ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ВЕЛИЧИНУ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ

На величину предела выносливости влияют многие факторы. Рассмотрим влияние наиболее важных из них, которые обычно учитываются при оценке усталостной прочности.

Концентрация напряжений. Усталостные трещины, как правило, возникают в местах концентрации напряжений.

Степень концентрации напряжений оценивается коэффициентами концентрации (см. гл. XVIII). Различают теоретический α_σ и эффективный k_σ коэффициенты концентрации.

Напомним, что при определении α_σ предполагается, что материал образца изотропный и упругий. Реальные особенности материала (неоднородность, способность к пластическим деформациям) при этом не учитываются.

При оценке влияния концентрации напряжений на усталостную прочность образца из реального материала определяют предел выносливости при симметричных циклах на гладких образцах и на образцах тех же размеров, но с наличием надрезов (с концентрацией напряжений) . Отношение двух указанных величин обозначают k_σ и называют эффективным коэффициентом концентрации. Эта величина зависит от степени концентрации напряжений, от качества металла и от размеров детали.

Эффективный коэффициент концентрации k_σ, учитывающий реальные особенности материала, меньше теоретического α_σ. Снижение эффекта концентрации напряжений за счет реальных свойств материала при циклических нагрузках оценивается так называемым коэффициентом чувствительности q, который равен

(19.12)

Чем выше механические свойства стали, тем больше коэффициент чувствительности. Для высокопрочных сталей q1. Это значит, что нет разницы между теоретическим и эффективным коэффициентом концентрации напряжений. В этом случае прочность детали снижается пропорционально величине α_σ. Для углеродистых сталей q0,6–0,8, для чугуна q = 0. На рис. 448 приведены графики значений коэффициентов чувствительности в зависимости от предела прочности материала и теоретического коэффициента концентрации напряжений.

На рис. 449 приведены данные зависимости предела выносливости от состояния поверхности образца. Предел выносливости образца с полированной поверхностью принят за 100 % (прямая 1). Кривая 2 относится к шлифованной поверхности, а кривая 3 – к поверхности, полученной при обработке резцом. Кривая 4 соответствует поверхности, на которую нанесена насечка, а кривая 5 – поверхности, полученной при прокатке. Кривые 6 и 7 относятся к поверхности, корродированной соответственно в обычной и морской воде. По оси абсцисс отложены пределы прочности стали σ_В. Как видим, снижение предела выносливости тем больше, чем грубее поверхностная обработка детали, причем это снижение более значительно для материалов с высокими пределами прочности. Влияние поверхностной обработки связано с тем, что более грубая поверхность детали создает дополнительные места концентрации напряжений и, следовательно, более благоприятные условия для появления микротрещин. Именно поэтому наиболее ответственные детали механизмов и машин часто полируют.

Усталостная прочность детали повысится, если поверхность ее специально обработать. Существует несколько способов обработки поверхностей: цементация, закалка токами высокой частоты, обкатка роликами при больших давлениях и др. Качество поверхностного слоя оценивается коэффициентом поверхностной чувствительности β. Этот коэффициент определяется как отношение предела выносливости при симметричных циклах образца с данной поверхностью к пределу выносливости образца с полированной поверхностью.

Абсолютные размеры детали. Экспериментами установлено, что размеры образца существенно елияют на величину предела выносливости. С увеличением размеров предел выносливости уменьшается. Так, например, предел выносливости для стали, идущей на изготовление вагонных осей, определенный в лаборатории на образцах диаметром d = 7,5 мм, равен 2300 кгс/см². В действительности предел выносливости вагонной оси с диаметром D = 170 мм составляет 1200 кгс/см^г, что почти вдвое меньше лабораторных результатов.

До настоящего времени этому факту нет полного объяснения.

Существует несколько предположений. По одному из них считают, что в больших образцах с большим объемом материала больше дефектных мест (раковины, микротрещины, неметаллические включения, следы от обработки поверхности), которые снижают предел выносливости, а в малых образцах дефектных мест меньше.

Рис. 449

Рис. 448

Изменение величины предела выносливости в связи с изменением размеров образцов оценивается так называемым масштабным коэффициентом ε_σ. Масштабным коэффициентом называют отношение предела выносливости детали к пределу выносливости образца диаметром 6–12 мм. При этом считают, что состояние поверхности детали и образца одинаково. Масштабный коэффициент зависит от материала, качества поверхностной обработки детали, наличия у детали источников концентрации напряжений.

Внешняя среда. Усталостная прочность детали зависит от среды, в которой находится деталь. Коррозионная среда (вода, соленая вода, кислоты, пары) резко снижает усталостную прочность. Применение защитных покрытий поверхностей (окраска, металлизация, азотирование, цементация, цинкование и др.) уменьшает эффект коррозионной среды. Высокие температуры уменьшают, а низкие несколько повышают усталостную прочность, однако нужно иметь в виду, что при низких температурах резко снижается ударная хрупкость металла.