Міцність при динамічних і змінних навантаженнях

За характером дії в часі напруження можуть бути постійними і змінними. При одноразовому навантаженні на елемент конструкції веде до деякого перерозподілу напружень в металі і не викликає його руйнування. При дії змінних напружень в окремих січеннях елементів з пониженою міцністю виникають мікроскопічні тріщини. Кристалічна будова металу в зоні тріщини руйнується, що приводить до росту тріщини у глибину тіла. В результаті розвитку тріщини січення послаблюються, що призводить до остаточного руйнування деталей. Явище зменшення міцності матеріалу при змінних навантаженнях за рахунок розвитку мікротріщин називається втомленістю матеріалу, а властивість матеріалу чинити опір руйнуванню від втомленності називається витривалістю. В часі напруження можуть змінюватися періодично і не періодично.

Зміну напружень в часі можна зобразити на графіку — по осі абсцис відкладається час, а по осі ординат значення нормальних (дотичних) напружень. Так, при рівномірному обертанні вала ( ), який знаходиться під дією постійного згинаючого навантаження F (рис.1), нормальні напруження на поверхні січення вала визначаються за формулою:

(1)

де у — віддаль від нейтральної осі ( y = r cosj = r coswt).

Рис. 1. Схема випробування на втомленість при змінних навантаженнях (а) та цикл напружень в часі (б)

Сукупність всіх значень змінних напружень за один період називають циклом напружень; час Т, на протязі якого проходить один цикл називають періодом, а число циклів за одну секунду — частотою циклу. Цикли можуть бути симетричні і асиметричні (рис.2.).

Рис. 2. Цикли втомлюючих випробувань

а) ;

б)

в) — додатнє значення;

г) — від’ємне значення.

Цикл нормальних напружень характеризують наступні параметри:

1) алгебраїчно найбільше напруження циклу, ;

2) алгебраїчно найменше напруження циклу, ;

середнє напруження циклу, ;

амплітуда циклу, ;

коефіцієнт асиметрії циклу, ;

характеристика циклу, .

Середнє напруження циклу може бути як додатнім так і від’ємним. Амплітуда циклу завжди додатня. Максимальне та мінімальне напруження можна виразити через середнє напруження і амплітуду циклу:

, . (2.)