Когда значения среднего напряжения отрицательны, или значения R меньше, чем минус один, то существует очень немного данных и нет никаких общих руководящих принципов для того, чтобы экстраполировать уравнения, которые предназначались для того, чтобы представить данные на диаграмме Хая только для положительных значений среднего напряжения. В случаях, таких как контактная усталость, могут присутствовать очень высокие сжимающие усилия, требующие знания поведения усталости или пределов усталости для отрицательных средних усилий. Одна из самых важных областей, где могут произойти отрицательные средние усилия – это в случае включения сжимающих остаточных усилий в материал или деталь. Предварительное напряжение поверхности, например, обычно используется как поверхностная обработка, чтобы улучшить свойства усталости материала, введением остаточных сжимающих усилий в материал до глубин обычно не больше чем 0.1 мм. В то время как сжимающие усилия около поверхности уменьшают максимальное напряжение от вибрирующей нагрузки на поверхности, они не уменьшают амплитуду вибрации. Таким образом, в действительности, они приводят среднее напряжение ниже, часто в сжимающий режим. В то время как эти остаточные сжимающие усилия, как известно, улучшают особенности усталости во многих материалах и конфигурациях, они вообще не приняты во внимание при проектировании и используются, вместо этого, для улучшения предела безопасности. Если такое условие состоит в том, чтобы быть принято во внимание при проектировании, требуется полное понимание поведения материала и пределов усталости при отрицательных средних напряжениях. Тема остаточных усилий и использовании их при проектировании затронута в Главе 8.
Форрест [15] собрал большой массив данных силы о напряжении предела усталости по пластичным металлам и изобразил их в безмаштабной форме как представлено в иллюстрации 2.27.
Рисунок 2.27. Схематичное изображение наблюдаемого поведения при отрицательном среднем напряжении.
Широкая прямая линия представляет данные (не показаны) весьма хорошо и иллюстрирует наклон в режиме среднего напряжения, производимое значениями переменного напряжения, которые продолжают увеличиваться с уменьшением среднего напряжения. Данные, выбранные Форрестом [15] для этого типа графика, были получены из доступных данных, отвечающих критерию принимать только те результаты, при которых были приняты специальные меры предосторожности, чтобы обеспечить осевую симметрию нагрузки. Данные охватывали диапазон алюминиевых и стальных сплавов. Как было отмечено ранее, обсуждая эффекты сжимающего остаточного напряжения при усилиях предела усталости, Форрест [15], в 1962 году, уже признал важность формы кривой, описывающей данные, заявляя, что “поведение является особенно существенным в отношении эффекта остаточных усилий при силе усталости”.
Представление данных сжимающего среднего напряжения по Хаю или другим типам диаграмм, описанных выше, никогда не было большой частью рассмотрения, потому что данные, полученные при средних усилиях ниже нуля, соответствующие полностью измененной нагрузке, или R = − 1, по существу, не существовали. Сейчас мы исследуем способность уравнений представить данные отрицательного среднего напряжения.
В дополнение к измененному уравнению Гудмана и другим, описанным выше, было много разных прямых линий и других кривых, пытающихся представить данные предела усталости при проектировании МЦУ. Кроме того, есть уравнения усталости, которые используются главным образом, чтобы соответствовать данным в режиме НЦУ, которые пытаются отражать эффекты среднего напряжения или коэффициента напряжения, вводя единственный параметр, чтобы объединить такие данные. Два таких уравнения - одно принадлежит Смиту, Уотсону и Топперу (SWT) [28] и обычно используемое уравнение Волкера. Для уравнения SWT действующее напряжение дано в условиях максимального напряжения и диапазона деформации. В МЦУ принято упругое поведение, таким образом, диапазон деформации и диапазон напряжения может использоваться попеременно, когда имеем дело с условиями FLS. Уравнение SWT для упругого поведения приводится в виде
где _ эфф можно рассматривать как константу, _ - диапазон напряжения, _ =2 _ a, и _ макс - максимальное напряжение. Полностью измененное (R = − 1) напряжение, и максимум и чередующееся значение, обозначено _ −1. Это уравнение избражено в форме диаграммы Хая в иллюстрации 2.28, с использованием значения _ эфф = 200MPa, которое является показательным для данных по подделанному титановому прутковому материалу [29]. Экспонента в Уравнении (2.12) взята в качестве используемой обычно, а именно, 0.5. В целях консультации, приведено уравнение Джаспера, обсужденное позже, потому что оно, как принято считать, описывает форму диаграммы Хая для положительного среднего напряжения весьма хорошо. Наибольший интерес в иллюстрации 2.28 представляет изображение кривой для уравнения SWT для отрицательного среднего напряжения, которое показывает увеличение переменного напряжения, когда среднее напряжение становится отрицательным. Как альтернатива, если мы хотим взять половину диапазона напряжения (или половину диапазона деформации) как соответствие только положительным усилиям (_ = + на графике), это изменит кривую только немного в режиме отрицательного среднего напряжения. Отметим, наконец, симметрическую форму уравнения Джаспера о нулевом среднем напряжении. Это также будет обсуждено позже.
Рисунок 2.28. Диаграмма Хая, представленная уравнениями Джаспера и SWT
Подобная обработка может быть дана уравнению Волкера, которое, что касается уравнения SWT, обычно используется, чтобы объединить данные НЦУ, полученные при различных коэффициентах напряжения, R. уравнение подобно уравнению SWT, но добавляет степень гибкости через экспоненту w. Оно имеет вид
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.