Циклическая прочность материалов,механизм усталостного разрушения.Малоцикловая и многоцикловаяусталость материалов.

___________________________________________________________________________________

Общие понятия и определения циклического нагружения

Сопротивление материалов действию нагрузок, меняющих свою величину или величину и знак во времени, существенно отличается от сопротивления тех же материалов статическому и ударному действию нагрузок.

В условиях действия повторно-переменных нагрузок

(и соответствующих им напряжений) работают различные элементы конструкций и даже целые конструкции.

Разрушение материалов под действием переменных во времени нагрузок наблюдается ПРИ РАБОЧИХ НАГРУЗКАХ (напряжениях), ВЕЛИЧИНА КОТОРЫХ НАМНОГО МЕНЬШЕ в сравнении с их допускаемыми значениями.

Разрушение конструкции ЧАЩЕ ВСЕГО происходит ВНЕЗАПНО, что ОЧЕНЬ ОПАСНО!

Проблема разрушения материалов под действием переменных во времени нагрузок возникла перед инженерами и учеными очень давно, интерес к ней не ослабевает уже второе столетие.

К таким конструкциям и их элементам можно отнести:
– мостовые сооружения (несущие конструкции, элементы фермы моста, сварные соединения);
– несущие конструкции транспортных средств;
– сварные конструкции и соединения;
– валы (в том числе и коленчатые валы) и оси (например, вагонных колес);
– штоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания, паровых машин и т.п.;
– болты, шпильки в разъемных соединениях;
– подшипниковые узлы;
– шестерни и т.п.

Поэтому явление разрушения под действием переменных во времени нагрузок изучают специалисты различных отраслей.

Цикл, период цикла

Рассмотрим механизм появления переменных нагрузок (напряжений) на примере оси вагона.

При движении ось вагона вращается и нагружена собственным весом вагона и весом перевозимого груза.

При статическом действии нагрузок F на ось она нагружена изгибающими моментами, имеет круглое

Из эпюры М_X видим, что в данный момент времени сжаты нижние волокна. Средняя часть бруса испытывает прямой чистый изгиб. Опасными в данном случае, являются сечения на опорах.

Согласно теории изгиба в сечении бруса возникают нормальные напряжения, которые определяются по формуле Навье. Для точки В сечения вала:

Величина нормального напряжения прямо пропорциональна действующему в сечении изгибающему моменту (по величине не меняется) и положению точки (координате y).

При движении колеса жестко соединенная с ним ось вращается с частотой ω. Следовательно, через каждые 180⁰ знак М_X будет меняться на противоположный.

Закон изменения координаты y можно записать в виде:

Таким образом, график изменения y во времени t изображается синусоидой.

Следовательно, и нормальные напряжения

(см. 1) будут изменяться во времени:

по знаку и величине по такому же – синусоидальному закону.

ЦИКЛ НАГРУЗОК (НАПРЯЖЕНИЙ) N – есть совокупность всех последовательных значений переменных нагрузок (напряжений)
за один период процесса их изменения.

ПЕРИОД ЦИКЛА Т – есть промежуток времени между двумя последующими максимальными (или минимальными) значениями нагрузок (напряжений).

Многочисленные эксперименты показали, что вид кривой не имеет определяющего влияния на прочность. Иначе говоря, при обработке результатов измерений нагрузок (напряжений), полученные кривые аппроксимируют синусоидой).

Максимальное и минимальное напряжение в цикле, средние и амплитудные значения напряжений

Упомянутые выше эксперименты показывают, что прочность материала конструкций при их повторно-переменном нагружении зависит в первую очередь от значений максимального и минимального напряжений в цикле.

В зависимости от вида нагружения в статике (действующих силовых факторов), в поперечных сечениях возникают или нормальные или касательные напряжения.

Поэтому при расчетах на повторно-переменное нагружение проводят расчеты и по и по.

Все рассуждения при изложении данной темы будем проводить для нормальных напряжений.

В случае действия касательных напряжений рассуждения и выводы аналогичны.

Введем обозначения и дадим определения:

максимальное (наибольшее по величине) напряжение в цикле;

минимальное (наименьшее по величине) напряжение в цикле;

среднее напряжение в цикле (алгебраическая полусумма максимального и минимального напряжений):

амплитудное напряжение в цикле (алгебраическая полуразность максимального и минимального напряжений):

Знак среднего напряжения может быть, как (+), так и (–), знак амплитудного напряжения всегда (+).