IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Концентрация напряжений.

Концентрацией напряжений называют увеличение напряжений в местах

резкого изменения очертания и размеров детали по сравнению с номинальными. Номинальными называют напряжения, вычисляемые по обычным формулам сопротивления материалов.

Концентраторами напряжений являются шпоночные канавки, отверстия, выточки, нарезки на поверхности, резьбы, малые радиусы закругления в местах резкого изменения размеров и т. д (Рис.1). Концентрация напряжений при циклическом нагружении вызывает в зоне очага концентрации зарождение и рост усталостной трещины и последующее усталостное разрушение материала.

Рис. 1. Примеры очагов концентраций напряжений

Влияние концентраторов напряжений на предел выносливости учитывается эффективным (действительным) коэффициентом концентрации напряжений, который представляет собой отношение предела выносливости образца без концентрации напряжений к пределу выносливости образца тех же размеров, но с концентратором напряжений:

Эффективные коэффициенты концентрации обычно устанавливаются экспериментальным путем, однако при отсутствии опытных данных для их вычисления можно пользоваться следующими формулами:

, где

q – коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений, который зависит от свойств материала: чем хрупче материал, тем чувствительнее он к концентрации напряжений, тем больше величина q (для высокопрочных сталей q≈1; для углеродистых сталей q=0,6...0,8; для чугуна q≈0 – из-за наличия внутренних концентраторов в виде включений графита);

a_ – теоретический коэффициент концентрации напряжений, который зависит только от формы концентратора , определяется либо расчетным путем (методами теории упругости), либо экспериментально (тензометрией, оптическими методами и т. д.) и приводится в справочных таблицах [2].В последнее время применяется более современная методика расчета коэффициента K_ [1]:

,где

G – относительный градиент (перепад) напряжений (мм^-1), который (как и a_) определяется расчетным или опытным путем и приводится в справочниках;– предел текучести материала (МПа.)

Влияние качества обработки поверхности

Усталостные трещины, как правило, начинаются от поверхности детали. Поэтому состояние поверхностного слоя оказывает существенное влияние на прочность при переменных напряжениях. Микронеровности (риски, шероховатость) от механической обработки, повреждения поверхности (царапины, прижоги) и т. п. являются источниками концентрации напряжений и могут вызвать снижение предела выносливости.

Влияние качества поверхности на предел выносливости материала учитывается коэффициентом качества поверхности , который представляет собой соотношение между пределом выносливости лабораторных образцов с полированной поверхностью и пределом выносливости геометрически подобных, то есть образцов с заданной шероховатостью , т.е.

При отсутствии опытных данных для вычисления рекомендуется пользоваться следующими формулами:

,где

- предел выносливости образца с шероховатостью (Рис.2).

Рис. 2. Обозначение шероховатости детали

Наличие поверхностного упрочнения

Наличие поверхностного упрочнения приводит в ряде случаев к значительному повышению пределов выносливости (в 2–3 раза и более), что связано с формированием в поверхностном слое упрочненной детали сжимающих остаточных напряжений и повышением твердости поверхности (Рис.3).

Рис. 3. Схема упроченной детали

Повышение предела выносливости вследствие поверхностного упрочнения характеризуется коэффициентом - [3].

,где

- предел выносливости упрочненного образца.

Таким образом можно сделать вывод, что факторами, влияющими на предел выносливости конструкций, являются: концентрация напряжений, влияние качества обработки поверхности и наличие поверхностного упрочнения. Данные параметры обычно не учитываются в расчете строительных конструкции, но имеют большое значение при определении характеристик выносливости. Эмпирические зависимости, приведенные в отчете, позволяют учесть каждый из них при расчете на усталостную долговечность.

Список литературы:

1. ГОСТ 25.504-82*. Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета характеристик сопротивления усталости

2. Форрест, П. Д. Усталость металлов / П. Д. Форрест, С.В. Серенсен – Москва: Машиностроение, 1968. – 352 с.

3. Иванова В.С. Природа усталости металлов/ Иванова В.С., В. Ф. Терентьев В.Ф. - Москва: Металлургия, 1975. - 454 с.

Код для цитирования: Скопировать