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

15*

концентрации (см. гл. XVIII). Различают теоретический сс₀ и эффек­тивный к_а коэффициенты концентрации.

Напомним, что при определении а_а 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 о_] при симметричных циклах на гладких образцах и на образцах тех же размеров, но с наличием надрезов (с концентрацией напряжений) о._1к. Отношение двух указанных величин а^1а__1к обо­значают k_a и называют эффективным коэффициентом концентрации. Эта величина зависит от степени концентрации напряжений, от каче­ства металла и от размеров детали.

Эффективный коэффициент концентрации k_n, учитывающий реаль­ные особенности материала, меньше теоретического а_а. 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 q^. Это значит, что нет разницы между теоретическим и эффективным коэффициентом концентрации напряжений. В этом случае прочность детали сни­жается пропорционально величине а„. Для углеродистых сталей q «=« 0,6—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.

Качество поверхности детали. На рис. 449 при­ведены данные зависимости предела выносливости от состояния поверх­ности образца. Предел выносливости образца с полированной поверх­ностью принят за 100"о (прямая /). 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 о,,. 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 f>. 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 см^г. В действительности предел выносливости вагонной оси с диаметром D — 170 мм состав­ляет 1200 кгс1см^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, мнкротрещпны, неметаллические включе­ния, следы от обработки поверхности), которые снижают предел выносливости, а в малых образцах дефектных мест меньше.

Изменение величины предела выносливости в связи с изменением размеров образцов оценивается так называемым масштабным коэф­фициентом е„. Масштабным коэффициентом называют отношение пре­делавыносливости детали к пределу выносливости образца диамет­ром 6—12 мм. При этом считают, что состояние поверхности деталии образца одинаково. Масштабный коэффициент зависит от материаля,качества поверхностной обработки детали, наличия у детали источ­ников концентрациинапряжений.

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 б виду, что при низких температурах резко снижается ударная хрупкость металла.