книги / Циклическая прочность металлов

Пример. Из стали 45 (улучшенной), с от= 41,0 кг/мм2 было изготовлено

аналитическим; он отличается большой простотой и требует сравнительно непродолжительного времени для определения вели­ чины предела усталости. Эта величина получается приближенной, но, как показали наблюдения, отклонение ее от величины предела усталости, получаемой экспериментально, обычно не выходит за пределы, допустимые для целей практики, если только резуль­ таты экспериментальных разрушений образцов (двух) не иска­ жаются какими-либо посторонними причинами, например, ло­ кальными дефектами поверхности, случайной перегрузкой испы­ тательной машины и т. п.

Данные табл. 12, составленной для суждения о точности ре­ зультатов, полученных по описанному методу, показывают удо­ влетворительное совпадение величин предела усталости различно

точек, можно определять аналитически величину предела уста­ лости (приближенно, конечно) для сталей как углеродистых, так и легированных, с различной поверхностной обработкой образцов, с наклепом и без наклепа, с надрезами и без таковых. Этот метод значительно ускоряет процесс определения предела усталости металлов. Кроме того, формула (25) позволяет контро­ лировать правильность величины предела усталости металлов, полученной экспериментальным путем.

В этой связи следует сказать следующее. Величина предела усталости каждого металла (стали) зависит от многих факторов, действующих и постоянно и случайно, а также и особенно от кон­ центрации напряжений. Вследствие этого при эксперименталь­ ных исследованиях почти никогда не получается одинаковых результатов даже для двух однородных испытаний, проводимых одно за другим или проводимых на двух совершенно одинаковых машинах. Это обстоятельство наводит на мысль, что величина предела усталости, получаемая вычислением по определенной аналитической формуле, может быть даже более близкой к дей-

ствительно правильной величине, чем в некоторых случаях ре­ зультат экспериментального определения. Неточность здесь мо­ жет обусловливаться только теми допущениями, на которых основан вывод аналитической формулы.

Использование усталостной диаграммы, кроме описанного здесь метода определения предела усталости, дает возможность построить еще простой и достаточно эффективный эксперимен­ тально-аналитический метод определения долговечности конструк­

Метод В. В. Вейбулла и И. А. Одинга сводится также к вы­ воду уравнения усталостной диаграммы, дающего связь между числом (N) циклов, вызывающим разрушение металла, и соответ­ ствующим ему напряжением а.

Несмотря на то, что способы получения этого уравнения у названных авторов были различные, оно получилось у них струк­ турно одинаковым:

положения вакансионной теории усталостного разрушения ме­ таллов о том, что снижение циклической прочности последних зависит главным образом от интенсивности образования концен­ траций вакансий в структуре металлов под действием внешних сил вследствие процессов скопления и осаждения этих вакансий.

Интересно напомнить, что еще в 1910 г. Баскуин [57] предло­

жил для уравнения усталостной диаграммы формулу а = kN~mi где к и т — коэффициенты, постоянные для каждого металла.

Позднейшими исследованиями эта формула не подтвердилась, по она много способствовала развитию учения о циклической проч­ ности металлов.

Приведем вывод по И. А. Одингу [26], написав зависимость между интенсивностью процессов скопления и осаждения вакан­ сий (у), числом скопившихся и осевших вакансий (w) и соответствую­ щим числом циклов нагружения (N) в дифференциальной форме:

Интенсивность процессов скопления и осаждения вакансий при симметричных циклах, при а > ау зависит главным образом от двух факторов: 1 ) от величины фактического циклического напряжения, вернее, от разности между этой величиной и преде­ лом усталости (а—сту), которая обусловливает усталостное раз­ рушение, и 2) от числа N грузовых циклов; при этом обе за­ висимости в процессе каждого циклического испытания не

координатах зависимость разрушающего числа циклов от раз­ ности между разрушающим напряжением и пределом усталости должна выражаться прямой линией.

В развитие формулы (29) В. В. Вейбулл подробно разработал статистический метод определения предела усталости металлов при большом количестве экспериментальных данных, как изве­

метод построения усталостной диаграммы для определения пре­ дела усталости металлов (стали).

Метод этот базируется на двух сформулированных им поло­ жениях:

1 ) все структурные изменения в процессе испытания образца за­ висят от некоторого внутреннего, эквивалентного по своему дей­ ствию, нарастающего напряжения в нем, сумма которого с напря­

жением от внешней нагрузки, названная автором эффективным

можно принять пропорциональной разности между этим напряже­ нием и пределом усталости.

Для усталостной диаграммы в полулогарифмических коорди­

к— коэффициент пропорциональности, влияющий на кри­ визну усталостной диаграммы.

Предложенным методом,"по утверждению автора, можно на­ ходить с достаточной для целей практики точностью предел уста­ лости металлов (стали) по результатам испытаний только трех образцов, а также можно наметить все промежуточные точки уста­ лостной диаграммы.

Г Л А В А V

ЦИКЛИЧЕСКАЯ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И СПОСОБЫ ЕЕ НАЗНАЧЕНИЯ

§ 14. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

Каждая конструкция (особенно это относится к специальным конструкциям и машинам) должна работать некоторый опреде­ ленный срок. Нельзя допустить ее выхода из строя до истечения назначенного срока. Поэтому, наряду с прочностью, вопрос об определенной, наперед заданной долговечности конструкций приобретает важное значение. Тем не менее этот вопрос остается до сих пор почти совершенно не освещенным; можно констатиро­ вать, что сколько-нибудь авторитетных исследований в этом на­ правлении не имеется.

Ответить более или менее точно на вопрос: сколько времени проработает или сколько рабочих циклов сделает та или другая проектируемая конструкция, на основании соответствующего научно-теоретического анализа или соответствующего технического расчета, современное учение о циклической прочности материалов и конструкций не может, так как не имеет для этого почти ника­ ких методов подсчета.

Пытаются отвечать на этот вопрос путем анализа принятого при проектировании конструкции коэффициента запаса проч­ ности; но это, как очевидно, является совершенно неправильным, так как исходные показатели прочности — предел усталости и даже предел текучести материалов являются в области цикличе­ ской прочности непостоянными величинами.

Пытаются отвечать на вопрос о долговечности конструкций путем опытной проверки их на моделях, выполненных в натураль­ ную величину. Но этот метод, правильный по своей идее, может быть применен только в серийном производстве; для уникальных конструкций он совершенно неприменим.

Опыт эксплуатации конструкций и результаты многих натур­ но-эксплуатационных и лабораторных испытаний на долговеч­ ность показывают, что фактические сроки службы одних и тех же элементов, работающих в одинаковых конструкциях, оказываются совершенно разными даже в тех случаях, когда материалы, йз

которых они были изготовлены, технологический процесс их изготовления и режимы работы были идентичны. И это различие бывает иногда настолько велико, что результаты исследований в этом направлении приходится признавать неточными, а в неко­ торых случаях вообще неопределенными.

Разницу в долговечности одинаковых элементов конструкций, наблюдаемую экспериментально, объясняют действием факторов двух родов. Одни факторы действуют в постоянном направлении, вызывая изменение долговечности исследуемых конструкций только в одну сторону: или в сторону повышения, или в сторону пониже­ ния. К таким факторам следует относить качество пригонки смеж­ ных элементов, работающих во взаимодействии одни с другими; качество смазки; загрязнение рабочих поверхностей и т. п. Эти действующие в постоянном направлении факторы являются не­ случайными и в большинстве случаев управляемыми. Но, кроме них, на долговечность элементов конструкции влияют еще фак­ торы другого рода, случайные, независимые друг от друга, устра­ нить которые часто не представляется возможным.

Серьезной задачей при экспериментальных исследованиях долговечности конструкций и их элементов является точное и вполне определенное установление момента окончания работо­ способности исследуемого объекта, так как критерии для этого существуют весьма различные; определенного общепринятого понятия о пределе долговечности конструкций в целом и их элементов и в производственной практике, и в теории до сих пор не существует.

Здесь рассматривается вопрос о долговечности конструкций, работающих под воздействием циклических нагрузок, выдвигае­ мый сейчас как важная проблема. Вопрос же о статической дол­ говечности конструкций, когда они находятся в состоянии дли­ тельного статического равновесия, изучен достаточно полно, решения его подтверждены продолжительным опытом, и он по­ этому не представляет новизны.

Все сказанное подтверждает большую важность не только решения, но даже только правильной постановки вопроса о созда­ нии методов для определения циклической долговечности кон­ струкций и их элементов еще в процессе проектирования. Эти методы должны дать возможность предвидеть наиболее характер­ ные изменения прочности в работе каждой проектируемой кон­ струкции и, в частности, должны предугадать время и сроки появле­ ния признаков усталостного разрушения ее.

Нужно различать два случая циклической долговечности кон­ струкций:

1 ) случай длительной циклической долговечности (точнее, не­ ограниченно длительной), когда конструкция работает при отах ^ < бу и срок ее службы неограниченно велик, и

2) случай ограниченной циклической долговечности, когда конструкция работает при отах > (Ту, т. е. с перенапряжением,