Влияние особенностей рассчитываемого элемента, отличающих его от эталонного образца, определяется рядом факторов — размерами и формой поперечного сечения детали, ее конфигурацией, качеством и видом обработки поверхности, наличием различных концентраторов напряжений. Поэтому использование значений ав и сгт непосредственно в качестве критериев прочности предельных напряжений допустимо лишь в случаях, когда эти факторы отсутствуют и рассчитываемый элемент мало отличается от эталонного образца. В большинстве случаев для установления предельного напряжения вводятся соответствующие коэффициенты.

Влияние концентраторов напряжения может быть учтено в первом приближении посредством эффективного коэффициента р концентрации напряжения. Этот коэффициент показывает, во сколько раз предел выносливости эталонного образца больше предела выносливости материала. Концентрация напряжений возникает в местах резкого изменения диаметра вала или оси у шпоночных канавок, в местах расположения шлицев, резьбы, отверстий и т. д., а также при наличии внутренних напряжений в местах неподвижной посадки сопряженных деталей и коррозионных изъянов. Концентраторами напряжений являются также заклепочные и сварные швы.

Коэффициент р изменяется для указанных случаев в пределах от 1,4 до 3,5, причем значение его зависит не только от вида и формы ослабления сечения, но и от качества и состояния материала. Так, для материалов в пластичном состоянии при прочих равных условиях коэффициент р значительно меньше, чем для материалов, находящихся в хрупком состоянии. Именно это позволяет при определении предельного напряжения для материала в пластичном состоянии не учитывать влияния концентрации напряжений. Увеличение предела прочности сталей повышает их чувствительность к концентрации напряжений.

С увеличением размеров элемента по сравнению с размерами эталонного образца снижаются прочностные свойства, т. е. значения предела прочности ав и предела текучести сгт, что может быть учтено при определении предельного напряжения посредством мощностных факторов Кв и Хт,’ последние могут быть оценены по опытным зависимостям, одна из которых показана на рис. 60.

ших напряжений и дефектов поверхности. Влияние качества обработки на предел выносливости образцов при изгибе и кручении показано на рис. 1. Упрочнение поверхности деталей повышает предел выносливости образцов в среднем в 1,2— 2,0 раза.

Следует подчеркнуть, что обязательным почти для всех случаев является прочностной расчет на действующую в наиболее неблагоприятных сочетаниях с имеемыми случайную нагрузку. В тех случаях, когда эта нагрузка носит импульсивный (ударный) характер, ее величину можно определить одним из изложенных способов, после чего известное расчетное усилие кладется в основу квазистатического расчета.

При расчетах на ударную нагрузку диаграмма напряжение — относительная деформация, построенная для статических условий нагружения, не может быть использована в принципе. Чем больше скорость нагружения, тем выше располагается диаграмма а — е по отношению к диаграмме, построенной для статической нагрузки, хотя характер ее остается идентичным. В то же время повышение идет довольно медленно, поэтому диаграмму о—е можно принять стабильной для достаточно широкого диапазона скоростей нагружения. На рис. 62 сопоставлены динамические (1) и статические (2) диаграммы а — е соответственно для мягкой стали, алюминия и меди при скорости удара 44—48 м/с.

Таким образом, при ударной нагрузке статический предел прочности ств и статический предел текучести ат уже не могут служить критериями для проверки прочности элементов конструкции. Учет влияния скорости нагружения может быть осуществлен посредством коэффициента Сд, значения которого представлены на рис. 3 в функции статического предела текучести для широкого диапазона сталей различных марок.

Рис. 1. Влияние качества обработки на предел выносливости (по Серенсену С. В.):
1 — зеркальное полирование; 2 — грубое полирование; 3 — тонкая механическая обработка; 4 — грубое шлифование; 5 — наличие окалины

Рис. 2. Диаграмма напряжение — относительная деформация при динамической (1) и статической (2) нагрузках для мягкой стали (а), алюминия (б) и меди (в)
1 — для углеродистых и марганцовистых сталей; 2 — для легированных сталей; 3 — для серого чугуна

Приведенный график построен по экспериментальным данным при растягивающем ударе на копре и относится, таким образом, к скорости удара 5—6 м/с. В то же время экспериментально установлено, что при изменении скоростей нагружения от 0,5 до 6 м/с не обнаружено существенного изменения динамического предела текучести для сталей. При расчетах, связанных с ударным нагружением машин для земляных работ, скорость удара в подавляющем большинстве случаев не выходит за пределы указанного диапазона.

С другой стороны, чрезмерная скорость удара, превышающая критические значения 15—30 м/с, при которой уже в первый момент в месте удара возникает пластическая деформация или хрупкое разрушение независимо от величины ударяющей массы, менее опасна. В этом случае возникает локализованное повреждение элемента, испытывающего ударную нагрузку.

Рис. 3. Значения коэффициента, учитывающего изменение механических свойств стали при импульсивной нагрузке

Многочисленность факторов, влияющих на прочностные свойства рассчитываемого элемента, и невозможность точного их определения приводят к необходимости при сопоставлении действующего в опасном сечении максимального напряжения с предельным вводить определенный коэффициент запаса прочности, который можно использовать при предварительных расчетах.

В указанных в таблице диапазонах минимальные значения п относятся к элементам с более чистой поверхностью, относительно простой конфигурацией и достаточно достоверной методикой расчета.

При сложном напряженном состоянии — одновременном действии нормальных и касательных напряжений необходимо привести их либо только к нормальным, либо только к касательным, после чего, воспользовавшись приведенными выше зависимостями, произвести дальнейший расчет.

В большинстве случаев работа элементов машин происходит при переменном рабочем режиме — при различных скоростях движения и нагрузках. Поэтому при расчетах на долговечность принято оперировать понятием эквивалентного режима, по своему влиянию на долговечность детали, узла или машины равноценному действующему фактически переменному режиму.

Известно, что элементы машин и инженерных конструкций, испытывающие в процессе эксплуатации циклические нагрузки, часто разрушаются при напряжениях, значительно меньших не только предела прочности материала, но даже и предела текучести. Случаи такого разрушения имеют место при деформации любого вида. Циклическая нагрузка в процессе действия относительно быстро меняет свою величину или величину и знак.

На рис. 4, а показан общий случай периодической закономерности, а на рис. 4, б, в и г — соответственно прямоугольная, пилообразная и синусоидальная закономерности изменения циклической нагрузки. Если действительный закон изменения циклической нагрузки во времени сложен, его обычно рассматривают как синусоидальный.

Динамические нормальные и касательные напряжения, возникающие в элементах машин под действием циклической нагрузки, называют циклическими напряжениями.

Рис. 4. Графики характерных циклических нагрузок:

Рис. 5. Циклы нагрузки:

Рис. 6. Теоретическая диаграмма предельных напряжений

Чем больше абсолютная величина напряжения цикла, тем меньшее число циклов может выдержать элемент, испытывающий эту нагрузку.

Наибольшее по абсолютной величине нормальное или касательное напряжение в материале элемента конструкции, при котором и ниже которого не происходит его разрушение даже при неограниченном числе циклов, называется пределом выносливости. Для обозначения предела выносливости символу от или т присваивают индекс, соответствующий коэффициенту асимметрии.

Долговечность работы конструкции зависит от характера приложения нагрузки; особенностей рассчитываемого элемента, отличающих его от эталонного образца; режима работы, учитывающего нестационарность приложения нагрузки — ее частоты и интенсивности.

Уместно отметить, что масштабный фактор практически не сказывается на пределе выносливости при кручении деталей из алюминиевых сплавов, низколегированных и термически обработанных сталей. Только для сталей средней твердости по данным Донстона, испытавшего на кручение образцы валов диаметром от 2,54 до 165 мм, было установлено ощутимое влияние масштабного фактора на предел выносливости.