Діаграма граничних напружень

При визначені границь витривалості будь-якого металу для циклів з довільним коефіцієнтом асиметрії теоретично треба побудувати багато кривих втомленості (рис 10). До того ж побудова кожної точки кривої втоми потребує довгострокових випробувань. Нескладно підрахувати, що визначення максимальних напружень близьких до і кількості циклів, наближених до базових , потребують декілька діб, при частоті змін напружень 50 Гц ( 1Гц дорівнює 1 циклу в секунду).

Для обмеження кількості випробувань і можливості визначення границь витривалості будь-якого довільного циклу, вченими було запропоновано декілька діаграм граничних напружень. У практичних розрахунках на опір втомленості здебільшого використовується діаграма Хейя, побудована в координатах амплітудного та середнього напруження циклу.

Оскільки для довільного циклу напружень

кожна точка такої діаграми є векторною сумою амплітудної та середньої компоненти циклу (рис. 12).

Рисунок 12 – Діаграма граничних напружень

Діаграма граничних напружень будується за допомогою даних випробувань зразків у трьох типових циклах.

Побудова виконується наступним чином. До середнього напруження , що відкладається по осі абсцис, додається у напрямі осі ординат відповідне амплітудне напруження . Так, границя витривалості симетричного циклу відображається точкою , границя витривалості пульсуючого (віднульового) циклу позначається точкою , а границя витривалості при статичному напруженні – точкою .

Точки з’єднуються плавною кривою, яка є лінією границі витривалості. Простір можна вважати теоретично безпечним в сенсі руйнування від втомленості. Якщо точка з координатами не виходить за границю цієї зони, то зразок з даного матеріалу витримує базове число циклів .

Прямим, що з’єднують точки з початком координат відповідають певні коефіцієнти асиметрії циклу (див. рис. 12).

Зв’язок між кутом на рис. 12 та коефіцієнтом асиметрії циклу у разі довільного циклу з компонентами напружень та визначається формулою:

. (7)

Таким чином, кожній прямій, проведеній з початку координат до лінії границі витривалості під кутом відповідають подібні цикли з певними значеннями коефіцієнта асиметрії та границі витривалості .

Експериментально встановлено, що границя витривалості для циклів з однаковим за модулем середнім напруженням в області стискаючих напружень вище, ніж розтягуючих. Ця різниця пояснюється результатами дії стиску, який перешкоджає зростанню тріщин утоми. Вона особливо помітна для крихких матеріалів, наприклад для чавуну. Діаграма граничних напружень для сірого чавуну показана на рис. 13 суцільною кривою.

Рисунок 13 – Діаграма граничних напружень для сірого чавуну

Однак і для пластичних матеріалів (сталі) зона діаграми з від’ємними значеннями < 0 має свої особливості. Вони пов’язані з тим, що тимчасовий опір при стисканні пластичного матеріалу (вуглецевої сталі) не може бути досягнутим (рис. 14).

Рисунок 14 – Діаграма граничних напружень для вуглецевої сталі

З рис. 13,14 видно, що простір безпечних напружень для циклів з <0 більший, ніж для циклів з > 0. У практичних розрахунках на втомленість простір безпечних напружень для циклів з від’ємними значеннями звужують, як показано на рис. 13,14 пунктирною лінією. Таке звуження йде в запас міцності і дозволяє провадити розрахунки на втомленість лише для циклів з додатними значеннями > 0.

Тому, у разі виникнення знакопостійних (див. рис. 5б), або знакозмінних (див. рис. 6б) циклів з середнім напруженням < 0, їх дзеркально відображають відносно осі часу. Завдяки такому перетворенню середні напруження циклів стають додатними, а функції, зображені на рис. 5б і 6б трансформуються в криві, показані на рис. 5а і 6а відповідно. Таким чином коефіцієнти асиметрії усіх можливих циклів змінюються у діапазоні

а бісектриса внутрішнього кута (див. рис.12) розподіляє простір діаграми на два сектори – знакопостійних та знакозмінних циклів.

Діаграма граничних напружень дозволяє визначити границю витривалості довільного циклу за наступним алгоритмом. По відомим значенням напружень і по формулі (6) встановлюється коефіцієнт асиметрії циклу R, а завдяки співвідношенню (7) визначається кут нахилу прямої відповідного циклу. Точка перетину цієї прямої з лінією границі витривалості (див. рис. 12) вказує на граничні напруження циклу і . Геометрична сума відрізків та визначає максимальне напруження циклу або границю витривалості.

. (8)

Аналізуючи суми напружень (8) для різних точок діаграми граничних напружень (рис.12) можна зробити висновок, що із зростанням коефіцієнта асиметрії від -1 до +1 (тобто з ростом і зменшенням ) границя витривалості збільшується. Найменша сума напружень (8) відповідає симетричному циклу (), тому симетричний цикл є найбільш небезпечним.

У завершенні слід зазначити, що деякі дослідники замість діаграми Хея використовують інший тип діаграми, яка будується в осях – і тому має назву діаграми максимальних напружень, або діаграми Сміта (рис. 15).

Рисунок 15 – Діаграма Сміта

Будується вона за допомогою тих самих точок що й діаграма Хея (див. рис.12). Спочатку під кутом 45 градусів до осі середніх напружень проводиться допоміжна пряма. На осі абсцис відкладається середнє напруження циклу. Від цієї позначки підіймається перпендикуляр до зустрічі з допоміжною прямою. Від точки перетину цих ліній по осі ординат в обидва боки відкладається амплітудна складова циклу . Таким чином для довільного циклу з напруженнями та утворюються точки та , які відповідають максимальним та мінімальним напруженням циклу. Одночасно з’являються криві максимальних (суцільна) та мінімальних (пунктирна) напружень циклу.

Треба зазначити, що принципової різниці між діаграмами Хея і Сміта немає. Різняться вони лише способом графічного відображення тих самих результатів випробувань.