Понятие об усталости материалов. КР. Понятие об усталости материалов Кривая усталости

• Название: Понятие об усталости материалов Кривая усталости
• Анкор: Понятие об усталости материалов
• Дата: 19.04.2023
• Размер: 100 Kb.
• Имя файла: КР.doc
• Тип: Документы; #1073794

\
СОДЕРЖАНИЕ
Понятие об усталости материалов…………………………..……………...3

Кривая усталости………………………………………….…………………3

Предел ограниченной выносливости………………...……………………..3

Усталостный излом…………………………………..………………............4

Механизм усталостного разрушения……………………………………….5

Контактная прочность……………………………………………………….6

Понятие о параметрической надёжности……………………………..........7

Особенности расчета параметрической надежности систем……...............8

Список используемой литературы…………………………………………12

Понятие об усталости материалов.

К динамическим нагрузкам, несмотря на отсутствие значительных инерционных сил, можно отнести периодические многократно повторяющиеся (циклические) нагрузки, действующие на элементы конструкции. Такого рода нагружения характерны для большинства машиностроительных конструкций, таких, как оси, валы, штоки, пружины, шатуны и т. д. Как показывает практика, нагрузки, циклически изменяющиеся во времени по величине или по величине и по знаку, могут привести к разрушению конструкции при напряжениях, существенно меньших, чем предел текучести (или предел прочности). Такое разрушение принято называть «уст а л о с т н ы м». Материал как бы «устает» под действием многократных периодических нагрузок.

Усталостное разрушение – разрушение материала под действием пвторнопеременных напряжений.

Усталость материала – постепенное накопление повреждений в материале под действием переменных напряжений, приводящих к образованию трещин в материале и разрушению.

Выносливость – способность материала сопротивляться усталостному разрушению.

Кривая усталости (кривая Вёлера)

Предел выносливости. Теперь, в дополнение к уже известным нам механическим характеристикам материала, введем некоторые новые, связанные со спецификой циклического нагружения. Эти характеристики могут быть определены путем специально поставленных экспериментов – испытаний на усталость (выносливость).

Кривая усталости показывает, что с увеличением числа цикла максимальное напряжение, при котором происходит разрушение материала, значительно уменьшается. При этом для многих материалов, например углеродистой стали, можно установить такое наибольшее напряжение цикла, при котором образец не разрушается после любого числа.

Предел ограниченной выносливости

Пределом ограниченной выносливости называется максимальное напряжение цикла, при котором материал выдерживает перед разрушением наперед заданное число циклов No, называемое базой испытания.

Предел выносливости материала определяется путем испытания идентичных образцов при различных значениях σmax (но при неизменном коэффициенте асимметрии R и регистрации количества циклов, при котором происходит разрушение каждого образца.

Усталостный излом

Усталостные изломы подобны хрупким и обладают теми же макрофрактографическими чертами статических изломов. Однако им присущи свои отличительные признаки. Усталостные изломы состоят из очага, зоны собственно усталостного излома и статического долома. Такое разделение усталостных изломов исходит из того, что вначале образуется микротрещина в очаге (различные концентраторы напряжений), далее происходит ее распространение до критических размеров и затем - разрушение подобно статическому. Таким образом разрушения при циклических нагрузках отличаются от стати ческих изломов лишь наличием гладкой с матовым блескол. Строение собственно ус талостного излома зависит от большого количества факторов, в частности, от амплитуды циклов, паузы между ними и др При нагружении с разными амплитудами напряжений и nay s между ними в усталостном изломе отмечаются усталостные линии, концентрично расходящиеся от очага разрушения]; от центра.

Усталостные изломы подобны хрупким и обладают теми же макрофрактографическими чертами статических изломов. Однако им присущи свои отличительные признаки и области. Усталостные изломы состоят из очага, зоны собственно усталостного излома и статического доло-ма. Такое разделение усталостных изломов исходит из того, что вначале образуется микротрещина в очаге (различные концентраторы напряжений), далее происходит ее распространение до критических размеров и затем - разрушение подобно статическому.

Усталостный излом происходит в результате многократных циклических изменений напряжений, хотя напряжения имеют величину ниже предела текучести для данного материала, называемую пределом выносливости.

Усталостный излом имеет характер хрупкого скола даже для материалов с отличными пластическими характеристиками.

Усталостный излом наблюдается для полимеров, работающих в условиях переменных нагрузок.  

Усталостный излом, как правило, имеет две зоны: зону собственно усталостного излома с относительно гладкой, притертой, как бы замазанной поверхностью, и вторую зону - грубокристаллическую, имеющую все признаки излома образца с острым надрезом при однократном приложении нагрузки. В первой зоне иногда наблюдаются концентрации линии, напоминающие годичные слои древесины. По первой зоне разрушение происходит постепенно за время, соответствующее большому количеству циклов нагрузки.

Усталостные изломы в противоположность статическим всегда происходят без заметных пластических деформаций.

Усталостный излом характеризуется глубиной развития трещины, степенью и характером наклона поверхности излома, числом очагов и характером линии фронта трещины усталости. Излом штоков под действием знакопеременных напряжений и характер мест излома дают основание считать, что разрушения усталостные.

Усталостные изломы представляют собой непосредственный результат нарушения сплошности материала и являются своеобразной фотографией истории разрушения. При усталостном разрушении на изломе можно обнаружить две зоны: одну мелкозернистую, принимающую даже фарфоровидное строение, а иногда и блестящий шлифований вид, и другую - с волокнистым строением.

Усталостные изломы подобны хрупким и обладают теми же макрофрактографическими чертами статических изломов. Однако им присущи свои отличительные признаки и области. Усталостные изломы состоят из очага, зоны собственно усталостного излома и статического доло-ма. Такое разделение усталостных изломов исходит из того, что вначале образуется микротрещина в очаге (различные концентраторы напряжений), далее происходит ее распространение до критических размеров и затем - разрушение подобно статическому.

Усталостные изломы образцов с немедленной термообработкой после сварки возникали по основному металлу на расстоянии 3 - 5 мм от зоны сплавления или по зоне сплавления, а образцов без термообработки и с термообработкой после остывания плит - по зоне сплавления.

Механизм усталостного разрушения представляется следующим образом. Под действием переменных напряжений на поверхности детали возникает трещина, которая постепенно распространяется вглубь, что приводит к уменьшению фактического поперечного сечения детали. Разрушение наступает тогда, когда площадь поперечного сечения окажется недостаточной, чтобы обеспечить прочное сопротивление приложенным нагрузкам. Удары и толчки ускоряют наступление разрушения.

Механизм усталостного разрушения

Механизм усталостного разрушения еще недостаточно объяснен, и поэтому по многим вопросам нет общепринятой точки зрения.

Механизм усталостного разрушения стали при наличии неметаллических включений изучен мало. Обычно рассматривают [80] три стадии вязкого разрушения металла, вызванного включениями: зарождение трещин у включений, рост трещин и разрушение.

Механизмы усталостного разрушения основного металла и сварного соединения различаются.

Рассмотрим механизм усталостного разрушения, которое даже у очень пластичных сталей происходит без заметной пластической деформации. На изломе усталости наблюдаются две характерные зоны: одна с гладкой фа рфсфовидной поверхностью, другая с кристаллическим строением свежего излома.

Рассмотрим подробнее механизм усталостного разрушения. Разрушение от усталости даже у очень пластичных сталей происходит без заметной пластической деформации. На усталостном изломе можно наблюдать две характерных зоны: одна с гладкой фарфоровидной поверхностью, другая с кристаллическим строением. Первая зона - притертая в процессе циклических нагружений поверхность развивавшейся трещины.  

Рассмотрим подробнее механизм усталостного разрушения. Разрушение от усталости даже у очень пластичных сталей происходит без заметной пластической деформации. На усталостном изломе можно наблюдать две характерные зоны: одна - с гладкой фарфоровидной поверхностью, другая с кристаллическим строением. Первая зона - притертая в процессе циклических нагружений поверхность развивавшейся трещины. На ней видны концентрические линии, расходящиеся от места зарождения трещины. Вторая зона - зона мгновенного разрушения. Она напоминает хрупкий излом при статическом нагружений. На рис. 99 показан излом лопатки турбины, который произошел от усталости.

Контактная прочность

При контактном нагружении сила действует на малом участке поверхности и, как следствие, на поверхностном слое металла возникают высокие локальные напряжения. Этот вид нагружения встре­чается при соприкосновении сферических и цилиндрических тел с плоскими, сферическими или цилиндрическими поверхностями.

При теоретическом решении задачи о напряженном состоянии в зоне контакта упругих тел (Герц, Беляев) предполагают, что нагрузка статическая, материалы тел изотропны, площадка контакта мала по сравнению с поверхностями и действующие усиления направлены нор­мально к этой площадке.

Однозначного решения по точному определению контактных напряжений на настоящее время не существует. Приведем решение, данное Н.М. Беляевым без учёта сил трения на площадке контакта, т.е. для статического нагружения.

Понятие о параметрической надёжности

В теории и практике надёжности важное место занимают постепенные отказы, которые иногда называют также параметри­ческими, а соответствующую часть на­дёжности - параметрической надёжностью.

Параметрические отказы и отказы функционирования имеют непосредственную взаимосвязь. Поэтому для расчётного опреде­ления их количественных величин, опи­сания закономерностей по­явления и прогнозирования моментов их проявления в раз­личные периоды эксплуатации, возникает необходимость в составлении моделей про­цессов развития подобного рода отказов.

При формировании модели сразу возникает вопрос: что считать критерием отказа? Очевидно, что в качестве такого критерия мо­жет быть принято условие, когда анализируемый параметр достиг­нет предельного значения (состояния). Но достижение предельного состояния необязательно означает возникновение отказа в экс­плуатации. Причина этого кроется в самом понятии предельного состояния.

Согласно ГОСТ под предельным понимается такое состояние объекта, при ко­то­ром его дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена из-за нарушения требо­ва­ний безопасности, неустра­нимого выхода заданных параметров за установленные пре­делы, снижения эффективности эксплуатации ниже допустимой или не­обходимости проведения капитального ремонта. При этом признаки (критерии) предельного со­стоя­ния устанавливаются НТД на основе анализа, как несущей способности элементов, так и вы­ход­ных параметров. И если критерии исчерпания несущей способности более строгие, то кри­терии отказа по анализу выходных параметров оказываются достаточно субъек­тив­ными. В самом деле, техническое состояние такой сложной машины, как локомотив, оценивается не одним, а многими выходными параметрами, которые можно разделить на несколько групп.

Особенности расчета параметрической надежности систем

Показатели надежности систем управления рыболовством имеют вероятностную природу. Однако общий ход изменения начальных параметров системы подчиняется определенным функциональным зависимостям.

Расчет параметрической надежности систем связан как с выявлением функциональных связей, определяющих характер изменения во времени выходных параметров систем, так и с установлением вероятностных связей, в т.ч. с прогнозированием надежности систем.

В системах управления рыболовством изменение начальных параметров системы характеризуется большим числом взаимосвязей, различными воздействиями на систему и возникновением неодинаковых по биологической и физической природе изменений системы. Все это приводит к формированию надежности систем, в т.ч. оценке удаленности состояния системы от предельного состояния.

При анализе надежности систем управления рыболовством раскрытие сложных взаимосвязей облегчается по следующим причинам:

-при анализе учитывают лишь те связи, которые играют основную роль в формировании показателей надежности;

-выходные параметры иногда являются независимыми;

-не все процессы проявляются в рассматриваемый промежуток времени;

-последствия отказов системы по разным причинам неравноценны;

-часто можно выделить основные выходные параметры, которые, в первую очередь, необходимо рассматривать при расчете параметрической надежности системы.

С учетом основных процессов в системах управления рыболовством в предыдущих главах приведены многочисленные примеры функциональных зависимостей, связанных с пополнением, ростом, естественной и промысловой смертностью, оценкой взаимосвязи улова с состоянием запаса, интенсивностью и селективностью рыболовства и т.д.

Для выделения функциональных связей, определяющих надежность сложных систем, также рекомендуется строить структурную схему параметрической надежности. На такой схеме выделяют быстропротекающие процессы, процессы средней скорости и медленно протекающие процессы, влияющие на изменение начальных параметров, выходные параметры системы.

Структурную схему строят в два этапа. На первом этапе схему разрабатывают при начальной оценке функциональных связей. В это время о роли отдельных изменений системы можно делать лишь предварительные и априорные суждения. Окончательная разработка системы производится после расчетов или после экспериментальной оценки изменений и выявления функциональных связей.

Для этих систем безотказная работа каждого элемента, установленная при его испытании вне системы, необходимое, но не достаточное условие для безотказной работы всей системы. Здесь работоспособные элементы оказывают побочные воздействия на другие элементы, что может привести к их отказу. Например, частица износа малоответственного узла засоряет отверстие гидропанели, выделение тепла от передач уменьшает точность позиционирования прецизионного узла и т.п. Обычно, чем сложнее система, тем большую роль играют связи между ее элементами, и в этом случае для оценки надежности необходимо рассматривать всю систему с учетом физики процессов взаимодействия и закономерностей процессов старения. В этом случае система превращается в один «элемент», который нельзя расчленять на независимые составные части.

Неправомерность рассмотрения надежности большинства механических систем как расчлененных можно проиллюстрировать даже на таком простом примере, как работа коробок передач или редукторов, передающих движение от ведущего вала к ведомому. Для определения надежности их функционирования (отказы по причине усталости или износа зубчатых передач, подшипников качения и других элементов) или параметрической надежности (возникновение вибраций, повышение шума, снижение КПД) нельзя отдельно определять вероятность безотказной работы, например зубчатых пар подшипников и затем рассчитывать вероятность безотказной работы редуктора как состоящего из независимых элементов.

Изменение состояния подшипников (их износ, деформация, изменения условий контакта тел качения) непосредственно скажется и на условиях работы зубчатых пар. В этих парах возникнут дополнительные кромочные давления и возрастут динамические нагрузки, которые повлияют на их работоспособность. Поэтому данную передачу, как и другие механические системы, необходимо рассматривать как единую динамическую систему и разрабатывать математические модели, отражающие основные связи и зависимости, которые с достаточной степенью достоверности описывают происходящие процессы. Здесь широкое применение находят методы механики и динамики машин, и раскрытие сложных взаимосвязей, является предметом инженерного анализа. Во многих случаях для упрощения зависимостей, описывающих указанные связи, следует учитывать следующие обстоятельства:

-выбираются лишь те взаимосвязи, которые играют основную роль в формировании показателей надежности;

-выходные параметры являются часто независимыми;

-не все процессы, изменяющие работоспособность изделия, проявляются в рассматриваемый промежуток времени;

-последствия различных параметрических отказов изделия не равноценны и часто можно ограничиться рассмотрением лишь некоторых «ведущих» отказов.

Нельзя ставить задачу о раскрытии всех связей системы, что практически и даже принципиально невозможно, а надо разрабатывать модель, которая позволяет оценивать основные процессы, происходящие в системе и моделировать ее поведение в различных условиях эксплуатации.

В общем случае математическая модель сложной системы должна обеспечить генерирование реализации технических характеристик и на их основе расчет областей состояний выходных параметров.

При разработке математических моделей для связанных систем исследуемый объект часто представляют в виде структурной схемы. Однако, эти схемы отличаются от рассмотренных выше структурных схем для расчлененных систем тем, что здесь на основании зависимостей, описывающих протекание процессов в отдельных агрегатах и узлах, должны быть определены взаимодействия между выделенными подсистемами (элементами) и установлено влияние на систему внешних воздействий.

Кроме того, учитываются показатели, которые определяют надежность функционирования двигателя и неразрушенные его агрегатов в течение заданного периода использования.

Для оценки на стадии проектирования параметрической надежности используют функциональные зависимости в соответствии с его структурной схемой, на которой прямоугольники изображают агрегаты и узлы - элементы системы, причем взаимное расположение элементов определено последовательностью их воздействия на потоки массы горючего и окислителя. Направления потоков массы и энергии на схеме указаны стрелками.

Каждый элемент, участвуя в рабочем процессе системы, испытывает воздействие со стороны соседних элементов. Степень этого воздействия математически выражается в виде функциональных зависимостей для выходных параметров элементов.

Помимо воздействий со стороны соседних элементов некоторые элементы технической системы подвергаются воздействию внешних факторов и управляющих команд. Влияние внешних воздействий обычно проявляется в разбросах плотностей компонентов в баках, давлений окислителя и горючего на входе в насосы, в колебаниях давления окружающей среды и т.д., а также дисперсий геометрических размеров конструкций и гидравлических характеристик дросселей, магистралей и газовых трактов.

Внешние воздействия учитывают условия эксплуатации объекта, а предельные отклонения геометрических размеров проектируемых элементов устанавливаются конструктором, исходя из технических возможностей производства. На структурной схеме внешние воздействия обозначены поперечными стрелками с наименованием возмущающего параметра.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Зорин, В.А. Основы работоспособности технических систем / учеб. для вузов / В.А. Зорин. - М.: ООО «Магистр-Пресс», 2005. – 536 с.

Зорин, В.А. Основы работоспособности технических систем / учеб. для студ. высш. учеб. заведений / В.А. Зорин. - М.: Издательский центр «Академия», 2009. – 208 с.

ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия, термины и определения. – Введ. 1990-01-07. - М.: Изд-во стандартов, 1990. – 37 с.

Кубарев, А.И. Надежность в машиностроении / А.И. Кубарев. - М.: Изд-во стандартов, 1989. – 224 с.

Курчаткин, В.В. Надежность и ремонт машин / В.В. Курчаткин, Н.Ф. Тельнов, К.А. Ачкасов [и др.]; под ред. В.В. Курчаткина. - М.: Колос, 2000. – 776 с.

Труханов, В.М. Надежность изделий машиностроения. Теория и практика / В.М. Труханов. - М.: Машиностроение, 1996. – 336 с.