Что заставляет одни металлические детали служить долго, а другие выходить из строя? Ключевым фактором является усталостная прочность, на которую влияют такие факторы, как концентрация напряжений, качество материала и условия окружающей среды. В этой статье рассматриваются эти важнейшие элементы, объясняется, как они влияют на долговечность и производительность механических деталей. Окунитесь в науку, лежащую в основе усталостной прочности, и узнайте практические рекомендации по увеличению долговечности ваших деталей.
Как правило, S-N-кривые, полученные в ходе ручных испытаний, основаны на результатах, полученных на стандартных образцах без надрезов. Однако реальные детали, используемые в реальных условиях, могут иметь различные формы, размеры, состояние поверхности, условия работы и характеристики нагрузки, что может существенно повлиять на усталостную прочность деталей.
Факторы, влияющие на усталостную прочность, можно разделить на три категории: механика, металлургия и окружающая среда. Эти факторы взаимозависимы, что затрудняет комплексную оценку их влияния на усталостная прочность проектирование и прогнозирование усталостной долговечности.
На механические факторы в первую очередь влияют концентрация напряжений и среднее напряжение. Металлургические факторы связаны с качеством материала, таким как его чистота и прочность. Экологические факторы, с другой стороны, включают присутствие коррозионных веществ и высоких температур.
Для деталей железнодорожного транспорта, которые в основном работают в нормальных атмосферных условиях при нормальных температурах, основное внимание должно быть уделено механическим и металлургическим факторам, таким как влияние формы, размера, состояния поверхности и среднего напряжения надреза.
Конкретную информацию о влиянии этих факторов на предел усталости можно найти в соответствующих руководствах и материалах, используя эмпирические формулы.
Цель данной статьи - обсудить важные законы и явления, которые необходимо понимать при проектировании усталостной прочности и прогнозировании усталостной долговечности, а также меры предосторожности, которые необходимо или нежелательно принимать во внимание.
Детали или компоненты часто имеют выемки, такие как уступы, отверстия для болтов, отверстия для масла, шпоночные пазы и т. д. Определяющей характеристикой таких вырезов является то, что площадь поперечного сечения деталей резко изменяется в месте выреза, что приводит к значительному увеличению напряжения в корне выреза. Такое увеличение напряжения называется концентрацией напряжения.
Концентрация напряжений в надрезе является основным фактором, ответственным за снижение усталостной прочности деталей. Концентрация напряжений приводит к тому, что фактическое напряжение в корне надреза значительно превышает номинальное, что приводит к образованию усталостных трещин и в конечном итоге к разрушению или повреждению детали.
Степень концентрации напряжений описывается коэффициентом концентрации напряжений (также известным как теоретический коэффициент концентрации напряжений) Kt, который выражается следующим образом:
Здесь σmax представляет собой максимальное напряжение, а σ0 представляет собой среднее напряжение, рассчитанное путем деления нагрузки на чистую площадь поперечного сечения в надрезе, также называемое номинальным напряжением.
В определенном диапазоне, чем меньше радиус кривизны ρ у корня надреза, тем больше концентрация напряжений и тем больше снижение усталостной прочности. Однако для пластичных материалов, таких как низко- и среднеуглеродистая сталь, по мере уменьшения радиуса кривизны у корня надреза и приближения к нескольким миллиметрам снижение усталостной прочности становится меньше или даже прекращается.
В этом случае коэффициент концентрации напряжений уже не является точным отражением влияния надреза на усталостную прочность. Чтобы более точно отразить истинное снижение усталостной прочности, коэффициент усталостного надреза Kf (ранее известный как эффективный коэффициент концентрации напряжений) часто используется.
Здесь σw0 и σw представляют собой пределы усталости гладких образцов без надрезов и образцов с надрезами, соответственно.
На следующем рисунке показана зависимость между коэффициентом концентрации напряжений Kt и коэффициент усталостного надреза Kf для стали.
Как показано на рисунке, для низко- и среднеуглеродистой стали, когда коэффициент концентрации напряжений меньше 2-2,5, Kt и Кf в целом схожи. Однако при превышении этого значения увеличение Kf значительно замедляется.
Для высокоуглеродистой стали с высоким коэффициентом прочности, Kf линейно увеличивается с ростом Kt на большом расстоянии.
Можно сделать вывод, что усталостная прочность высокопрочной стали очень чувствительна к наличию надрезов, в то время как усталостная прочность низкопрочной и среднепрочной стали менее чувствительна к надрезам.
В целом, Kf меньше, чем Ktно в случае резких надрезов в высокоуглеродистой стали Kt может быть больше, чем Kf. Это также может происходить в деталях болтов, где Kt может достигать 4, а Kf может составлять от 8 до 10. Это связано с неравномерным распределением нагрузки между нитями, при этом несколько нагрузок сосредоточено на одной нити.
Для гладких материалов поверхностная термообработка, такая как поверхностная закалка, науглероживание и азотирование могут эффективно повысить их усталостную прочность. Однако эти методы могут быть неэффективными или даже снижать усталостную прочность материалов с насечками. Это связано с тем, что поверхностная прочность повышается за счет термообработки, но при этом увеличивается и чувствительность к надрезам.
На следующем рисунке показано изменение усталостной прочности высокопрочной стали с надрезом и низкопрочной стали с хорошей пластичностью при увеличении концентрации напряжений. В диапазоне меньшей концентрации напряжений KtПри этом усталостная прочность высокопрочной стали значительно выше, чем низкопрочной. Однако с увеличением коэффициента концентрации напряжений усталостная прочность высокопрочной стали снижается быстрее, чем низкопрочной, в результате чего усталостная прочность высокопрочной стали становится практически равной усталостной прочности низкопрочной стали.
Для сварных компонентов усталостная прочность часто значительно снижается из-за сочетания зона термического влияния расположение вблизи структурного надреза, а также наличие дефектов сварки и остаточного растягивающего напряжения. Это снижение может быть в несколько раз больше нормального или даже более чем в десять раз.
На коэффициент усталостного надреза также может влиять размер деталей. Как правило, для одного и того же надреза коэффициент усталостного надреза увеличивается с увеличением размера.
Для повышения усталостной долговечности материалов с насечками или компонентов с насечками наиболее эффективным является проектирование конструкции и выбор технологического процесса, который снижает или улучшает концентрацию напряжений.
Однако шероховатая поверхность и большие размеры могут снизить усталостную прочность деталей.
Диаметр образца, используемого для усталостных испытаний, обычно составляет 5-10 мм, что значительно меньше реального размера деталей.
Для компонентов, подвергающихся нагрузкам на изгиб и кручение, усталостная прочность снижается с увеличением размера. Однако при осевых нагрузках на растяжение и сжатие размер оказывает минимальное влияние.
Влияние размера на предел усталости представлено коэффициентом влияния размера (ε).
Здесь σd и σd0 представляют собой пределы усталости гладких образцов любого размера и стандартного размера, соответственно.
Влияние размера на высокопрочная сталь больше, чем у низкопрочной стали, а эффект размера более выражен для деталей с шероховатой поверхностью.
Эффект размера в первую очередь связан с влиянием состояния структуры материала и градиента напряжений на усталостную прочность крупных компонентов.
С увеличением размера материала становится сложнее контролировать процесс производства, структура материала становится менее однородной и компактной, увеличивается количество металлургических дефектов и площадь поверхности, что повышает вероятность их появления.
Это приводит к повышенному риску возникновения усталости и трещин на поверхности крупных образцов. Локальная концентрация напряжений, вызванная металлургическими дефектами, приводит к образованию усталостных трещин.
Что касается влияния градиента напряжений, то при изгибе, кручении и других нагрузках, чем больше размер детали, тем меньше градиент рабочих напряжений, тем выше среднее напряжение на единицу площади и тем легче образуются усталостные трещины.
Состояние поверхности влияет на различные факторы, такие как шероховатость поверхности, напряженное состояние поверхности, степень поверхностной пластической деформации, дефекты поверхности и др.
В процессе тестирования используется стандартный образец с полированной поверхностью, однако реальные детали часто имеют обработанные, кованые или литые поверхности.
Механическая обработка может привести к затвердеванию пластика на поверхности детали.
При резке на поверхности часто остаются остаточные сжимающие напряжения, которые повышают усталостную прочность, но лишь в ограниченной степени.
С другой стороны, шлифовка может вызвать остаточное растягивающее напряжение, что негативно сказывается на усталостной прочности.
Кроме того, микрошероховатость обработанных поверхностей может привести к концентрации напряжений и снижению усталостной прочности.
Совокупное влияние этих факторов приводит к снижению усталостной прочности по сравнению со стандартным образцом.
Кованые или литые поверхности обычно имеют большую шероховатость и поверхностные слои упрочнения, а также остаточные сжимающие напряжения, что приводит к значительному снижению усталостной прочности.
В заключение следует отметить, что чем грубее метод обработки поверхности, тем сильнее он влияет на снижение усталостной прочности.
Влияние условий обработки поверхности на усталостную прочность представлено коэффициентом обработки поверхности (β).
Здесь σβ представляет собой предел усталости стандартного гладкого образца при определенном состоянии поверхности, σβ0 представляет собой предел усталости полированного стандартного гладкого образца, а "за границей" означает стандартный гладкий образец с полированной поверхностью.
С точки зрения металлургии, грубая механическая обработка оказывает значительное влияние на усталостную прочность высокопрочных материалов, поэтому высокопрочная сталь может не повысить усталостную прочность в условиях грубой механической обработки. Это объясняется, главным образом, высокой чувствительностью высокопрочных материалов к надрезу на шероховатых поверхностях и минимальным упрочняющим эффектом обработки на поверхности высокопрочной стали.
Мало изучено влияние дефектов поверхности, таких как обезуглероживание, неровности поверхности и царапины, на усталостную прочность. Однако дефекты поверхности, вызванные случайными причинами, могут оказывать значительное влияние на усталостную прочность. Поэтому необходимо уделять достаточное внимание этим вопросам при проектировании и особенно в процессе производства.
Для гладких материалов поверхностная термообработка и другие методы модификации поверхности могут повысить усталостную прочность. Однако для материалов с выемками, таких как реальные детали, эти методы малоэффективны и даже могут оказать негативное влияние. В результате дробь упрочнение и прокатка часто используются для создания закалки и остаточного сжимающего напряжения на поверхности, что повышает усталостную прочность деталей.
Однако эти два метода, как правило, не позволяют значительно повысить усталостную прочность деталей с отверстиями. Последние исследования показывают, что использование простого металлическая матрица снятие фаски на небольшом участке кромки отверстия может значительно повысить усталостную прочность и даже устранить влияние надреза, снизив предел усталости.
В прошлом считалось, что основная причина повышения усталостной прочности при использовании методов поверхностной пластической обработки связана с остаточным сжимающим напряжением, возникающим на поверхности и компенсирующим часть рабочего напряжения.
Однако сжимающее сосредоточенное напряжение, создаваемое остаточным сжимающим напряжением в надрезе, компенсирует негативное влияние надреза. Пластическая деформация усиливает слабые участки вблизи надреза, делая структуру более однородной и повышая общую прочность, что, в свою очередь, повышает уровень напряжения, вызывающего появление усталостных трещин.
Кроме того, под действием остаточного сжимающего напряжения усталостные трещины перестают расти и превращаются в застойные трещины.
Как уже говорилось ранее, основной причиной усталостное разрушение это динамическое напряжение, но компонент статического напряжения, или среднее напряжение, также оказывает определенное влияние на предел усталости. В определенном диапазоне статических напряжений увеличение сжимающего статического напряжения повышает предел усталости, а увеличение растягивающего статического напряжения понижает его.
Широко распространено мнение, что остаточное напряжение оказывает такое же влияние на предел усталости, как и среднее напряжение. Для данного материала можно построить диаграмму пределов усталости на основе результатов определения пределов усталости при различных средних напряжениях или коэффициентах напряжения (R).
На диаграмме ниже представлена безразмерная величина - отношение среднего напряжения (σm) или остаточное напряжение, до предела прочности (σb), по оси x, и отношение амплитуды напряжения (σa) до предела симметричной циклической усталости (σ-1), по оси y.
На рисунке показано, что большинство точек тестовых данных лежит между прямыми и кривыми линиями. Прямая линия называется линией Гудмана, а кривая - параболой Гербера. Линия Содерберга получается путем подстановки предела прочности (σb) с пределом текучести (σs). Аналогично, линия Морроу получена путем замены σb на истинное напряжение разрушения (σf).
Линия Гудмана:
Линия Gerber:
Линия Содерберга:
Линия Морроу:
Линия Гудмана является консервативным и простым подходом для вязких металлов, что делает ее широко используемым методом в усталостном проектировании. Другим часто используемым методом является идеальная улучшенная диаграмма Гудмана.
На следующем рисунке показана идеальная улучшенная диаграмма Гудмана для стальной стыковой балки I-образной формы при изгибной усталостной нагрузке. Ось x представляет минимальное напряжение (σмин), ось y представляет максимальное напряжение (σmax), а линейное уравнение выглядит следующим образом:
Где m - наклон линии Гудмана, b - перехват линии по оси y, а это предел усталости цикла пульсаций, когда минимальное напряжение равно нулю.
Когда предел усталости выражается максимальным напряжением, а именно σ w= σ Максс учетом коэффициента напряжения R= σ max/ σ Мин.
Линия Morrow включает в себя:
Предел усталости при заданном коэффициенте напряжения (R) может быть рассчитан по приведенной выше формуле. Однако реальная конструкция автомобиля гораздо сложнее, чем условия испытаний, при которых была получена кривая S-N, например тип сварки и концентрации напряжений.
Американский стандарт AAR содержит ценные рекомендации по усталостной прочности различных сварочных конструкций, поэтому значения "b" и "m" в реальных расчетах взяты из стандарта AAR.
Результаты испытаний показывают, что влияние компонентов статической нагрузки на коэффициент концентрации напряжений, коэффициент размеров и коэффициент поверхности незначительно и может быть проигнорировано.
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO