5.4.3. Влияние состояния поверхности

В большинстве случаев поверхностные слои деталей, подверженных действию циклических нагрузок, оказываются более напряжёнными, чем внутренние (в частности, это имеет место при изгибе и кручении). Кроме того, поверхность детали почти всегда имеет много дефектов, связанных с качеством механической обработки, а также с коррозией вследствие воздействия окружающей среды. Поэтому усталостные трещины, как правило, начинаются с поверхности, а плохое качество последней приводит к снижению сопротивления усталости.

Влияние состояния поверхности на выносливость оценивается коэффициентом, который равен:

. (5.17)

где σ_-1П – предел выносливости образца с заданным состоянием поверхности;

σ_-1 – предел выносливости полированного образца.

Зависимость коэффициента от предела прочности стали для разных видов обработки и при наличии коррозии приведена на рис.5.11, где кривая 1 соответствует полированным образцам, 2 – шлифованным, 3 – образцам с тонкой обточкой, 4 – с грубой обработкой, 5 – необработанным с наличием окалины, 6 – образцам в пресной воде, 7 – в морской воде или в пресной с концентрацией напряжений.

Кривые 6 и 7 на рис.5.11 показывают, сколь существенно влияние коррозии на усталостную прочность. Необходимо отметить, что с увеличением времени наработки в коррозионной среде сопротивление усталости непрерывно падает. Это объясняется возникновением и развитием коррозионных микротрещин, которые становятся дополнительными источниками концентрации напряжения.

В соединениях, осуществляемых с помощью прочных посадок (прессовых, фланцевых, замковых и т.п.), при воздействии переменных напряжений возникают микросмещения, приводящие к разрушению поверхностного слоя, – это явление называется фреттинг–коррозией. При наличии фреттинг–коррозии К_F = 0,4  0,6 для деталей из среднеуглеродистых легированных сталей.

Рис.5.11

Одним из эффективных способов увеличения выносливости деталей является упрочнение поверхности - повышение твёрдости, создание сжимающих напряжений. При этом эффект поверхностного упрочнения характеризуется коэффициентом К_υ. В табл.5.2 приведены значения К_υ для различных упрочняющих технологий.

Таблица 5.2

Способ упрочнения	Кυ для детали
	с концентрацией напряжений	без концентрации напряжений
Пластическое деформирование (наклеп) с помощью обдувки дробью, обкатки роликом, алмазного выглаживания и т. п.	1,3  2,2	1,1  1,4
Химико-термическая обработка – цементация, азотирование, цианирование	1,3  2,5	1,1  1,3
Закалка токами высокой частоты	1,2  2,5	1,1  1,2
Специальная термическая обработка – умеренный нагрев и быстрое охлаждение поверхности	1,6  2,5	1,2  1,5

Остальные факторы, перечисленные в начале п.5.4, влияют на выносливость значительно меньше.

Влияние пауз. На усталостную прочность имеют влияние паузы - перерывы в нагружении. Число циклов до разрушения может увеличиваться на 15  20%. Увеличение тем больше, чем чаще паузы и чем они длиннее.

Влияние температуры. С повышением температуры предел выносливости обычно падает (после 300⁰С примерно на 15  20% на каждые 100⁰), а с понижением её – растёт (вдвое при охлаждении до –190⁰ С).

Частота нагружения. Увеличение частоты нагружения приводит к некоторому повышению усталостной прочности. По опытным данным увеличение частоты от 30  50 до 1000 Гц приводит к повышению предела выносливости на 10 20%. Снижение частоты нагружения с 30  50 до 0,13 Гц приводит к такому же уменьшению предела выносливости.