и точками показаны на рис. 2.5.

1 Испытания под руководством автора проведены Е. П. Рыжковым.

112

Параметры уравнений кривых усталости с индексом j приведены в табл. 2.6. Из таблицы видно, что число циклов до точки нижнего перегиба кривой усталости и параметр изменяются от серии к серии в пределах возможных выборочных отклонений. Учитывая это, для всех испытанных серий были найдены обобщенные зна­ чения этих характеристик.

Обобщенные значения v0 и N0 использованы для уточ­ нения средних значений пределов выносливости испытан-

Рис. 2.5. Кривые усталости для образцов из стали 20ХНЗА в усло­ виях изгиба с вращением при разной шероховатости поверхности

ных серий образцов. Эти уточненные значения, а также

2.6.

Обобщенные характеристики п0 и N0, а также уточ­

ненные значения ог и v дают возможность воспроизве­ сти семейство кривых усталости, соответствующих 50%- ной вероятности неразрушения, для серий образцов с разной шероховатостью (степенью исходного поврежде­ ния). Такие кривые представлены на рис. 2.5, при этом использовано уравнение (1а).

Из табл. 2.6 и рис. 2.5 следует, что сопротивление усталости образцов стали 20ХНЗА существенно зависит от шероховатости поверхности. Среднее значение преде­ ла выносливости является наиболее чувствительной ве­ личиной, убывающей с ростом микронеровностей. Так,

114

Т а б л и ц а 2.6

"Глубина надреза.

рост микронеровностей от 0,58 до 6,85 мкм снижает пре» дел выносливости на 117 МПа, или более чем -на 25%г а нанесение острой неглубокой выточки (0,16 мм) умень­ шает среднее значение предела почти в 3 раза.

Характеристика наклона кривой усталости v зависит от предела выносливости. Однако она менее чувстви­ тельна к шероховатости по­ верхности и оказывает значи­ тельно меньшее влияние на число нагружений до разру­ шения.

Исходя из того, что степень повреждения пропорциональна высоте микронеровностей, для количественного описания за­ висимости среднего значения

Рис. 2.6. Зависимость предела вы­ носливости от микрогеометрнн по­ верхности образцов из ст‘али20ХНЗА в условиях изгиба с вращением

115

предела выносливости от высоты микронеровностей мо­ жет быть использовано следующее из (8) уравнение:

предела выносливости от относительной величины мик­ ронеровностей.

2.1.5. Оценка влияния геометрии поверхности на сопротивление металлов усталости

Оценка влияния геометрии поверхности в зоне опас­ ного сечения (надрезов, выточек, канавок и т. д.) на со­ противление металлов усталости может быть выполне­ на путем сравнительных испытаний серий образцов, от­ личающихся только геометрией поверхности. Каждую серию образцов рекомендуется испытывать, соблюдая однородность нагружения. Наряду с определением числа циклов до разрушения целесообразно вести регистрацию роста усталостных трещин. Такой подход дополнительно к схеме, рассмотренной в подпараграфе 2.1.1, дает воз­ можность характеризовать геометрию поверхности ко­ личественными значениями степени исходного повреж­ дения и оценить изменение характеристик сопротивления усталости в процессе усталости исходя из текущих зна­ чений степени повреждения.

Результаты регистрации движения фронта усталост­ ных трещин в виде текущих значений степени поврежде­ ния и соответствующих им чисел циклов анализируются

сиспользованием уравнений, приведенных в гл. 1.

Вкачестве примера рассмотрим эксперимент1 с об­

разцами отожженной стали 45. Испытания проходили в условиях циклического растяжения на машине ГРМ-1 при коэффициенте асимметрии +0,5 и частоте нагруже­ ния 10 Гц. Образцы были изготовлены из листов тол­ щиной 5 мм и шириной 80 мм, В средней части выполне­ на шейка радиусом 200 мм с минимальной шириной

1 Испытания выполнены Е. П. Рыжковым под руководством автора.

116

ным сверлением. Предел прочности образцов без надре­ за равен 567 МПа.

Полученные в результате испытаний значения числа циклов до разрушения представлены на рис. 2.7. Напря­ жения определялись как отношение максимального растягивающего усилия к номинальной площади опас­ ного сечения без .учета надреза. Как видно из графика, расхождение в долговечности образцов с одинаковыми

Рис. 2.7. Кривые усталости для образцов из стали 45: 1 — без на» дреза; 2, 3, 4 — с небольшим, со средним и с большим центральны­ ми надрезами соответственно; 5, 6, 7 — с небольшим, со средним и с большим краевыми надрезами соответственно

117

по глубине краевыми и центральными надрезами незна­ чительно. Исходя из этого, при обработке были объеди­

уравнения линий регрессий 1gN—о: lgW=8,503—

зволили оценить характеристики наклона кривых уста­ лости (Vj, табл. 2.8).

Рост усталостных трещин при нагружении регистри­ ровался с помощью микроскопа МБС-1. Степень по­ вреждения оценивалась как отношение площади надре­ зов плюс площадь усталостного повреждения к номи­ нальной площади опасного сечения (5X64=320 мм2). Некоторые из полученных экспериментальных зависи­ мостей представлены в виде точек на рис. 2.8 и 2.9. Ре­ зультаты регистрации роста усталостных трещин обра­ батывались с использованием С-критерия сопротивле­ ния усталости. Расчетные зависимости сплошными линиями нанесены на графики (рис. 2.8 и 2.9).

118

Для серий образцов с различными глубинами надре­ зов были найдены средние значения начальной степени повреждения (Д ц , табл. 2.8) и параметра fj.

Выборочные средние значения пределов выносливости

f t = о. (1 - — ) и V» = V, ^ ° rt ,

\ О'в / <*rJ — Vj

Рис. 2.8. Зависимости степени повреждения от доли выработанного ресурса долговечности для образцов из стали 45 с краевыми надре­ зами средней глубины при трех значениях максимального напряже­ ния цикла

Рис. 2.9. Зависимости степени повреждения от доли выработанного ресурса долговечности для образцов из стали 45: 1 — без надреза

119

чисел циклов до точки нижнего перегиба кривых устало­ сти (табл. 2.8).

Как видно из таблицы, значения lgMoj отличаются друг от друга в пределах рассеяния выборочных оценок.

Рис. 2.10. Зависимости предела выносливости для образцов из ста­ ли 45 от степени повреждения (/) и относительной глубины надре­

за (2)

Следовательно, можно считать, что число циклов до точки нижнего перегиба кривой усталости не зависит от геометрической формы опасного сечения и логарифм этой величины равен 5,772. Последнее значение дает возможность с использованием уравнений линий регрес­ сий уточнить средние значения пределов выносливости

(or, табл. 2.8). Из уравнения

<V

щ . = V j ---- г:----

arj — v}

были найдены значения параметра Voj для каждой серии и обобщенное на все серии значение Оо=86,7 МПа.

Полученные обобщенные значения характеристик

120