12.5.2. Влияние качества поверхности на сопротивление усталости

Как уже отмечалось, усталостное разрушение почти всегда начинается с поверхности, точнее, в приповерхностном слое. В связи с этим становится понятным существенное влияние состояния этого слоя на сопротивление усталости. При изготовлении детали именно приповерхностный слой подвержен различного рода воздействиям, могущим существенно изменить свойства этого слоя как в лучшую, так и в худшую стороны.

Одним из основных факторов, влияющих на свойства слоя, является геометрический фактор. Чем выше шероховатость поверхности, тем эффективнее микроконцентраторы напряжений, представляющие собой чередование выступов и впадин профиля поверхности, и, соответственно, ниже предел выносливости. Кроме того, на предел выносливости оказывают влияние и другие факторы, такие как наклеп, наведение в процессе обработки остаточных напряжений, обезуглероживание приповерхностного слоя или насыщение его какими либо элементами и т.д.

Влияние геометрического фактора при расчетах на усталость учитывается коэффициентом влияния шероховатости поверхности ,, равным отношению пределов выносливости образцов с данным качеством поверхности к пределу выносливости гладкого полированного образца. Значения этих коэффициентов лежат в следующих пределах: для шлифованных образцов 0,8–0,9, тонкого точения 0,7–0,9, грубого точения, фрезерования – 0,6–0,7. Меньшие значения относятся к материалам высокой прочности. Чем более прочный материал, тем более высокие требования предъявляются к качеству обработки поверхности детали для реализации его резерва прочности.

Влияние различного вида упрочнений поверхностного слоя учитывается коэффициентом влияния поверхностного упрочнения , равным отношению пределов выносливости упрочненной и неупрочненной детали. В зависимости от примененного технологического процесса упрочнения этот коэффициент может достигать нескольких единиц.

12.5.3. Влияние размеров детали на сопротивление усталости

Опыты показывают, что с увеличением размеров деталей их предел выносливости уменьшается. Такой характер влияния размеров на характеристики сопротивления усталости носит название масштабного эффекта. Масштабный эффект объясняется статистической теорией и связан с тем, что при прочих равных условиях зарождение усталостной трещины начинается, в первую очередь, в наименее прочных объемах материала (гипотеза слабого звена), а с увеличением объема детали повышается вероятность попадания ослабленных объемов материала в наиболее нагруженные области.

При расчетах на прочность масштабный эффект учитывается масштабным коэффициентомK_dσ, K_dτ, равным отношению предела выносливости образца, размер которого соответствует размеру рассчитываемой детали, к пределу выносливости стандартного лабораторного образца. На рис. 12.8 показана типичная зависимость масштабного коэффициента от диаметра круглого вала из углеродистой конструкционной стали средней прочности.

Масштабный эффект наиболее заметен для деталей малого размера. С увеличением диаметра масштабный эффект затухает, и после достижения диаметром размера 100–150 мм дальнейшее его проявление почти полностью прекращается.