Изменения формы и размеров тел под действием внешних сил называют деформациями. Величина деформации тел зависит главным образом от характера действующих на них сил, то есть от их величины и направле­ния, размеров тел и механических свойств материала.

Деталей в машине много, и на каждую из них действуют разнообраз­ные нагрузки. Одни нагрузки растягивают или сжимают детали, другие изгибают, третьи скручивают. Многие детали подвергаются сложному воздействию нагрузок, которые одновременно растягивают и изгибают, скручивают и сжимают детали. Не все нагрузки, действующие на дета­ли, постоянны по величине и направлению. Действие всех сил должно быть учтено при конструировании. Ведь от того, насколько правильно будут рассчитаны детали машин на прочность, зависит не только целост­ность машины, но и безопасность людей, обслуживающих и эксплуати­рующих ее.

Чем точнее будут установлены величины внешних сил, действующих на детали машины, тем рациональнее можно предусмотреть запас ее прочнос­ти и, следовательно, тем полнее будет использован материал для ее изготов­ления.

Методы расчета машин и сооружений на прочность, жесткость и устой­чивость отражены в одном из разделов технической механики — сопротив­лении материалов. Наука о сопротивлении материалов базируется не толь­ко на общеизвестных положениях механики, но и на экспериментальных данных, полученных в результате испытаний материалов на растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб.

При конструировании машины всегда возникает вопрос, какие размеры нужно назначить деталям, входящим в нее. Если эти размеры задать чрез­мерно большими, то машина получится тяжелой, металлоемкой, то есть по­требляющей большое количество металла. При слишком малых размерах может получиться машина ненадежная в эксплуатации из-за недостаточ­ной износоустойчивости деталей.

Для того, чтобы проектируемое изделие было надежно в работе и эконо­мически целесообразно, необходимо рассчитать его конструкцию, то есть дать оценку прочности. Этот процесс обычно осуществляется в такой последовательности .

1.   Реальную конструкцию приводят к так называемой расчетной схеме. Для одной и той же конструкции может быть предложено несколько рас­четных схем, в зависимости от того, что именно в каждом конкретном слу­чае интересует конструктора.

Основной упрощающий прием — приведение геометрической формы те­ла, рассчитываемого на прочность, к одному из следующих простейших ви­дов: брус, оболочка, пластина и массив.

К форме бруса. Под брусом понимают всякое тело, одно из измерений которого (длина) много больше двух других. Брус с прямолинейной осью часто называют стержнем.

К форме оболочки — тела, ограниченного двумя криволинейными поверхностями, расстояние между которыми мало по сравнению с другими размерами.

К форме пластины. Под пластиной понимают тело, ограниченное двумя плоскими поверхностями, когда одно из измерений тела (толщина) намного меньше двух других.

К форме массива — тело, у которого все три размера, его составляю­щие, одного порядка.

2.    Пользуясь законами механики, определяют нагрузки, действующие на детали и характер их изменения. Затем по этим усилиям рассчитывают детали на прочность, жесткость, вибрацию, долговечность и т. д. Таким об­разом, обосновывают наивыгоднейшие режимы работы машины, размеры и формы деталей.

С расчетной точки зрения все детали любой машины подразделяются на: нагруженные детали, размеры основных элементов которых определяют расчетным путем (например, валы, оси, зубчатые колеса, звездочки, ответ­ственные крепежные детали, пружины и др.);

нагруженные детали, размеры основных элементов которых нельзя или весьма трудно рассчитать. Размеры таких деталей устанавливаются на основании компоновочных и конструктивно-технологических сообра­жений. К данной категории деталей можно отнести корпус и крышку ре­дуктора, главным критерием работоспособности которых является их жесткость;

детали, практически не испытывающие нагрузок, все размеры которых устанавливают исходя из конструктивных соображений. К этой категории деталей относятся крышки смотровых отверстий, распорные втулки, стака­ны, кольца и др.

Таким образом, расчетным путем определяют размеры только основных элементов первой категории деталей.

3.   Выбирают материал для изготовления изделия. При выборе материа­ла всегда учитывают следующие основные требования: материал должен обеспечивать необходимую прочность и надежность конструкции в работе, ее минимальную стоимость, обладать оптимальными технологическими свойствами.

Сведения о материалах обычно берут из справочников, где приведены различные характеристики материалов, полученные при испытании стан­дартных образцов в стандартных условиях.

4.   Предварительно рассчитывают некоторые наиболее характерные раз­меры изделия по тем критериям работоспособности, которые являются в данном случае наиболее важными, и согласовывают эти размеры с действу­ющими стандартами.

Надежный расчет возможен тогда, когда известны форма и абсолют­ные размеры детали, а также другие данные, характеризующие ее рабо­ту в сборочной единице. Предварительные расчеты позволяют опреде­лить лишь исходные размеры для проектирования детали и сборочной единицы.

5.   На общем виде сборочной единицы прорабатывают все детали, а затем производят деталировку, то есть подробную конструктивную разработку деталей с указанием на рабочем чертеже всех ее размеров, допусков и поса­док, классов шероховатости поверхностей, специальных технологических требований (термообработки, покрытий и др.).

6.   На заключительном этапе производят проверочные расчеты по основ­ным критериям работоспособности, то есть определяют запасы прочности в расчетных сечениях, деформации (прогибы, углы закручивания), критиче­ские скорости и т. д., и сопоставляют их величины с допустимыми значени­ями. В тех случаях, когда требуемое соответствие между этими величинами не обеспечивается, в конструкцию вводят изменения, после чего вновь про­изводят проверочные расчеты.

Последовательным приближением удается обеспечить требуемое соот­ветствие между расчетными и допустимыми значениями запасов прочнос­ти, прогибов и т. д.

В процессе проектирования всегда стремятся найти оптимальное реше­ние, для чего разрабатывают несколько вариантов конструкции, затем их сопоставляют, оценивают и выбирают из них наиболее подходящий.

Силы измеряются в ньютонах (Н); на схемах, эскизах и чертежах силы изображаются векторами и обозначаются буквой F.

Если сила F приложена к телу, например, к рукоятке грузоподъемной
лебедки или к ключу, затягивающему гай­ку (рис. 41) на некотором плече l, то вели­чину воздействия силы на тело оценивают произведением величины силы на плечо. Например, силы, прикладываемой к клю­чу, на его длину (плечо).

Рис. 41

Произведение силы на плечо называют мо­ментом силы и обозначают буквой М. Из рис. 41 видно, что М равен произведению Р • l.

Способность тел противостоять действию нагрузок во многом зависит от упругости или пластичности материала, из которого они изготовлены. Детали из таких материа­лов, как сталь, чугун, специальные сплавы, наиболее устойчивы к воздействию на них силам.

На рис. 42 показан прямой вертикаль­ный стальной стержень, защемленный не­подвижно с одной стороны. Если к верхне­му концу стержня приложить силу и незна­чительно изогнуть стержень, а затем дейст­вие нагрузки снять, то стержень вернется в исходное положение. Такие деформации, которые исчезают после прекращения дей­ствия внешних сил, называют упругими. Деформации, остающиеся в телах по­сле прекращения действия нагрузок, назы­вают остаточными или пласти­ческими (рис. 43).

Рис. 42

Рис. 43

В зависимости от направления действия сил на тела говорят о различных видах деформации. Рассмотрим кратко ос­новные из них.

Если на середину доски, лежащей на двух опорах, положить большой груз (рис. 44), то она прогнется. Деформация, испытываемая доской, на­зывается деформацией изгиба или изгибом.

Рис. 44

Если к концу цилиндрического стержня (например, к стержню болта) приложить силу, действующую в плоскости, перпендикулярной к его оси (например, при навинчивании гаечным ключом гайки с резьбой), а другой конец стержня (головка болта) будет неподвижно зажат, то стер­жень будет закручиваться, то есть испытывать деформацию кручения (рис. 45).

Рис. 45

Если две равные, но противоположные силы действуют по одной прямой вдоль нагружаемого тела (например, крюка) в разные стороны, то тело будет удлиняться, то есть испытывать деформацию растяже­ния (рис. 46).

Рис. 46

Если две равные, но противопо­ложные силы действуют по одной прямой вдоль оси стержня (напри­мер, ходового винта домкрата) по направлению к его середине, то си­лы вызывают в нем деформа­цию сжатия (рис. 47).

Рис. 47 _______________________________________ Рис. 48

Если к стальной пластине, ук­репленной между двух балок с по­мощью трех заклепок, приложить силу (подвешиваемый груз) пер­пендикулярную оси заклепок в мес­тах соприкосновения плоскостей 1 пластины и балок, то заклепки бу­дут испытывать деформацию сдвига (среза) (рис. 48).

Рис. 42

Рис. 44

Рис. 45

По способу приложения нагрузки делятся на сосредоточенные и распре­деленные (рис. 49).

Виды и классификация нагрузок:

Сосредоточенные нагрузки передают свое действие через,очень малые площади. Примерами таких нагрузок могут служить давление колес железнодорожного вагона на рельсы, давление тележки тали на монорельс и т. д.

Распределенные нагрузки действуют на сравнительно большой площади. Например, вес станка передается через станину на всю площадь соприкосновения с фундаментом.

По продолжительности действия принято различать постоянные и переменные нагрузки. Примером постоянной нагрузки может слу­жить давление подшипника скольжения — опоры валов и осей — и его соб­ственный вес на кронштейн.

Переменной нагрузке подвержены в основном детали механизмов пери­одического действия. Одним из таких механизмов служит зубчатая переда­ча, у которой зубья в зоне контакта смежных пар зубчатых колес испыты­вают переменную нагрузку.

По характеру действия нагрузки могут быть статическими и динамическими. Статические нагрузки почти не изменяются в тече­ние всего времени работы конструкции (например, давление ферм на опо­ры).

Динамические нагрузки действуют непродолжительное время. Их воз­никновение связано в большинстве случаев с наличием значительных уско­рений и сил инерции.

Динамические нагрузки испытывают детали машин ударного действия, таких, как прессы, молоты и т. д. Детали кривошипно-шатунных механиз­мов также испытывают во время работы значительные динамические на­грузки от изменения величины и направления скоростей, то есть наличия ускорений.

Для определения внутренних усилий (или внутренних силовых факто­ров) применяют так называемый метод сечений, который заключа­ется в следующем:

1.    В интересующем нас месте мысленно делают разрез бруса (рис. 50, I);

2.    Одну из частей (обычно ту, к которой приложено больше сил) отбрасы­вают;

3.    Действие отброшенной части бруса на оставшуюся часть заменяют не­известными силами (рис. 50, II);

Рис. 50

4.   Находят значение этих сил из уравнения равновесия, составленного для оставшейся части бруса.

В частном случае в поперечном сечении стержня может возникнуть: только продольная сила. Если сила направлена от сечения, то этот случай нагружения называется растяжением, в противном случае — сжатием; только поперечная сила (случай сдвига, или среза); только крутящий мо­мент (случай кручения); только изгибающий момент (случай изгиба).

В случае сложных деформаций в поперечном сечении могут возникнуть несколько внутренних силовых факторов, например продольная сила и из­гибающий момент (одновременное действие растяжения и изгиба), крутя­щий и изгибающий моменты (одновременное действие кручения и изгиба) и т. д. Интенсивность внутренних сил характеризуется напряжением, которое определяется силой F, приходящейся на единицу площади ds сечения элемента детали.

Представим теперь (рис. 50, III) внутреннюю силу (как и всякую силу) через вектор. Если разложить вектор внутренних сил, а значит и напряже­ний, по двум взаимно перпендикулярным направлениям, то напряжение, направленное перпендикулярно сечению тела, называют нормаль­ным и на схемах обозначают буквой о. Напряжение, действующее в плос­кости сечения тела, называют касательным и обозначают буквой r. К этим буквам в качестве индексов добавляют обозначения вида деформа­ций: р — растяжение; с — сжатие; к — кручение; u — изгиб; ср — срез или сдвиг. Например, О_р — нормальное напряжение при растяжении; r_к — ка­сательное напряжение при кручении и т. д.

При конструировании машин необходимо обеспечить безопасные напря­жения в деталях при рабочей нагрузке. Напряжения, соответствующие нормальной рабочей нагрузке, называют рабочими напряжени­ями. Рабочие напряжения могут колебаться от средней величины в не­больших пределах. Если машина в работе испытывает значительные перегрузки, то напряжения создают опасность изменения формы и разрушения деталей.

Напряжения, после превышения которых возникают остаточные дефор­мации и опасность разрушения деталей, называют предельными напряжениями. Для пластичных материалов опасным будет напря­жение, при котором переход из состояния упругости в состояние пластич­ности сопровождается появлением остаточных деформаций. Такое напря­жение называют пределом текучести о_m.

Для упругих материалов предельным считают напряжение, после пре­вышения которого наступает разрушение. Такое напряжение называют пределом прочности о_пч.

Для всех конструкционных материалов величины предельных напряже­ний определены экспериментальными механическими испытаниями, ре­зультаты которых приведены в технических справочниках.

Напряжение, которое допускается для безопасной работы деталей ма­шин, исключающее опасность появления остаточных деформаций или раз­рушения, называют допускаемым напряжением О_р. Допус­каемое напряжение меньше предельного в несколько раз.

Отношение предельного напряжения к допускаемому называют коэф­фициентом запаса прочности (k), то есть

k = о_пч / О_р,

Коэффициент запаса прочности задают в зависимости от многих факто­ров: механических свойств материалов, характера нагрузки, назначения изделия и пр.

Для большинства деталей машин и конструкций этот коэффициент при статических нагрузках равен 3...5, при динамических 6... 10. Для изделий, поломка которых может вызвать большие разрушения и гибель людей, ко­эффициент запаса прочности берут равным 10...12.

Как известно, различные металлы и сплавы имеют разные механичес­кие и технологические свойства, которые предопределяют качество дета­лей машин, а также обрабатываемость металла. Эти свойства металла выявляют соответствующими испытаниями на растяжение, сжатие, изгиб, твердость и др.

Испытание на растяжение. Чтобы определить прочность металла, работающего на растяжение, изготовляют образец 1 и устанавливают его в зажимы (или захваты) 2 разрывной машины. Для этих целей чаще всего ис­пользуют машины с гидравлической системой передачи усилия или с вин­товой системой.

Растягивающая сила F (рис. 51) создает напряжение в испытываемом об­разце и вызывает его удлинение. Когда напряжение превысит прочность об­разца, он разорвется.

Рис. 51

Результаты испытания обычно изображают в виде диаграммы. По оси абсцисс откладывают нагрузку F, по оси ординат — абсолютное удлине­ние ?l.

Из диаграммы видно, что вначале образец удлиняется пропорционально нагрузке. Прямолинейный участок OA соответствует обратимым, упругим деформациям. При разгрузке образец принимает исходные размеры (этот процесс описывается все тем же прямолинейным участком кривой). Ис­кривленный участок АС соответствует необратимым, пластическим дефор­мациям. При разгрузке (штриховая прямая СВ) образец не возвращается к начальным размерам и сохраняет некоторую остаточную деформацию.

От точки С образец удлиняется без увеличения нагрузки. Горизонталь­ный участок СМ диаграммы называется площадкой текучести. Напряжение, при котором происходит рост деформаций без увеличения нагрузки, называется пределом текучести.

Как показывают исследования, текучесть сопровождается значительными взаимными сдвигами кристаллов, в результате чего на поверхности образца по­являются линии, наклонные к оси образца под углом 45°. Претерпев состояние текучести, материал снова обретает способность сопротивляться растяжению (упрочняется), и диаграмма за точкой М поднимается вверх, хотя гораздо бо­лее полого, чем раньше. В точке D напряжение образца достигает своей наи­большей величины, и на образце появляется резкое местное сужение, так назы­ваемая шейка. Площадь сечения шейки быстро уменьшается и, как следст­вие, происходит разрыв образца, что на диаграмме соответствует положению точки К. Предел прочности образца определяют по формуле о_пч = F_D / S, где: S_пч — предел прочности;

F_D — нагрузка, при которой через определенный промежуток време­ни наступает разрушение растянутого образца, Н (кгс); S — площадь поперечного сечения образца в исходном положении, м² (мм²).

Обычно при испытании различных металлов и сплавов на растяжение определяют относительное удлинение е — отношение прироста длины об­разца до разрыва к начальной длине образца. Его определяют по формуле ? = ?l/l₀-100,

где: ? — относительное удлинение;

?l = l₁ — I₀ — абсолютное удлинение; l₀ — начальная длина образца; l₁ — длина образца после испытания. Экспериментально было установлено, что напряжение в материале при упругой деформации возрастает пропорционально относительному удлине­нию образца. Эта зависимость получила название закона Г у к а.

Для одностороннего (продольного) растяжения закон Гука имеет вид о = Е-?,

где: о = F/s — нормальное напряжение; F — растягивающая сила; s — площадь поперечного сечения;

? — относительное удлинение;

Е — постоянная величина, зависящая от материала стержня.

Примечание. В системе СИ единицей измерения напряжений служит Пас­каль — напряжение, вызванное силой 1 ньютон (Н), равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м².

1 Па = 0,102 • 10^-4 кгс/см²;

1 Па = 0,102 • 10^-6 кгс/мм²;

1 кгс/см² = 9,81 • 10⁴ Па;

1 кгс/мм² = 9,81 • 10⁶ Па.

В связи с тем, что единица напряжения паскаль очень мала, приходится пользо­ваться более крупной единицей — мегапаскаль 1 МП а = 10⁶ Па.

Госстандарт допускает к применению единицу ньютон на квадрат­ный миллиметр (Н/мм²). Числовые значения напряжений, выраженные в Н/мм² и в МПа, совпадают. Единица Н/мм² удобна и потому, что размеры на чер­тежах проставляют в миллиметрах.

Коэффициент пропорциональности Е называется модулем упругости при растяжении или модулем Юнга. Каков физический смысл моду­ля упругости? Обратимся к диаграмме растяжения образца (см. рис. 51, II). Модуль упругости на ней пропорционален тангенсу угла наклона а к оси аб­сцисс. Значит, чем круче прямая OA, тем жестче материал, и тем большее сопротивление оказывает он упругой деформации.

Для характеристики металла важно знать не только относительное удли­нение ?, но и относительное сужение площади поперечного сечения, кото­рое также позволяет характеризовать пластичность материала.

Естественно, что при растяжении образца площадь поперечного сечения уменьшается. В месте разрыва она будет наименьшей. Относительное суже­ние определяют по формуле ? = (S₀ — S₁) / S₀ • 100%,

где: ? — относительное сужение;

S₀ — площадь поперечного сечения образца до испытания; S₁ — площадь сечения образца в месте разрыва (в шейке).

Чем больше относительное удлинение и относительное сужение попереч­ного сечения образца, тем более пластичен материал.

Кроме трех рассмотренных характеристик механических свойств метал­лов: предела прочности (o_пч), относительного удлинения (е) и относитель­ного сужения (?), можно определить, пользуясь записанной на машине ди­аграммой, предел упругости (о_y) и предел текучести (о_m),

Испытание на сжатие. Для испытания металлов на сжатие (рис. 53) чаще всего применяют прессы, в которых сжимающая сила образуется путем увеличения гидравлического давления. При сжатии образца из плас­тичного материала, например малоуглеродистой стали (рис. 53, I), его по­перечные размеры увеличиваются, в то время как длина значительно уменьшается. Нарушение целостности образца при этом не происходит (рис. 54). Из диаграммы сжатия (рис. 53, II) видно, что в начальной стадии нагружения деформация возрастает пропорционально нагрузке, затем де­формация резко возрастает при незначительном увеличении на­грузки, далее рост деформации постепенно замедляется вследст­вие увеличения сечения образца.

Рис. 52

Рис. 53

Образцы из хрупких материалов при сжатии разрушаются (рис. 54, III). Например, стержень из чугуна при достижении разруша­ющей нагрузки распадается на части, которые сдвигаются относительно друг друга по косым площадкам (рис. 53, III).

Рис. 54

Для сжатия полностью применим закон Гука, согласно которому мате­риалы противодействуют сжатию пропорционально приложенной силе до предела упругости. Модуль упругости при сжатии для большинства мате­риалов равен модулю упругости при растяжении. Исключение составля­ют только некоторые хрупкие материалы — бетон, кирпич и т. д. Анало­гия в характере напряжения сжатия с напряжением растяжения позволяет описывать эти процессы одними и теми же математическими уравнени­ями.

Испытание на изгиб. При испытании на изгиб образец (брус) укла­дывают концами на две опоры и в середине нагружают (рис. 55). О сопро­тивлении материала изгибу судят по величине прогиба образца.

Рис. 55

Представим теперь себе в брусе воображаемые продольные волокна. При деформации изгиба волокна одной зоны сжимаются, другой — растягива­ются (рис. 55, II).

Между зонами сжатия и растяжения расположен нейтральный слой, во­локна которого не подвергаются деформации, то есть их длина не изменяет­ся. Из рис. 55 видно, что, чем больше волокна расположены от нейтрально­го слоя, тем большую деформацию они испытывают. Таким образом, мож­но сделать вывод, что при изгибе в поперечных сечениях бруса под действи­ем внутренних сил возникают нормальные напряжения сжатия и растяже­ния, величина которых зависит от положения рассматриваемых точек в се­чении. Наибольшие напряжения принято обозначать: в зоне сжатия — ?_max, в зоне растяжения — ?_mах. В точках, расположенных на нейтраль­ной оси, напряжения равны нулю. Нормальные напряжения, возникающие в различных по высоте точках поперечного сечения, возрастают пропорци­онально расстоянию от нейтрального слоя и могут быть рассчитаны по фор­муле ? = (Е • z) / р,

где: ? — нормальные напряжения;

z — расстояние от интересующего нас волокна до нейтрального слоя; Е — модуль упругости; р — радиус кривизны нейтрального слоя.

Испытание на срез. При испытании на срез (рис. 56) металличес­кий образец 3, имеющий цилиндрическую форму, вставляют в отверстие приспособления, представляющего собой вилку 1 и диск 2. Машина вы­тягивает диск из вилки, вследствие чего происходит перемещение сред­ней части образца относительно крайних его частей. Рабочая площадь S (площадь среза) равна удвоенной площади поперечного сечения образца, так как срез происходит одно­временно по двум плоско­стям.

Рис. 56

При срезе все точки дефор­мируемых сечений, ограни­ченных плоскостями действу­ющих сил, смещаются на рав­ные расстояния, то есть мате­риал в этих точках испытыва­ет одинаковую деформацию. Это означает, что во всех точ­ках сечения будут одинако­вые действующие напряже­ния.

Величину напряжения оп­ределяют делением равнодействующей F внутренних (поперечных) сил на площадь поперечного сечения стержня S. Так как вектор напряжения рас­положен в плоскости сечения, в ней возникает касательное напряжение, определяемое по формуле r_ср = F/2S, где: r_ср — величина напряжения среза;

F — равнодействующая сила;

S — площадь поперечного сечения образца. Срез — это разрушение в результате сдвига одной части материала отно­сительно другой, возникающее под действием касательных напряжений. Для деформации сдвига справедлив закон Гука: в зоне упругости напряже­ния прямо пропорциональны относительным деформациям. Коэффициен­том пропорциональности служит величина модуля упругости при сдвиге G. Относительный сдвиг (угол сдвига) обозначается у. Таким образом, закон Гука для деформации сдвига имеет вид t = Gg, где: r = F/S — касательное напряжение; F — касательная сила; S — площадь сдвигающихся слоев; y — угол сдвига;

G — модуль сдвига, зависящий от материала тела.

Испытание на кручение. При испытании образцов на кручение один конец трубы 2 закрепляют неподвижно 1, другой вращают с помо­щью рычага 3 (рис. 57). Кручение характеризуется взаимным поворотом поперечных сечений стержня, вала, трубы под влиянием моментов (пар сил), действующих в этих сечениях. Если на поверхности стержня до приложения сил кручения нанести прямолинейные образующие (рис. 57, I), то после скручивания эти образующие принимают вид винтовых линий, а каждое поперечное сечение по отношению к соседнему повора­чивается на некоторый угол (см. рис. 57, II). Это значит, что в каждом сечении происходит деформация сдвига и возникают касательные на­пряжения. Степень смещения материала при кручении определяется уг­лами закручивания ? и сдвига у. Абсолютная величина кручения опре­деляется углом закручивания рассматриваемого сечения относительно неподвижно закрепленного сечения. Наибольший угол закручивания получается на самом большом расстоянии от закрепленного конца стержня.

Рис. 57

Отношение угла закручивания ? к длине участка I, подвергающегося кручению, называют относительным углом закручива­ния Q = ? / Z,

где: Q — относительный угол закручивания;

? — угол закручивания;

Испытание на твердость. При опре­делении твердости материалов в завод­ской и лабораторной практике пользу­ются двумя методами: методом Бринелля и методом Роквелла.

Метод Бринелля. Этот метод основан на том, что при измерении твердости металлов стальной шарик 1 диаметром 2,5; 5 или 10 мм вдавливает­ся в поверхность испытуемого образца 2 при заданной нагрузке 3 от 625 Н до 30 кН (62,5 до 3000 кгс). После удаления нагрузки измеряется диаметр d отпе­чатка, оставшегося на поверхности об­разца (рис. 58), который тем меньше, чем тверже металл.

Рис. 58

Примечание. Стальной шарик должен быть выполнен из термически обрабо­танной стали твердостью не менее НВ850. Шероховатость поверхности R_z не ни­же параметра 0,100 по ГОСТ 2789-73. На поверхности шарика не должно быть де­фектов, видимых с помощью лупы при 5-кратном увеличении.

Число твердости по Бринеллю вычисляются по формуле

F — нагрузка на шарик, Н(кгс);

D — диаметр шарика, мм;

d — диаметр отпечатка, мм.

Специальная таблица (ГОСТ 9012-59) дает возможность определить твер­дость наиболее распространенных металлов.

Следует отметить, что между твердостью стали по Бринеллю НВ и преде­лом ее прочности о_пч для обычных углеродистых стилей существует соот­ношение, выраженное формулой о_пч = 0,36 НВ.

Следовательно, зная твердость стали по Бринеллю, можно вычислить и предел прочности при растяжении.

Эта формула имеет большое практическое значение. Методом Бринел­ля обычно определяют твердость незакаленных сталей, чугуна, цветных металлов. Твердость же закаленных сталей измеряют на приборе Рок­велла.

Метод Роквелла. При измерении твердости металлов по этому методу наконечник стандартного типа (алмазный конус для твердых ме­таллов или стальной шарик — для более мягких) вдавливается в испыту­емый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагру­зок: предварительной (F₀) 100 Н (10 кгс) и окончательной (F₁) 1000 Н (100 кгс) — для шарика и 1500 Н (150 кгс) — для алмазного конуса.

Под действием предварительной нагрузки конус проникает в металл на глубину h₀ (рис. 59,I); при добавлении к предварительной основной нагруз­ки глубина отпечатка увеличивается до h (рис. 59, II) и после снятия основ­ной нагрузки остается равной h₁ (рис. 59, III).

Рис. 59

Глубина отпечатка h = h₁ — h₀, полученная за счет основной нагрузки F₁, характеризует твердость по Роквеллу. Испытания по методу Роквелла производят специальными приборами, снабженными индикатором, который показывает число твердости сразу по окончании испытания.

Индикатор имеет две шкалы: черную (С) для испытания алмазным кону­сом и красную (В) для испытания шариком.

Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах.

Пример обозначения твердости по Роквеллу: HRC50 (твердость 50 по шкале С).

Определение твердости тарированными на­пильниками. Твердость HRC может быть определена с помощью ряда напильников, подвергнутых термической обработке на различную твер­дость насечки. Обычно интервал насечек колеблется от 3 до 5 единиц HRC. Тарирование напильников производится по эталонным плиткам, твердость которых заранее точно определена на приборе.

Твердость испытуемой детали Определяется двумя напильниками с ми­нимальным интервалом по твердости, один из которых может только сколь­зить по детали, а второй ее слегка царапать. Если напильник с НRС62 цара­пает металл, а с HRC59 только скользит по поверхности детали, то твер­дость HRC60—61.

Практически этим способом пользуются для установления твердости ин­струментов (разверток, фрез и т. п.), твердость которых измерить иным спо­собом бывает трудно.

Существуют и другие способы определения твердости (способ Виккерса, эле­ктромагнитные способы и др.), которые в данной книге не рассматриваются.

Надежность (по ГОСТ 27.002-89) — свойство объекта выполнять задан­ные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатаци­онных показателей в определенных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремон­тов, хранения и транспортирования.

Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его эксплуатации может включать безот­казность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость в отдельно­сти или определенное сочетание этих свойств как для объекта, так и для его частей.

Надежность не касается требований, непосредственно не влияющих на эксплуатационные показатели*, например повреждение окраски и т. д.

Таким образом, надежность характеризуется показателями, которые выявляются в процессе эксплуатации и позволяют судить о том, насколько изделие оправдывает надежды его изготовителей и потребителей.

Безотказность — свойство объекта непрерывно сохранять рабо­тоспособность** в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Это свойство очень важно для машин и механизмов, входящих в ком­плексные системы, где даже временная остановка одного звена может вы­звать сбой в работе всей автоматизированной линии.

Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе техни­ческого обслуживания и ремонтов. Предельное состояние изделия характе­ризуется невозможностью дальнейшей его эксплуатации, снижением эф­фективности или безопасности. Основным показателем долговечности дета­лей, сборочных единиц и агрегатов служит технический ре­сурс — наработка объекта от начала эксплуатации или ее возобновления после ремонта до наступления предельного состояния, оговоренного в стан­дартах или технических условиях на изделие.

Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникнове­ния его отказов, повреждений и устранению их последствий путем проведе­ния ремонтов и технического обслуживания.

Сохраняемость — свойство объекта непрерывно сохранять ис­правное и работоспособное состояние в течение и после хранения и (или) транспортирования.

Прочность — один из основных критериев работоспособности изделия, обусловливаемой циклическими и контактными напряжениями. Отсюда принято различать циклическую прочность и контактную прочность.

Детали, подвергающиеся длительной переменной нагрузке, разрушают­ся при напряжениях, значительно меньших предела прочности материала при статическом нагружении. Особенно большое внимание при конструи­ровании машин уделяется так называемым знакопеременным нагрузкам, которые много раз подряд меняют направление своего действия и «изматы­вают» или утомляют металл.

Детали машин, обладающие в обычных условиях нагружения хорошими эксплуатационными качествами, при знакопеременной нагрузке могут раз­рушаться от усталости без видимых деформаций так, как будто они выпол­нены из хрупкого материала.

Усталость металла — изменение состояния металла в ре­зультате многократного (циклического) деформирования, приводящее его к прогрессирующему разрушению. Если проанализировать процесс разрушения детали от действия переменных напряжений, то можно вы­делить две его фазы: образование микротрещины, а затем ее дальнейшее развитие до полного разрушения образца. Протекание первой фазы свя­зано со структурными особенностями материала, состоянием поверхнос­ти и амплитудой цикла. Во второй фазе сохраняют влияние структурные особенности и амплитуда цикла, но вступают в силу новые факторы, та­кие, как размеры и форма детали и законы распределения напряжений по ее объему.

Статистика показывает, что до 80% поломок и аварий при эксплуатации машин связано с усталостными явлениями. Поэтому проблема усталостной прочности является важнейшей для повышения надежности и долговечно­сти машин. Сопротивление усталости характеризуется пределом вы­носливости, то есть наибольшим напряжением, которое может выдер­жать металл без разрушения заданное число раз (для стали — 5 млн. цик­лов, для легких литейных сплавов — 20 млн. циклов).

Наиболее явно циклические нагрузки выражены в машинах и механиз­мах с возвратно-поступательным движением (поршневые машины, шатунно-кривошипные группы, кулачковые механизмы).

Во всех зубчатых передачах зубья колес подвержены циклическим на­грузкам. Валы, работающие под нагрузкой постоянного направления (валы зубчатых, ременных и цепных передач), также подвергаются циклическо­му нагружению.

Диаграмма сравнительной характеристики усталостной прочности для различных соединений типа «вал — ступица», характеризующая выносли­вость валов при циклическом кручении в зависимости от конструкции со­единения, представлена на рис. 60.

Рис. 60

Анализ причин, определяющих степень снижения усталостной прочнос­ти валов в рассматриваемых соединениях, свидетельствует о значительном влиянии конструктивных особенностей подступичной части вала и формы ступицы на распределение кон­тактных давлений. Изучение характера поломок деталей машин показало, что на их долговечность влияют главным образом форма и спо­собы обработки. Остановимся на этом более подробно. Установлено, что проч�