Реальным деталям машин и элементам сооружений свойственны формы, вызывающие более или менее значительную концентрацию напряжений. Всевозможные резкие изменения сечений, отверстия, надрезы, присоединенные части и многие другие факторы спо­собны вызвать местное повышение напряжений на опасную для прочности величину. Помимо конструктивных причин, концентра­цию напряжений могут вызвать также технологические причины (наличие неметаллических включений, пор, непроваров при сварке или наплавке, трещин и пр.) и эксплуатационные (коррозионные и эрозионные повреждения, задиры, контактирование с сопряжен­ными деталями и пр.).

Местное повышение напряжений определяют расчетным или экспериментальным методом (оптический метод, тензометрирова - ние, электроаналогия и пр.) и выражают теоретическим коэффи­циентом

где отах и ттах — максимальные значения напряжений в зоне концентратора; ah и тн — номинальные напряжения без учета концентрации.

Численные значения коэффициентов зависят от формы и раз­меров концентраторов и для широкого круга деталей машин и элементов сооружений находятся в следующих пределах: 1 < < аа < 6 и более; 1 < ах < 4 и более.

Для распространенных типовых случаев значения сс„ и ат можно найти в соответствующих справочниках и монографиях 1158]. Вычисление их в общем случае представляет некоторые трудности. Как правило, величины а„ и ат находятся в зависи­мости от глубины и остроты выточек. Так, для цилиндрического стержня с кольцевой неглубокой выточкой глубиной t ц радиусом закругления р

Сопротивление усталости образцов металла и деталей машин понижается в зонах концентрации напряжений в предельном случае на величину, отвечающую величине теоретического коэф­фициента концентрации напряжений. Как правило, это снижение несколько меньше и выражается так называемым эффективным (или действительным) коэффициентом концентрации напряжений: где са; та; оа (к) и та, к) — экспериментально полученные пре­дельные амплитуды напряжений для образца без концентратора напряжений и с концентратором напряжений. При этом ос„

л Ко', С’ Кг-

Степень сближения величин эффективного и теоретического коэффициентов концентрации напряжений зависит от свойств металла, степени концентрации и условий испытания. Чем пла­стичнее и мягче металл, тем больше сглаживается пик напряжений в зоне концентраторов и тем больше отличается эффективный ко­эффициент от теоретического. Только для высокопрочных и мало­пластичных материалов полностью сглаживается разница между указанными коэффициентами. По разнице значений теоретиче­ского и эффективного коэффициентов судят о чувствительности материалов к концентрации напряжений. Последняя количе-

СТВенно определяется как отношение соответствующих циентов, уменьшенных на единицу:

Коэффициенты чувствительности к концентрации напряжений принимают значения в пределах 0 у qc 1; 0 qx 1. При q = 0 материал полностью нечувствителен к концентрации и Ко = 1 или Кх = 1. При q 1 материал имеет максимальную чувствительность к концентрации и Ко = а0 или Кх = сст.

ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ

Состояние поверхности после механической или тепловой об­работки деталей может сказываться на сопротивлении усталости по двум причинам: 1) следы инструмента на поверхности, остаю­щиеся после механической обработки, действуют как концентра­торы напряжений с присущими им неблагоприятными проявле­ниями и 2) образование физико-химических изменений в поверх­ностных слоях металла после механической, химической или те­пловой обработок способно существенно влиять на сопротивление металла усталости как в неблагоприятную, так и в благоприятную сторону.

После того как было установлено, что поверхность деталей — ее качество и механические свойства — является основным факто­ром, определяющим их усталостную прочность, требования к ней резко возросли. Даже тщательно обработанная поверхность является носителем если не конструктивных (галтель, выточка), то технологических (следы механической обработки) или экс­плуатационных (царапины, коррозия) концентраторов напряже­ний. Опыт эксплуатации машин говорит о том, что потенциальные возможности материалов (особенно высокопрочных) проявляются лишь в том случае, когда качество поверхности детали удовле творяет высоким требованиям.

Предел выносливости образцов из стали А (табл. 1), поверх­ность которых не обрабатывали после прокатки, составляет лишь 70% от предела выносливости тонко полированных образцов. Для стали В с более высоким пределом прочности это соотношение еще меньше и составляет лишь 35%.

Даже незначительное механическое повреждение поверхности или ее дефекты могут послужить очагами зарождения устало­стной трещины и предопределить преждевременное разрушение детали. Риски и надрезы, являющиеся следами механической обработки, особенно опасны в том случае, когда их направление перпендикулярно главному растягивающему напряжению. Для устранения концентраторов напряжений обычно применяют шли­фование, полирование и тому подобные технологические процессы, однако даже после тщательного полирования поверхность детали все же сохраняет микроскопические риски и надрезы.

Отрицательное влияние оказывают и те растягивающие вну­тренние напряжения, которые возникают вследствие технологи­ческих процессов. Даже при нормально проведенном шлифова­нии неблагоприятные внутренние растягивающие напряжения поверхностных слоев могут достигать значительной величины.

При шлифовании закаленных деталей, особенно в местах рез­кого изменения их сечения, где наличие дефектов поверхности или вредных растягивающих напряжений особенно опасно, не­редко в результате задержки шлифовального круга наблюдается местный нагрев металла и его отпуск. При этом металл теряет высокие механические качества, приобретенные в результате за­калки, что, несомненно, резко отражается на усталостной проч­ности детали. Внутренние напряжения того же характера, что и при шлифовании, но несколько меньшие по своей величине, могут возникнуть вследствие полирования, проводимого при больших скоростях. Это имеет место при полировании наждачной бумагой, а также суконными или фетровыми кругами. Таким образом, тех­нологические процессы, преследующие цель улучшения микро - и макрогеометрии поверхности, в некоторых случаях могут оказаться не столь полезными, сколь вредными

Внутренние напряжения, возникающие при технологических процессах изготовления деталей (отливке, термической обработке, правке, сварке и т. п.), а также напряжения, появляющиеся в процессе эксплуатации, представляют не меньшую опасность, усугубляющуюся тем, что во многих случаях неизвестны вели-

чины и характер их распределения по сечению и объему изделия. Существенное понижение прочности деталей нередко получается именно в результате действия этих напряжений, возникновение которых иногда связано лишь с незначительным нарушением тех­нологического режима.

Обнаружить неблагоприятное распределение внутренних на­пряжений в деталях или пониженную твердость поверхностных слоев часто затруднительно. Обычно эти дефекты не отражаются на твердости, измеряемой общепринятыми (по Роквеллу, Бри - неллю) или специальными (микротвердость) методами. В первом случае на показаниях твердости отражается влияние глубже рас­положенных слоев, во втором разброс, связанный с различной твердостью отдельных составляющих микроструктуры, столь ве­лик, что не позволяет сделать определенных выводов.

Поверхность обладает пониженной усталостной прочностью не только потому, что она несет большое число различных концен­траторов напряжений или испытывает влияние дополнительных растягивающих напряжений, но также потому, что она является границей металла, нарушающей целость его кристаллических зерен.

Поверхностные слои определяют прочность детали в целом также и потому, что при основных видах напряженного состоя­ния в реальных деталях (изгиб, кручение) эти слои испытывают максимальное напряжение от внешних нагрузок. Поэтому упроч­нение поверхности является радикальной и эффективной мерой повышения усталостной прочности детали в целом.