12. Переменные напряжения

12.1. Основные понятия об усталостном разрушении

При эксплуатации инженерных сооружений и машин во многих элементах при определенных условиях нагружения возникают напря­жения, которые периодически меняются во времени между некоторы­ми определенными значениями. Такие напря­жения называютоя переменными или циклическими напряжениями. Процесс образования и развития трещин в материале от действия переменных напряжений называетоя усталостным разрушением. Сопротивляемость материа­ла переменным напряжениям называется выносливостью материала. Наибольшее периодически изменяющееся напряжение, которому ма­териал противостоит неограниченное время, называется пределом выносливости материала.

Усталость – разрушение при постоянном развитии трещин. Примерно 90% всех поломок частей машин является следствием развития трещин усталости. Усталостные напряжения – напряжения, переменные по величине и повторяющиеся большое число раз.

Изменение величин напряжений в деталях машин и сооружений может происходить или вследствие изменения величин нагрузки (напряжение в стенке цилиндра двигателя внутреннего сгорания вследствие изменения давления газовой смеси), или вследствие изменения положения детали при действии постоянной нагрузки (ось вагона).

Характер изменения напряжения в детали машины или сооружения может быть неустановившимся и установившимся. Из различных видов установившихся переменных напряжений наибольшее значение имеют циклические напряжения.

Изменение напряжений за один период называется циклом напряжений. Циклом изменения напряжения называется однократная смена напряжения (от наибольшего к наименьшему и обратно); если такой цикл во время работы детали непрерывно повторяется, то напряжения в ней называются циклическими.

Действию циклических напряжений подвергаются оси вагонов, валы, шатуны, лопатки, турбин и т.д.

Изменение напряжений за один период называется циклом напряжений.

Различным законом изменения напряжений соответствуют различные виды циклов.

Закон изменения напряжений во времени может быть выражен кривой, построенной в системе прямоугольных координатных осей: время (t) и напряжение σ или (τ) (Рис. 1).

Рис. 1. Закон изменения напряжений во времени

Основными параметрами цикла напряжений являются:

– минимальные и максимальные напряжения σ_min и σ_max;

– амплитуда напряжений σ_a:

;

– среднее напряжение цикла:

.

Отношение минимального напряжения σ_min к максимальному σ_max называется коэффициентом асимметрии цикла

.

В зависимости от соотношения σ_min и σ_max циклы носят разные названия.

При симметричном цикле σ_max = - σ_min; σ_m = 0; r = – 1 (Рис. 2.).

Рис. 2. Симметричный цикл

При знакопостоянном положительном асимметрическом цикле (Рис.3)

σ_max > 0; σ_min > 0; σ_m = 0; 0 < r < 1

Рис. 3. Знакопостоянный положительный асимметрический цикл

При знакопеременном асимметрическом цикле (Рис. 4)

σ_max > 0; σ_min < 0; –1 < r < 0

Рис. 4. Знакопеременный асимметрический цикл

При положительном отнулевом (пульсирующем) цикле (Рис.5)

σ_max > 0; σ_min = 0; σ_m = σ_а = ; r = 0

Рис. 5. Положительный отнулевой (пульсирующий) цикл

Циклы называют подобными, если они имеют одинаковый коэффициент асимметрии.