Глава IV
Сопротивление усталости сталей при асимметричном нагружении
Многие детали машин и механизмов, в том числе элементы рабочих колес мощных гидротурбин, эксплуатируются в условиях воздействия асимметричного нагружения. При этом часто среднее напряжение асимметричного цикла является напряжением растяжения значительной величины.
В общем случае запас прочности в расчете сопротивления усталости материала, работающего при асимметричном цикле нагружения, определялся по формуле
(14)
где пσ — запас усталостной прочности; σ_1 — предел выносливости при изгибе, с симметричным циклом нагружения; (kσ)D — коэффициент, учитывающий влияние масштабного фактора; φσ — коэффициент, определяющий относительное уменьшение предельной амплитуды с ростом среднего напряжения цикла (численно равный абсолютному уменьшению предельной амплитуды на единицу среднего напряжения).
Коэффициент, учитывающий влияние среднего напряжения цикла на его амплитуду,
(15)
где σ0 — предел выносливости при пульсирующем цикле нагружения.
Коэффициент φσ существенно зависит от свойств материала, изменяемых как термической, так и механической обработкой. Однако эта зависимость еще недостаточно полно изучена, и в разных исследованиях величина φσ различна. Для сталей в зависимости от предела прочности значения даны ниже [89].
По данным И. В. Подзолова для различных сталей с σΒ = = 70-80 кгс/мм2 коэффициент ψσ = 0,23-0,32.
В. П. Когаев [89] отмечает, что коэффициент ψσ обычно равен 0,1—0,2 для углеродистых сталей и 0,2—0,3 для легированных сталей. Однако для стали типа Ст3 в среднем ψσ= 0,20-0,34.
Приведенные значения коэффициента ψσ нельзя считать общими для всех случаев, так как для указанных сталей (особенно легированных) значительное изменение свойств (в том числе и сопротивление усталости) может быть вызвано термической и механической обработкой. Так, Д. С. Еленевский [32], исследо- вавщий влияние поверхностного упрочнения цементацией стали на ее сопротивление усталости при асимметричном нагружении, получил ψσ = 0,12-0,64.
Приведенные примеры говорят о том, что в настоящее время нет единого мнения о механизме изменения максимальной амплитуды переменного асимметричного нагружения в зависимости от изменения среднего напряжения цикла.
Влияние средних напряжений цикла на коэффициент ψσ для данных конкретных случаев определяется опытным путем (различные материалы, формы и размеры образцов, различные условия нагружения и т. д.).
Рассмотрим сопротивление усталости сталей в случае, когда среднее напряжение цикла изменяется циклически по времени с малой частотой.
При асимметричном нагружении, как правило, предполагают, что среднее напряжение постоянно. Однако в ряде случаев, в том числе при эксплуатации лопастей рабочих колес гидротурбин, статическое напряжение (средняя составляющая асимметричного цикла) периодически изменяется.
При циклически изменяющемся среднем напряжении существенно влияние этого изменения на долговечность образцов. Так, предельная амплитуда цикла при постоянном среднем напряжении цикла 12,5 кгс/мм2 на базе 107 циклов и частоте нагружения 2000 цикл/мин оказалась равной 28 кгс/мм2.
Предельная амплитуда цикла при изменении среднего напряжения цикла с амплитудой 7,5 кгс/мм2 (от 5 до 20 кгс/мм2) понизилась до 22 кгс/мм2 [6].
Таким образом, предельная амплитуда цикла при среднем напряжении, изменяющемся циклически, меньше, чем предельная амплитуда при постоянном среднем напряжении цикла.
*Зайцев Г. З., Шур Д. М., Баландин И. Н. Авторское свидетельство № 193767. Класс 42к 34/04. Бюллетень — «Изобретения, промышленные образцы, товарные знаки», № 7, 1967.
Рис. 37. Полные диаграммы усталости стали 0Х12НДЛ:
1 — гладкие образцы, испытания на воздухе; 2 — гладкие образцы, испытания в воде; 3 — образцы с надрезом, испытания на воздухе; 4 — образцы с надрезом, испытания в воде
