книги / Некоторые вопросы усталостной прочности стали

Исключение составила, пятая группа, где отсутствовала закален­ ная серия.

Образцы, испытанные на изгиб, разделяются на две группы: 1) гладкие и 2) с галтелью малого радиуса.

Здесь в первой группе было четыре серии, в соответствии с че­ тырьмя видами обработки поверхности, а во второй — две: неупрочиенная и обкатанная.

Фиг. 2. Гладкий образец для испытаний на выносливость при кручении.

Образцы на кручение, относящиеся к первым четырем груп­ пам, имели одинаковую общую форму и размеры (фиг. 2).

Кольцевая канавка, профиль которой показан на фиг. 3, протачивалась резцом на токарном станке.

Фиг. 3. Размеры кольцевой	канавки.
канавки.

Косая канавка формировалась путем прямолинейного пере­ мещения специальной фрезы в направлении, составлявшем угол в 45° с осью образца. Размеры канавки, соответствующие ее сере­ дине, даны на фиг. 4

Поперечный цилиндрический канал 0 2 мм создавался путем сверления через специальный кондуктор и никакой последующей обработке, кроме удаления заусенцев с выходной стороны, не подвергался.

Образцы на кручение, входившие в пятую группу, отличались от изображенных на фиг. 2 тем, что радиус одной из галтелей был резко уменьшен. Эта галтель окончательно отделывалась тщательно профилированным резцом, так как при шлифовке

171

образцов ее радиус не удалось выполнить достаточно малым. Проверка образцов на компараторе, произведенная после окон­

чательной	обработки,	показала, что радиус галтели находится
в пределах	0,65—0,7	мм.

Образцам на изгиб (фиг. 5) были приданы в наиболее напря­ женном месте одинаковые с соответствующими образцами на кручение размеры и форма. Обработка однотипных образцов на кручение и на изгиб также ничем не различалась.

Следует отметить, что концентраторы напряжений изгото­ влялись на образцах до того, как последние подвергались поверх­ ностной обработке, и лишь в случае обкатки роликами такие

Фиг. 5. Образцы для испытаний на выносли­ вость при изгибе.

концентраторы, как кольцевая канавка, косая канавка и попереч­ ное сверление, были созданы до упрочнения, во избежание веро­ ятного большого обмятия кромок.

Дробеструйная обработка образцов производилась на новой установке ДУ-1, разработанной в ЦНИИТМАШ под руковод­ ством М. М. Саверина [27 ]. Воздействию потока дроби подверга­ лась только рабочая часть образца, головки защищались резиной.

Операция обкатки образцов выполнялась на обычном токар­ ном станке. Приспособление для обкатки было трехроликовое, пружинное, использованное ранее в работе С. Г. Хейфеца [30], и укреплялось на супорте вместо резца. С помощью этого при­ способления обработаны образцы всех серий, подлежащих об­ катке, кроме образцов с галтелью малого радиуса.

Галтели малого радиуса обкатываются, как правило, без перемещения ролика вдоль образующей. Профильный радиус ролика делается приблизительно равным радиусу галтели. Про­ цесс осуществляется с помощью простейшего приспособления, состоящего из вильчатой державки и ролика, сидящего на оси между ее щеками.

При пользовании таким приспособлением давление на ролик остается неизвестным; кроме того, легко может получиться, в связи с малыми размерами галтели, что ролик окажется смещен­ ным на расстояние Ь от надлежащего положения, не попадёт

172

Испытания на усталость

Большинство заготовленных образцов на кручение испытано на новой резонансной машине К-2.

Эта машина осуществляет симметричный цикл нагружения и развивает крутящий момент до 17 кгм\ работает она с постоянной частотой 50 циклов в секунду. Благодаря наличию торсиометра,

Фиг. 14. Схематический чертеж машины К-2.

имеются благоприятные возможности для испытаний образцов различной конфигурации и со всевозможными видами поверх­ ностной обработки.

Фиг. 15. Схематический чертеж	нагружающего
и торсиометрического устройства	машины К-2.

Как показано на фиг. 14, машина состоит из следующих основ­ ных узлов: нагружающего и торсиометрического устройства /, двух электродинамических крутильных возбудителей 2, вари­ атора нагрузки 3, мотор-вентилятора 4 и станины 5.

Нагружающее и торсиометрическое устройство машины (фиг. 15) представляет собой двухмаховиковую крутильно-коле­ бательную систему.

12 Сборник зак. 747

177

Короткий образец 1 жестко соединяется со стержневым торсио­ метром 2 и удлинителем 3. Эти три части вместе образуют упру­ гий элемент системы. Каждый из маховиков, находящихся на

концах упругого элемента,	состоит из трубки 4, запрессован­
ной в головку торсиометра	или удлинителя, и четырех грузов-

гаек 5, закрепленных на трубке. Трубка правого маховика располагается в машине вертикально, а трубка левого — гори­ зонтально.

С маховиками соединяются роторы возбудителей 6, подшип­ ники которых являются опорами всей системы.

Нагружающее и торсиометрическое устройство в целом удер­ живается в определенном положении упругой спицей 7, упираю­ щейся в углубление винта 8, ввернутого в станину.

Благодаря синхронному действию двух возбудителей, разви­ вающих гармонический крутящий момент во взаимно противо­ положном в каждое мгновение направлении, система совершает вынужденные одноузловые крутильные колебания, обеспечиваю­ щие нагружение образца.

На торце трубки, запрессованной в головку торсиометра, и на конце жесткой стрелы 10 укреплены особые шкалы 9 и 12, по разности показаний которых определяется амплитуда крутя­ щего момента.

Захватывающие головки торсиометра и удлинителя пропущены с зазором сквозь вырезы в ограничителях, установленных на станине. Во время испытания ограничители совершенно не касаются головок и только удерживают их при поломке образца и его отсутствии.

Вариатор нагрузки состоит из пары одинаковых воздушных демпферов, поршни которых связаны с концами трубки левого маховика. Изменение площади отверстий для прохода воздуха в демпферах влечет за собой изменение вязкого сопротивления колебательной системы, которое вызывает, в свою очередь, умень­ шение или увеличение амплитуды колебаний нагружающего устройства. Вентилятор доставляет воздух для охлаждения воз­ будителей и образца. Более подробное описание машины дано автором в специальной статье [19].

В ходе испытаний установленная нагрузка периодически про­ верялась и при необходимости корректировалась. Интервал между проверками устанавливался в 15 или 30 мин., в зависимости от предполагаемой долговечности образца. Короткий интервал назначался тогда, когда предполагалась долговечность менее полумиллиона циклов. Частые регулярные проверки гаранти­ ровали надлежащее постоянство нагрузки и своевременное уста­ новление факта поломки образца.

Образование усталостной трещины приводило в связи с уве­ личением трения и расстройством резонанса (потерей жесткости) к самопроизвольному прогрессирующему падению нагрузки. На первых порах амплитуда крутящего момента восстанавливалась

178

Фиг. 16. Схема эксцентриковой машины для испытания образцов на выносливость при кручении.

с помощью вариатора при проверках, но затем это становилось невозможным, и опыт считался законченным.

Для окончательного разрушения образца применялось легкое скручивание его или изгибание рычагом в тисках.

Число циклов нагрузки, которое выдержал образец, вычисля­ лось на основании известных средней частоты нагрузки и про­ должительности эксперимента. В ходе испытаний периодически измерялась вибрационным прибором частота тока, питающего возбудители, с которой совпадает частота нагрузки. За продол­ жительность эксперимента принималось время, прошедшее от запуска машины до той проверки, когда впервые обнаружилось падение на­ грузки, связанное с раз­ рушением образца. Можно думать, что фиксировав­ шееся таким образом чи­ сло циклов соответствует в первом приближении моменту зарождения уста­ лостной трещины.

При попытке испытать на резонансной машине поверхностно закаленные гладкие и с косой канав­ кой образцы выяснилось, что мощность возбудите­ лей недостаточна для по­

лучения нагрузок, превышающих пределы выносливости. Две указанные серии пришлось испытать на эксцентриковой ма­ шине, собранной на базе старого оборудования.

Схема этой машины изображена на фиг. 16. Образец 1 зажат одним концом в захвате, жестко укрепленном на станине, а дру­ гим концом — в захвате, соединенном с рычагом 2. Этот рычаг благодаря шатуну 4 получает движение от эксцентрика, сидя­ щего на конце вала 5, приводимого во вращение электродвигате­ лем 6 со скоростью 1000 об/мин. Эксцентриситет е может меняться.

При работе на данной машине нагрузка устанавливалась по кривой статической тарировки, которая осуществлялась следую­ щим образом. К рычагу 2 привинчивался брусок 7, направлен­ ный в противоположную от оси вращения сторону. На конец бруска навешивался груз, а шатун 4 удалялся. Перемещение конца рычага 2 определялось индикатором 3. Меняя величину груза, строили кривую «перемещение рычага—крутящий момент». Затем груз и брусок снимали, а шатун ставили на его место.

Приступая к испытанию, выясняли по тарировочной кривой перемещение рычага, соответствующее нужной нагрузке, и уста­ навливали эту величину перемещения, меняя эксцентриситет е.

*

179

Что касается испытаний на изгиб, то они проведены на известных уже .машинах У-12 [32], сконструированных

вЦНИИТМАШ С. И. Яцкевичем.

Вэтой машине вращающийся консольный образец нагру­

жается силой, приложенной к его концу. Опасным местом образца является галтель перехода от тонкой цилиндрической части к более толстой зажимной головке.

Результаты испытаний

Пределы выносливости образцов всех видов, установленные на базе 10 млн. циклов, приведены в табл. 1 для изгиба и в табл. 2 для кручения. Полученные данные отражены также в табл. 3.

Следует иметь в виду, что при вычислении напряжений для

образцов с кольцевой		канавкой		в расчет вводился момент сопро-
										Таблица 1
		Гладкие образцы					Образцы с галтелыо малого
Метод упрочнения								радиуса
		кг\ми*			°/о		кг/мм*			°/о
Без упрочнения . .		28,2			100			16,7		100
Дробеструйная обра­		30,5			108			_		_
ботка .............................
Обработка роликами		34.5			121		22,5			135
Поверхностная	за­
калка .............................		48,5			172			-		-
										Таблица 2
		Образцы		Образцы		Образцы		Образцы		Образцы
				с кольцевой		с косой		с попереч­		с галтелыо
Метод упрочнения		гладкие		канавкой		канавкой		ным свер­		малого
								лением		радиуса
		|	.о	3		I		|		|	_о
						5
Без упрочнения . . .		18,7	100	16,5	100	12,0	100	10,5	100	14,4	100
Дробеструйная	обра­	19,5	104
ботка ..................................				17.6	107	15,4	128	1 10	105	15,6	108
Обкатка роликами . .		21,9	117	20,5	124	16,5	133	11,9	113	17,2	120
Поверхностная	за­	35,9
калка ..................................			192	36,7	222	34,5	288	16,0	152	-	-

180