Концентраторы напряжений – это области, в которых возникают местные напряжения в силу резких изменений формы металла или контакта деталей. Например, искажение сечения у отверстий, надрезов, вытачек, сварных швов, резьбы. В результате изделие более подвержено механическим повреждениям, уменьшается срок службы и прочностные характеристики. Если рассматривать сварные швы, то снижается надежность соединений.
Исследование концентраторов напряжения
Чтобы определить величину концентратора напряжения, используются различные методы. Экспериментальный, аналитический, численный. Вычисляется соответствующий коэффициент, характеризующий предел выносливости испытуемого образцового материала на внешнее воздействие.
Концентратор напряжения может влиять на прочность металлических изделий. Данный фактор присутствует во многих механизмах и конструкциях. Наличие обусловлено характером эксплуатации или технологической необходимостью. Сила воздействия зависит от способа нагрузки, материала, температуры окружающей среды:
- статическое нагружение. Действует продолжительное время. Приносимый «вред» прочности незначительный, так как не создается условий для последующих деформаций (роста трещин, образование новых);
- регулярное циклическое нагружение (фактически сила, приложенная на единицу площади – квадратный миллиметр). Вызывается в зоне очага концентрации и оказывает разрушительное действие на материал. Это динамические нагрузки, изменяющиеся по интенсивности во времени. Металл «устает» от подобного рабочего режима, происходит накопление повреждений, которые приводят к сколам, трещинам и разрушению.
Испытания подтверждают, что при действии жидкого металла на гладкие или надрезанные образцы снижается их выносливость.
Источниками концентраторов напряжения в металле могут служить любые шероховатости на поверхности, которые не были устранены посредством механической обработки. Повреждения детали – царапины, прожоги могут вызвать снижение предела выносливости материала.
Влияние описанных явлений может привести к полному или частичному разрушению составляющих рабочего механизма, что приведет к поломке устройства или другим негативным последствиям.
Методы предотвращения концентрации напряжений
Полностью избежать разрушающее действие во время эксплуатации деталей невозможно, но реально снизить риски с помощью таких способов:
- выбор комплектующих с высоким порогом усталости;
- изменение конструкции (избегать острых углов, разгружающих надрезов);
- качественная механическая обработка поверхности составляющих механизма (шлифовка, обтачивание);
- для увеличения прочностных свойств в потенциальных зонах концентраций проводится термическая закалка или прокатка под давлением.
Концентраторы напряжений в металле возникают в любых машиностроительных конструкциях – оси, валы, пружины, штоки, шатуны, сварные швы, острые углы, резьбовые проточки и другие.
