Усталостное разрушение напряженно-деформированного состояния тел
Учебные материалы


Усталостное разрушение



Усталостное разрушение


Многие детали машин и элементы сооружений в процессе эксплуатации подвергаются действию нагрузок, меняющихся во времени. Сопротивление материалов действию таких нагрузок существенно отличается от сопротивления действию статической нагрузки. При этом под действием переменных нагрузок элементы конструкций разрушаются при значительно меньших напряжениях, чем под действием статических нагрузок.
Практикой установлено, что если элемент конструкции многократно подвергать переменному нагружению определенного уровня, то после некоторого числа перемен напряжений в нем появится трещина, которая постепенно будет развиваться. В конце концов, деталь разрушится, не дав при этом заметных остаточных деформаций даже в том случае, когда ее материал высоко пластичен.
Число циклов до появления первой трещины и до полного разрушения стержня будет тем больше, чем меньше напряжение. Характерно, что разрушение материала под действием повторно-переменных нагрузок может произойти при напряжениях ниже предела текучести. Разрушение материала под действием повторно-переменных напряжений называется разрушением от усталости.
Вообще же усталостью материала называют явление разрушения в результате постепенного накопления в них повреждений, приводящих к возникновению усталостной трещины при многократном повторении нагружений.
Способность материалов сопротивляться разрушению при действии повторно-переменных напряжений называется выносливостью материала.
Усталостное разрушение наблюдается при наличии одной из следующих особенностей приложения нагрузки:
- многократное приложение нагрузки одного знака (рис.55);

Рис.55
- многократного повторения нагрузки, периодически изменяющейся не только по величине, но и по знаку (рис.56).



Рис.56
Для разрушения от усталости недостаточно переменности напряжений. Необходимо также, чтобы напряжения имели определенную величину.
Максимальное напряжение, при котором материал способен сопротивляться, не разрушаясь, при любом произвольно большом числе повторений переменных напряжений, называется пределом выносливости.
Излом детали от усталости имеет характерный вид. На нем почти всегда можно наблюдать две зоны. Одна из них гладкая, притертая, образованная вследствие постепенного развития трещины, другая – крупнозернистая, образовавшаяся при окончательном изломе ослабленного развившейся трещиной сечения детали.
Механизм образования трещин при повторно-переменных нагрузках весьма сложен и не может считаться полностью изученным.
Из несомненных положений теории усталости можно отметить следующие:

  • процессы, происходящие при повторно-переменных нагрузках в металле, носят резко выраженный местный характер;

  • из двух видов напряжений – нормальных и касательных – решающее влияние на процессы усталости до образования первой трещины включительно имеют касательные напряжения, вызывающие пластические сдвиги и разрушение.

Развитие усталостной трещины, несомненно, может ускоряться при наличии растягивающих напряжений как у пластичных, так и, в особенности, у малопластичных и хрупких материалов типа чугуна, в которых появление трещины отрыва значительно повышает чувствительность к растягивающим напряжениям.
Образование трещин чаще всего наблюдается в зернах, лежащих ближе к поверхности детали. Объясняется это тем, что поверхностные слои материала в известной степени имеют следы повреждений различными технологическими операциями при обработке детали (внутренние напряжения, следы механической обработки), не говоря уже о тех случаях, когда наружные слои при повторно-переменных нагрузках испытывают наибольшие напряжения (при изгибе и кручении).
Предел выносливости определяют экспериментально. Он зависит от целого ряда факторов, в частности, от формы и размеров детали, способа ее обработки, состояния поверхности детали, вида напряженного состояния, закона изменения нагрузки во времени при испытаниях и т.п.
^

Характеристики циклов


При рассмотрении сопротивления материалов действию переменных напряжений в большинстве случаев инженерной практики предполагается, что эти напряжения представляют собой периодические функции во времени.
Совокупность всех значений напряжений за время одного периода называется циклом напряжений.
На усталостную прочность в основном влияют максимальные max и минимальные min напряжения цикла (рис.57). Кроме них существует понятие среднего напряжения цикла m и амплитуды а.


Рис.57

m =,
а =.

Среднее напряжение может быть как положительным, так и отрицательным, амплитуда же цикла определяется абсолютной величиной (без учета знака). Удвоенная величина амплитуды колебаний напряжений называется размахом цикла. Отношение минимального напряжения цикла к максимальному с учетом знаков этих напряжений называется коэффициентом асимметрии цикла:
r =
Различным законам изменения напряжений соответствуют различные виды циклов:

  • симметричный (max=-min, m =0, r=-1) (рис. 58а);

  • пульсационный или отнулевой (max=0 или min=0, r=0) (рис. 58б);

  • асимметричный (max-min, m 0) (рис. 58в).


а) б) в)
Рис.58

Наиболее опасным является симметричный цикл.
^

Кривые усталости. Предел выносливости


Чтобы определить предел выносливости того или иного материала, нужно на соответствующей испытательной машине испытать партию не менее 10 одинаковых образцов из данного материала.
Пределы выносливости материала при выбранной характеристике цикла будут разными в зависимости от вида деформации, при которой испытываются образцы, т.е. в зависимости от того, при переменных напряжениях растяжения-сжатия, переменном кручении, изгибе или условиях сложного напряженного состояния их испытывают. Поэтому, ставя перед собой цель получения предела выносливости, следует заранее указать, при каком виде деформации и характере изменения напряжений за цикл требуется определить предел выносливости. В соответствии с поставленными требованиями выбирают испытательную машину. Принципиальная схема простейшей машины, предназначенной для проведения испытаний на усталость при изгибе с вращением представлена на рис.59.


Рис.59

При испытании партии образцов с целью получения предела выносливости р необходимо давать такие нагрузки на отдельные образцы, чтобы они разрушались, выдержав различное число циклов нагружения. Чаще всего испытания проводятся при симметричном цикле напряжений. В этом случае предел выносливости обозначается -1.
Обработка полученных экспериментальных данных сопровождается построением кривой усталости (кривой Веллера). Ординаты кривой усталости – значения максимальных напряжений цикла, при которых происходит разрушение детали, а абсцисса – число циклов N, которое выдержала деталь до разрушения (рис.60). Построение усталостной кривой представляет собой весьма трудоемкую задачу.

, МПа

р

N
Рис.60

Строя кривую усталости по точкам разрушившихся образцов, легко убедиться, что, например, при испытании стали, при высоком уровне напряжения кривая круто падает, а по мере снижения их крутизна уменьшается и кривая приближается к некоторой горизонтальной прямой, отсекающей на оси ординат отрезок, величина которого и определяет предел выносливости. Ордината точки на кривой, где последняя практически совпадает с горизонталью, соответствует такому напряжению, при котором образец не разрушится, пройдя число циклов, соответствующее заранее заданной величине, так называемое базовое число циклов.
В процессе длительных испытаний было установлено, что образцы материалов, кривая усталости которых имеет горизонтальный участок, не разрушившиеся при N=107 циклах, не разрушаются и при большем числе циклов. Поэтому испытания таких образцов прекращают при N=107 циклах и в том случае, если они не разрушились.
Для цветных материалов и легированных сталей кривая усталости не имеет горизонтального участка, т.е. для них не удается установить такое число циклов, после которого образец не разрушился бы в дальнейшем. В подобных случаях база испытаний принимается N=108 циклов. В этом случае под пределом выносливости понимается то наименьшее значение максимального напряжения цикла, при котором происходит разрушение образца при базовом числе циклов, и обозначается этот предел -1N.
Следует обратить внимание на то, что результаты усталостных испытаний имеют значительный случайный разброс. Для получения достаточно достоверных характеристик прочности материала при переменных напряжениях нужно испытать много образцов, после чего результаты испытаний подвергнуть статистической обработке.
^

Факторы, влияющие на усталостную прочность материала


На величину предела выносливости образцов или деталей, изготавливаемых из того или иного материала, кроме характеристики цикла влияет целый ряд различных факторов.

  1. Концентрация напряжений.

Наиболее важным фактором, снижающим предел выносливости, является концентрация напряжений, вызванная резким изменением сечения детали. Концентраторами напряжений на практике являются шпоночные канавки, отверстия в детали, малые радиусы закруглений в местах резкого изменения размеров сечений и т.п. Концентрация напряжений, как правило, содействует зарождению усталостной трещины, которая, развиваясь, приводит, в конце концов, к разрушению детали. Для учета влияния концентрации напряжений на предел выносливости вводится эффективный коэффициент концентрации напряжений, равный отношению предела выносливости «гладкого» образца р и образца с концентратором напряжений рк, т.е.
=.
Экспериментально установлено, что коэффициент  уменьшается с увеличением коэффициента асимметрии цикла, т.е. по мере приближения нагружения к статическому, поскольку местные напряжения оказывают малое влияние на статическую прочность материала.
Хотя коэффициент должен определяться для каждого значения коэффициента асимметрии цикла, вследствие недостаточности экспериментальных данных в расчетах обычно используются числовые значения эффективного коэффициента концентрации напряжений для симметричного цикла.
Замечено, что усталостное разрушение в значительной степени зависит от интенсивности уменьшения напряжений в области очага концентрации напряжений. Если местные напряжений убывают достаточно резко, то число зерен материала в зоне высоких напряжений относительно невелико и вероятность зарождения усталостной трещины также относительно невелика.

  1. Масштабный фактор.

Многочисленными испытаниями установлено, что усталостная прочность образцов при всех прочих равных условиях снижается с увеличением их площади поперечного сечения. Как правило, зависимость между пределом выносливости материала и размерами поперечного сечения имеет асимптотических характер, из чего следует, что для очень больших образцов предел выносливости оказывается неизменным. На сопротивление усталости оказывает влияние также длина образцов, хотя оно менее ярко проявляется по сравнению с влиянием размеров поперечного сечения.
В качестве причин появления масштабного фактора можно указать следующие:
- статистический фактор – большая вероятность появления дефектов и перенапряженных зерен материала, что приводит к увеличению вероятности разрушения;
- технологический фактор – влияние способа обработки детали в процессе ее изготовления;
- производственный фактор – ухудшение качества материала с увеличением объема детали, поковки и т.п.
Для неоднородных материалов, имеющих большое число дефектов, влияние масштабного фактора на предел выносливости выражено сильнее, чем для однородных материалов с существенно меньшим числом дефектов.
Влияние абсолютных размеров детали на предел выносливости учитывается с помощью коэффициента масштабного фактора.

  1. Качество поверхности.

Результаты испытаний образцов, поверхность которых имеет разную степень чистоты обработки, свидетельствуют о том, что предел выносливости, полученный для образцов с полированной поверхностью, выше, чем для образцов со шлифованной поверхностью, а последних выше, чем образцов с поверхность, обработанной резцом, и т.п.
Это объясняется тем, что после обработки резцом на поверхности образца остаются надрезы, царапины и т.п., которые при действии переменных во времени нагрузок провоцируют зарождение и последующее развитие трещин.
Для повышения усталостной прочности деталей используются технологические методы упрочнения их поверхности, такие, как наклеп поверхностного слоя путем обдувки дробью или ультразвуком, закалка токами высокой частоты и др.
Положительное влияние указанных способов на усталостную прочность детали объясняется тем, что в поверхностном слое материала создаются сжимающие напряжения, которые затрудняют развитие усталостных трещин. Кроме того, вследствие наклепа повышается прочность материала в поверхностном слое.
Влияние технологических факторов на усталостную прочность оценивается коэффициентом поверхностного упрочнения.

  1. Внешняя среда.

Резкое снижение предела выносливости вызывает коррозия металлов. При этом в поверхностных слоях возникают трещины коррозионной усталости, в основном внутрикристаллические. Около небольших местных коррозионных повреждений возникает концентрация напряжений, причем на дне коррозионной полости появляются максимальные напряжения. Это приводит к более интенсивному развитию коррозии и к постепенному углублению трещин усталости. Снижение предела выносливости вследствие коррозии более существенно для высокопрочных сталей. В целях защиты конструкций от коррозии применяют различные (антикоррозионные) покрытия поверхностей, например их окраску.

^ Основы некоторых методов экспериментального исследования


напряженно-деформированного состояния тел



При теоретическом определении напряжений в стержнях использовались определенные гипотезы, упрощающие решение задачи. Если проверка найденных напряжений или их уточненное исследование выполняются экспериментально, то получаемые результаты в общем случае не полностью укладываются в рамки этих гипотез. Для того, чтобы результаты правильно объяснить и использовать, как правило, требуется более широкий взгляд на деформирование элемента конструкции.
Методы экспериментального определения деформаций и напряжений играют исключительно важную роль в инженерном деле. Они используются как при определении констант упругости и прочности различных материалов, так и для проверки различных теоретических и проектных решений выполняемых на моделях или на реальных опытных объектах.
Экспериментальное изучение распределения деформаций и напряжений в деталях машин и элементах сооружений вызвано рядом причин. При выборе схемы для расчёта того или иного элемента конструкции делается ряд упрощений, что вносит определённые погрешности в расчёт. Возникает необходимость экспериментального уточнения результатов расчёта. Кроме того, расчётные формулы получают, принимая различные гипотезы, поэтому большое значение приобретает проверка этих формул. Наконец, сами по себе элементы машин и конструкций могут иметь настолько сложные формы и схемы нагружения, что их расчёт оказывается весьма затруднительным. В этом случае единственным источником информации о работе детали в механизме является экспериментальное определение деформаций и напряжений.
В настоящее время имеется несколько экспериментальных методов измерения напряжений, из которых наибольшее применение имеют: тензометрический, рентгенографический делительных сеток и поляризационно-оптический методы.
1. Метод тензометрии.
Тензометрический метод заключается в непосредственном измерении деформаций на поверхности деталей и элементов конструкций с помощью механических, оптических, зеркальных, струнных, пневматических и проволочных тензометров.
Наиболее универсальным является электротензометрирование с применением проволочных датчиков омического сопротивления.
Экспериментальное изучение распределения деформаций и напряжений в деталях машин и элементах сооружений вызвано рядом причин. При выборе схемы для расчёта того или иного элемента конструкции делается ряд упрощений, что вносит определённые погрешности в расчёт. Возникает необходимость экспериментального уточнения результатов расчёта. Кроме того, расчётные формулы получают, принимая различные гипотезы, поэтому большое значение приобретает проверка этих формул. Наконец, сами по себе элементы машин и конструкций могут иметь настолько сложные формы и схемы нагружения, что их расчёт оказывается весьма затруднительным. В этом случае единственным источником информации о работе детали в механизме является экспериментальное определение деформаций и напряжений.
Широкое распространение получил метод тензометрии, состоящий в измерении малых деформаций на поверхности детали и в последующем переходе от них к напряжениям с использованием закона Гука.
При определении малых напряжений методом тензометрии экспериментально определяют деформации на поверхности детали в какой-либо точке. Так как на свободной поверхности детали может возникать линейное или плоское напряжённые состояния, то для перехода от измеренных деформаций к напряжениям в общем случае необходимо знать две линейные и одну угловую деформации. Измерить угловые деформации с помощью тензометров невозможно, поэтому измеряют три линейные деформации под определёнными углами друг к другу и по результатам этих измерений путём расчёта находят необходимые данные для определения напряжений.
Оценку прочности детали в условиях плоского напряжённого состояния производят по теории прочности, а для этого необходимо знать величины главных напряжений.
При измерении деформаций на поверхности тела возможны два случая:

  1. 1) направление главных напряжений известно (например, определено каким-либо другим методом);

2) направление главных напряжений неизвестно.
В первом случае тензометры должны быть установлены так, чтобы измерять удлинения в направлениях главных напряжений.
При линейном напряжённом состоянии достаточно установить один тензометр, база которого S расположено в направлении действия напряжения (рис. 61, а).

Рис. 61.Схема расположения тензодатчиков: а) при линейном напряжённом состоянии; б) при плоском напряжённом состоянии

Тензометр устанавливают на поверхность детали до её нагружения, замечают показания тензометра и затем осуществляют нагружение. При достижении рабочего значения нагрузки снова фиксируют показания тензометра. По разности показаний определяют абсолютное удлинение. Подсчитывая отношение приращения абсолютной деформации ΔS к длине базы тензометра, определяют относительное удлинение ε:
.
Зная относительное удлинение, по закону Гука подсчитывают напряжение:
,
где σ – нормальное напряжение;
Е – модуль упругости.
В случае плоского напряжённого состояния аналогичные измерения производят двумя тензометрами, базы которых расположены в направлении главных напряжений σ1 и σ2 (рис. 1, б).
Результаты измерений дают главные деформации ε1 и ε2. используя обобщённый закон Гука для плоского напряжённого состояния, вычисляют главные напряжения:

где σ1 и σ2 – главные напряжения;
μ – коэффициент поперечной деформации;
ε1 и ε2 – главные деформации.
Во втором случае, когда неизвестны величины и направления главных напряжений, необходимо экспериментально определить три величины: σ1, σ2 и угол α, который образует σ1 с произвольно выбранной осью X.
Для решения этой задачи выбирают два взаимно перпендикулярных направления на поверхности исследуемого тела: X и Y. Начало координат размещают в исследуемой точке А. в окрестности этой точки мысленно вырезают прямоугольный параллелепипед, одна грань которого совпадает с поверхностью исследуемого тела, а перпендикулярные поверхности тела грани вырезаются плоскостями, параллельными осям X и Y (рис.62, а).
На гранях элемента, параллельных осям, действуют нормальные напряжения σx и σy. Так как направления X и Y выбраны произвольно, то на гранях могут быть не равны нулю касательные напряжения τxy = τyx.

Рис.62. Схема расположения тензодатчиков для определения главных напряжений

Для экспериментального определения главных напряжений и их направления в этом случае необходимо из опыта определить три величины. Поэтому вблизи точки устанавливают три тензометра: два в направлении осей X и Y и один под углом 45˚ к ним (рис. 62, б). Производя измерение деформаций при нагружении объекта, получают три относительные деформации ε1, ε2, ε3.
По найденным величинам деформаций вычисляют главные деформации по формуле:

,

где εx, εy, ε45 – относительные деформации по соответствующим направлениям.
Угол между направлением главного напряжения σ1 и осью Х определяется по формуле:

.

Положительное значение угла откладывают против часовой стрелки от оси Х, отрицательное – по часовой стрелке. Определив деформации ε1, ε2, по закону Гука, определяют величины главных напряжений.
Сочетание трёх тензометров, применяемых в случае определения главных напряжений при неизвестном заранее направлении, называется розеткой деформации.
В описанном выше способе измерения главных деформаций была использована прямоугольная розетка, которая состоит из двух тензометров, расположенных под углом 90˚ друг к другу и третьего, расположенного под углом 45˚ к первым двум. Могут использоваться розетки с любым другим расположением тензометров, но при этом должны быть применены другие формулы для определения деформаций. Например, очень часто применяют прямоугольную розетку с с расположением тензометров под углом 60˚ друг к другу.
При определении напряжений методом тензометрирования стремятся получить эти напряжения в какой-то точке поверхности тела. Но так как тензометры имеют базу конечных размеров, удаётся определить деформации как осреднённые величины на длине базы тензометра. Следовательно, чем интенсивнее меняется напряжение в измеряемой детали от точки к точке, тем меньшей должна быть база тензометра. Уменьшение базы тензометра приводит к уменьшению измеряемого удлинения, что приводит к уменьшению точности измерений.
В настоящее время для измерения деформаций применяют тензометры различных типов: механические (рычажные), оптические, гидравлические, пневматические.
Однако наибольшее распространение в последние годы получили электрические тензометры, в частности датчики омического сопротивления, изготовленные из тонкой проволоки и называемые тензорезисторами. Тензорезистор – проволочное соединение, преобразующее изменение удлинения в изменение омического сопротивления.
Тензометр представляет собой тонкую проволоку (диаметр 0.02 – 0.03 мм) с высоким удельным сопротивлением, уложенную в виде петель и наклеенную на бумагу (рис. 63).
Проволока, уложенная в петли, называется тензочувствительной решёткой. Длина петель является базой тензорезистора. Тензорезистор наклеивается специальным клеем (БФ-2, БФ-4, циакрин) на поверхность исследуемой детали и при деформировании через клеевой слой воспринимает деформации, увеличивая или уменьшая электрическое сопротивление.

S
Рис. 63. Тензометр

Экспериментально установлено, что в области малых деформаций изменение сопротивления тензорезистора линейно связано с относительной деформацией проволоки. Эта связь может быть представлена в виде:

,

где R – начальное сопротивление тензорезистора;
S – база тензорезистора;
ΔR – абсолютное приращение сопротивления;
ΔS – абсолютное удлинение проволоки;
β – коэффициент тензочувствительности.
Для наиболее распространённых тензорезисторов, изготовленных из константановой проволоки, коэффициент тензочувствительности β = 2 – 2,4. Однако для других материалов он может быть больше. Например, для никелевой проволоки β = 12.
Кроме проволочных тензорезисторов, в настоящее время широко применяются тензорезисторы из константановой фольги, изготовленные методом травления.
Тензорезисторы изготовляют с базами от 2 до 20 мм. Наиболее распространёнными являются базы от 5 до 20 мм. Уменьшение базы тензорезистора приводит к повышению поперечной чувствительности, что снижает точность измерений и требует специальной тарировки.
Изменения сопротивления тензорезисторов при измерении деформаций очень малы, поэтому для обеспечения необходимой чувствительности необходимо применение специальных схем включения тензорезисторов. Наиболее распространённой схемой является мост Уитстона. Принципиальная схема такого моста показана на рис.64. Мост имеет четыре плеча составленных из сопротивлений, равных сопротивлению рабочего тензорезистора. В одну диагональ моста включен источник питания (батарея или генератор переменного тока), а в другую, измерительную, включен чувствительный гальванометр. Одним плечом моста является рабочий тензорезистор, наклеенный на поверхность исследуемой детали (R1). Перед началом нагружения исследуемой детали мост балансируют, т. е. подбирают сопротивления моста так, чтобы в измерительной диагонали ток был равен нулю. При этом соблюдается равенство R1R2 = R2R4.
Температурная компенсация осуществляется сопротивлением R2, представляющим собой точно такой же тензорезистор, как и рабочий R1, наклеенный на ненагруженную пластинку из того же материала, что и исследуемая деталь, находящуюся в тех же температурных условиях.

Рис. 64. Мост Уитсона

При нагружении исследуемой детали сопротивление рабочего тензорезистора изменяется, балансировка моста нарушается и в измерительной диагонали потечёт ток, величина которого определяется по известной из электротехники формуле:
,

где Iг – ток в измерительной диагонали моста;
I – ток в диагонали питания;
Rr – внутреннее сопротивление гальванометра.
Для увеличения чувствительности измерительной схемы вместо гальванометра в измерительную диагональ включают вход усилителя переменного тока, а питание моста осуществляют от генератора переменного тока с частотой 2000 – 10000 Гц. В этом случае при балансировке моста, вызванной изменением сопротивления рабочего тензорезистора, на вход усилителя подаётся переменное напряжение, которое усиливается усилителем и после этого подаётся на измерительный прибор.
Определение деформации детали можно производить двумя методами:

  1. методом непосредственного отсчёта;

  2. нулевым методом.

При применении первого метода изменение сопротивления рабочего тензорезистора характеризуется отклонением стрелки гальванометра. Чем больше деформация детали на поверхности, где наклеен рабочий тензорезистор, тем больше ΔR и, следовательно, больший ток протекает через гальванометр.
Когда плечи имеют одинаковое сопротивление R1 = R2 = R3 = R4 , ток в измерительной диагонали равен нулю. Если рабочий тензорезистор изменит своё сопротивление на величину ΔR и R1 = R+ ΔR , то величину тока в этом случае можно вычислить как

.

В общем случае зависимость IГ = f (ΔR) не является линейной, т.к. ΔR входит как в числитель, так и в знаменатель. Однако если ΔR мало, то его величиной можно пренебречь в знаменателе, и тогда зависимость становится линейной:
.
В реальных схемах ΔR очень мало и поэтому ток IГ примерно пропорционален изменению ΔR. Замечая показания тензометра до нагружения детали и после него, устанавливают, чему равно изменение деформации. Для этого необходимо провести тарировку показывающего прибора по известным величинам деформаций.
Нулевой метод применяют при работе на уравновешенном мосту. Для этого в измерительную схему вводят реохорд, при помощи которого можно балансировать мост после изменения сопротивления рабочего тензорезистора. Реохорд снабжается шкалой и стрелкой, которые позволяют фиксировать момент баланса моста. До нагружения исследуемой детали мост балансируют, чтобы ток IГ был равен нулю, и фиксируют положение шкалы реохорда. Затем деталь нагружают и с помощью реохорда мост снова балансируют. При этом стрелка на шкале реохорда принимает новое положение. По разности показаний реохорда судят о величине деформации.
Метод непосредственного отсчёта применяют при измерении динамических деформаций, когда изменение тока в измерительной диагонали может быть записано с помощью светолучевого осциллографа.
Нулевой метод применяют для измерения при статическом нагружении деталей, когда нагрузка изменяется медленно и имеется достаточно времени для осуществления балансировки моста.
2. Рентгенографический метод.
Рентгенографический метод основан на сравнении рентгенограмм недеформированного и деформированного материала детали. Деформации вызывают искажения кристаллической решётки материала, которые изменяют дифракционную картину рентгенограммы.
Необходимо отметить, что рентгенографический метод является единственным достаточно чувствительным методом, применяемым для измерения остаточных напряжений. Этим методом можно измерять напряжения на малых участках (порядка 1 - 3 мм) и экспериментально решать такие задачи, как определение остаточных напряжений в сварных соединениях, степени и характера деформаций и напряжений в наклёпанных зонах, напряжения концентрации и т.п.
Несмотря на то, что рентгенографический метод является единственным методом, позволяющим измерить остаточные напряжения без нарушения поверхности детали, он применяется редко из-за малой точности, сложности и трудоёмкости.
К недостаткам метода, уменьшающим его точность, следует отнести: непостоянство параметров кристаллической решётки для эталона, влияние температурных изменений кристаллической решётки, влияние состояния (чистоты обработки) поверхности образца и неоднородности структуры материала исследуемых деталей.
3. Метод хрупких или лаковых покрытий.
Сущность метода хрупких или лаковых покрытий состоит в том, что на поверхность исследуемой детали наносится тонкая плёнка специального хрупкого лака.
Свойства лака таковы, что при возрастании относительных деформаций до определённого предела появляются трещины. Последовательность появления этих трещин соответствует напряжённому состоянию исследуемой детали. Прежде всего, трещины появляются в наиболее напряжённых местах. Направление трещин перпендикулярно направлению изостат – кривых линий, касательные к которым в каждой данной точке совпадают с направлением главных напряжений. Таким образом, трещины располагаются перпендикулярно направлению наибольшего главного напряжения.
Общая картина распределения трещин позволяет судить о равнопрочности и равножёсткости исследуемой детали. Место и направление первых трещин в лаковых покрытиях, как правило, совпадает с направлением будущих трещин, появляющихся в связи с усталостными явлениями при эксплуатации детали.
Основные преимущества метода лаковых покрытий заключается в получении полной картины распределения наибольших главных напряжений и деформаций по всей поверхности детали, выявлении зон концентрации напряжений и мест вероятного появления трещин в эксплуатационных условиях, а также в простоте и наглядности метода.
Метод лаковых покрытий обычно применяется лишь для качественного анализа напряжённого состояния поверхности детали, т. к. при плоском напряжённом состоянии поверхностных слоёв детали определение лишь одной главной деформации (по величине трещин) не даёт возможности точно установить соответствующее ей главное напряжение.
4. Метод делительных сеток.
Метод делительных сеток заключается в том, что на поверхности исследуемой детали тем или иным способом наносятся сетки определённой формы и размеров (прямоугольные, круглые и др.). При нагружении детали её волокна деформируются, ячейки сетки изменяются по форме и размерам.
Исследование методом делительных сеток позволяет:

  1. по изменению формы (например, на круглых ячейках) судить о направлении главных деформаций; по изменению расстояния между линиями ячеек определить линейные деформации детали; по общей картине изменения формы и размеров ячеек установить зоны наибольших напряжений и места появления пластических деформаций; расчётным путём по экспериментально полученным данным установить максимальные деформации сдвига.

Расстояние между линиями отдельных ячеек составляет от 0,25 до 2 мм и более, при таких сравнительно малых базах можно производить исследования мест с большим градиентом изменения напряжений, например в зонах концентрации. Этот способ позволяет исследовать напряжения при больших деформациях, а также в условиях динамических нагрузок и высоких температур.
Основным недостатком метода является сравнительно малая точность измерения деформаций (до ± 6 %), особенно при малой базе и деформациях менее 5 %.
Метод делительных сеток в основном применяется для изучения деформаций в деталях, изготовленных из материала с низким модулем упругости (резина и др.), а также при исследовании остаточных деформаций (в процессах обработки металлов давлением и др.).
5. Поляризационно-оптический метод.
Поляризационно-оптический метод основан на использовании временной оптической анизотропии некоторых прозрачных изотропных материалов, возникающей при воздействии на них внешних нагрузок.
Поляризационно-оптическим методом успешно решаются задачи в условиях плоской и объёмной деформации при различных схемах нагружения. Метод имеет ряд положительных сторон: наглядность картины напряжённого состояния (картины полос в плоской задаче), возможность придания различных форм исследуемой детали, создания различных схем нагружения и др. Основными недостатками этого метода являются: сравнительно большая трудоёмкость работ, сложность технологии изготовления исследуемой детали, особенно при решении объёмной задачи, а также потребность в материалах, обладающих особыми свойствами (оптической активностью, минимальным краевым эффектом, хорошей прозрачностью, изотропией и др.).
Необходимо отметить, что наиболее распространённые в технике методы экспериментального исследования напряжённого состояния конструкций могут применяться при исследовании напряжений лишь на поверхности элементов конструкций и деталей машин.
Одной из основных и сложных задач, выдвигаемых инженерной практикой при проектировании новых машин и механизмов, является исследование напряжений во внутренних точках деталей, т. к. величины их во многих случаях определяют надёжность и долговечность машин и конструкций. Практически для этой цели могут использоваться лишь поляризационно-оптический и рентгенографический методы.
Для исследования контактных и ряда других задач может успешно применяться метод электротензометрических измерений с применением безосновных микродатчиков омического сопротивления.
Карта сайта

Последнее изменение этой страницы: 2018-09-09;



2010-05-02 19:40
referat 2018 год. Все права принадлежат их авторам! Главная