14621

Усталостные испытания

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Усталостные испытания Методические указания к лабораторным практическим работам и КНИРС по специальным дисциплинам для студентов всех металловедческих и материаловедческих специальностей Усталостные испытания: Методические указания к лабор

Русский

2013-06-08

2.57 MB

105 чел.

PAGE  8

усталостные испытания

Методические указания к лабораторным, практическим работам и КНИРС по специальным дисциплинам для студентов всех металловедческих и материаловедческих специальностей

Усталостные испытания: Методические указания к лабораторным,  практическим работам и КНИРС по специальным дисциплинам для студентов всех металловедческих и материаловедческих специальностей / И.К. Денисова, И.Ю. Пышминцев. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007. 15 с.

Данные указания содержат методику определения характеристик выносливости и построения диаграммы циклической трещиностойкости для конструкционных материалов.

Библиогр.: 4 назв.

Подготовлено кафедрой «Термообработка и физика металлов».

©ГОУ ВПО ВПО «Уральский государственный

технический университет - УПИ», 2007


Усталостные испытания

ВВЕДЕНИЕ

Циклические испытания механических свойств материалов имеют важное значение, поскольку большинство деталей машин, транспортных и других конструкций в процессе работы претерпевают воздействие переменных нагрузок.

Под действием циклических напряжений в материалах зарождаются и постепенно развиваются трещины, вызывающие в конечном итоге полное разрушение. Такие разрушения особенно опасны, потому что могут протекать под действием напряжений, намного меньших предела текучести. Более 80% всех случаев эксплутационного разрушения происходит в результате циклического разрушения.

Процесс постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящий к изменению его свойств, образованию трещин и разрушению, называют усталостью, а свойство противостоять усталости – выносливостью.

Задача усталостных испытаний – дать количественную оценку способности материала работать в условиях циклического нагружения без разрушения.

1.МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ НА МНОГОЦИКЛОВУЮ И МАЛОЦИКЛОВУЮ УСТАЛОСТЬ

Современные методы испытаний на усталость весьма разнообразны. Они отличаются характером изменений напряжений во времени, схемой нагружения (изгиб, растяжение-сжатие, кручение), наличием или отсутствием концентраторов напряжений. Усталостные испытания проводятся при различных температурах и в разных средах. Основные требования и методика усталостных испытаний обобщены в ГОСТ 25.502-79 [1].

Во время любого усталостного испытания на образец действуют циклические напряжения, непрерывно изменяющиеся по величине, а часто и по знаку. Типичные примеры используемых циклов напряжений показаны на рис.1. [2]. Циклом напряжений называют совокупность переменных значений за один период их изменения. За максимальное напряжение цикла – σmax принимают наибольшее по алгебраической величине напряжение. Минимальное напряжение цикла - σmin – наименьшее по алгебраической величине.

Среднее напряжение цикла σm=(σmax+ σmin)/2. Амплитуда напряжений цикла σа=(σmax- σmin)/2. Цикл характеризуется коэффициентом асимметрии Rσ=σminmax.

Если Rσ=-1, то такой цикл называют симметричным (кривая 1 на рис.1). Если минимальное и максимальное напряжение цикла не равны по величине, то он называется асимметричным (кривая 2 на рис.1). Для испытаний чаще всего используют знакопеременные циклы с Rσ=-1.

Испытания на усталость выполняют при следующих схемах нагружения: чистый изгиб при вращении или в одной плоскости; поперечный изгиб при вращении или в одной плоскости; растяжение – сжатие; переменное кручение; внутреннее давление. Наиболее типичные схемы нагружения приведены на рис.2 [3].

По ГОСТ 25.502-79 испытания на усталость проводят на образцах круглого и прямоугольного сечений, гладких и с надрезом. Некоторые из стандартных образцов показаны на рис.3. Диаметр цилиндрической части гладких образцов d обычно составляет 5-10 мм, а у образцов с надрезом d=10…20 мм при глубине надреза t=0,25*d. Ширина рабочей части плоских образцов b=10…20 и толщина h=5…10 мм.

Характеристики выносливости сильно зависят от размеров образца, часто они значительно выше у образцов с меньшим сечением. Поэтому для сравнения необходимо использовать данные, полученные на образцах одного типа.

Результаты усталостных испытаний очень чувствительны к качеству и состоянию поверхностного слоя образца. Качество поверхности должно соответствовать 9-10 классу чистоты.

Первичным результатом усталостного испытания одного образца является число циклов до разрушения (долговечность) при заданных характеристиках цикла. Критерием разрушения является разрушение образца; или образование трещины определенной протяженности; или значительное развитие пластической деформации образца.

Разновидности циклов напряжений: 1 – симметричный цикл,

2 – асимметричный

Рис.1

Схемы нагружения образцов при усталостных испытаниях: а – чистый изгиб при вращении; б – поперечный изгиб при вращении; в – чистый изгиб в одной плоскости; г – поперечный изгиб в одной плоскости; д – повторно-переменное растяжение-сжатие; е – повторно-переменное кручение

Рис.2

Испытывают серию образцов, как правило, не меньше 15. Каждый образец испытывают при определенном значении максимального напряжения цикла σmax (или σa). По результатам испытаний строят кривую усталости в полулогарифмических (σmax lgN или σa-lgN) или в двойных логарифмических координатах (lgσmax lgN или lgσa lgN).

Рабочие части образцов для испытания на усталость: a – тип II, б – тип IV, в – тип V, г – тип VII

Рис.3

Максимальное напряжение для первого образца обычно задают на уровне 2/3σB , а минимальное на уровне (0,3 – 0,5)σB. Из-за относительно большого разброса экспериментальных точек строить это кривые рекомендуется методом наименьших квадратов.

Типичные кривые усталости приведены на рис.4. По мере уменьшения максимального напряжения цикла долговечность всех материалов возрастает. При этом у сталей и некоторых цветных сплавов, склонных к динамическому деформационному старению, кривая усталости асимптотически приближается к прямой, параллельной оси абсцисс  (кривая 1 на рис.4). Многие цветные металлы и сплавы не имеют горизонтального участка на кривых усталости (кривая 2 на рис.4).

Кривые, приведенные на рис.4, называются кривыми Велера или диаграммами усталости. По ним определяются основные характеристики сопротивления металла усталостному разрушению.

Кривые усталости

Рис.4

Предел выносливости – характеристика материала, кривая усталости которого имеет горизонтальный участок. Пределом выносливости определяют как максимальное напряжение цикла (или наибольшее значение амплитуды напряжений цикла), при действии которого не происходит усталостного разрушения после произвольно большого числа циклов нагружения (не менее 10*106 циклов, называемых базой испытания). Ордината, соответствующая постоянному значению σmax (рис.4, кривая 1), и есть предел выносливости таких материалов σR.

Предел выносливости определяют для разных видов циклов напряжений, указывая это соответствующим индексом R. Так, предел выносливости при симметричном цикле обозначают σ-1.

Предел ограниченной выносливости – характеристика для материала в пределах спадающего участка диаграммы усталости. Предел ограниченной выносливости – наибольшее напряжение σmax (или σа), которое материал выдерживает, не разрушаясь, в течение определенного числа циклов нагружения (не менее 100*106 циклов – базы испытания). При сравнительных испытаниях для предела ограниченной выносливости допускается уменьшение базы до 5*106 циклов [3].

По результатам усталостных испытаний можно также определить усталостную долговечность – число циклов нагружения, которое выдерживает материал перед разрушением при определенном напряжении.

Рассмотренные характеристики выносливости относятся к испытаниям на многоцикловую усталость, где используются большие базы испытания        (106…108) и значительная частота нагружения (10…300 Гц).

Широкое распространение получили испытания на малоцикловую усталость (статическую выносливость). Их проводят с использованием относительно высоких напряжений и малой частоты циклов напряжений, обычно не более 3-5 Гц, имитируя условия эксплуатации конструкций, например, самолетных, которые подвергаются воздействию относительно редких, но значительных по величине циклических нагрузок. База испытаний на малоцикловую усталость не превышает 5*104 циклов. Таким образом, малоцикловая усталость относится к левой ветви кривых усталости до их выхода на горизонталь или появления перегиба [3].

Границей между мало- и многоцикловой усталостью является зона перехода от упругопластического к упругому деформированию в условиях циклического нагружения. Малоцикловое нагружение сопровождается развитием общей или местной (в вершине надреза или трещины) пластической деформации, величина и закономерности котрой определяют условия и характер разрушения.

Малоцикловые испытания чаще всего проводят по схеме растяжение-сжатие и применяют образцы типа II и IV (см. рис.3). Критериями выносливости материала в условиях малоцикловой усталости могут служить предел ограниченной выносливости, усталостная долговечность, величина отношения σmaxв, при котором образец разрушается после заданного числа циклов нагружения.

2.МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ НА ЦИКЛИЧЕСКУЮ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ

Все большее развитие получают усталостные испытания, базирующиеся на концепциях механики разрушения. Эти испытания получили название испытаний на циклическую трещиностойкость [4]. Их основным результатом является построение диаграммы циклической трещиностойкости – зависимости скорости роста трещины при усталости dl/dN от размаха коэффициента интенсивности напряжений цикла ΔК.

Процесс роста усталостной трещины делится на три периода, каждый из которых отвечает определенному участку диаграммы циклической трещиностойкости (рис.5). В первом периоде трещина развивается вдоль систем скольжения, находящихся в зоне действия максимальных касательных напряжений. При этом скорость роста усталостной трещины невелика, как правило, менее 10-5 мм/цикл. Во втором периоде трещина растет нормально к приложенным напряжениям. Это - период установившегося роста трещины; ее скорость пропорциональна размаху коэффициента интенсивности напряжения цикла. Аналитически этот участок между значениями ΔКа и ΔКв описывается уравнением Пэриса: dl/dN=С*(ΔК)n, где С, n – эмпирические постоянные.

Диаграмма циклической трещиностойкости.

Рис. 5

Третий, заключительный период представляет собой катастрофическое развитие трещины, заканчивающееся разрушением. Этот период отвечает третьему участку диаграммы циклической трещиностойкости, называемому «циклическим доломом».

Образец типа XII для оценки трещиностойкости

Рис. 6

Для оценки циклической трещиностойкости используют следующие характеристики:

  •  параметры С и n в уравнении Пэриса;
  •  размах коэффициента интенсивности напряжений при различных скоростях роста трещины (на пример при 10-5 10-4 10-3 и                   10-2мм/цикл);
  •  пороговое значение размаха коэффициента интенсивности напряжений страгивания магистральной трещины ΔКth;
  •  циклическая вязкость разрушения ΔКcf;
  •  живучесть Nж, характеризуемая числом циклов от момента появления усталостной трещины до разрушения образца.

Для испытаний на циклическую трещиностойкость используют плоские образцы пяти типов, один из которых приведен на рис.6.

Коэффициент интенсивности напряжений ΔК рассчитывают по формуле

            ΔК=Y* ΔP*1/l/t*b,                                         (1)

где t, b, l  - геометрические характеристики образца (см. рис.6); Р – нагрузка.

Величина коэффициента Y меняется в зависимости от типа образца и составляет для образца XII типа соответственно

Y=29,6-185(l/b)+655,7(l/b)2-1017(l/b)3+638,9(l/b)4,                 (2)

где l/b – безразмерная длина трещины. Скорость распространения трещины рассчитывают по формуле

                                   V=Δl3/N                                                       (3)

где Δl – приращение длины трещины;

N – число циклов.

3. СВЯЗЬ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫНОСЛИВОСТИ С ДРУГИМИ ФАКТОРАМИ

Характеристики выносливости определяются сочетанием прочностных и пластических свойств материала при статическом нагружении. Поэтому те эффекты легирования, структурных изменений, которые повышают весь комплекс механических свойств сплавов при растяжении и других статических испытаниях, будут повышать и выносливость.

Предел выносливости σ-1 многих материалов коррелирует с их временным сопротивлением разрыву σВ. Величина σ-1, измеренная на образцах без надреза, соответствует 0,4…о,6 σB для сталей; для латуней и бронз 0,3…0,5 σB; для алюминиевых сплавов 0,25…0,40 σB. Существует также корреляция между пределом выносливости и твердостью. Для углеродистых сталей σ-1=0,168…0,222 HB, для алюминиевых сплавов σ-1=0,19 HB.

Необходимо учитывать , что, если принимать меры только для увеличения σВ, НВ, то это может сказаться недостаточным для повышения выносливости. Упрочнение будет приводить к затруднению зарождения усталостных трещин, с одной стороны, и облегчению их распространения при снижении пластичности, с другой. В частности, поэтому повышение уровня прочностных свойств дисперсионно-упрочняемых сплавов не сопровождается соответствующим повышением выносливости.

Эмпирически установленные связи σ-1 и других характеристик выносливости с более просто и быстро определяемыми механическими свойствами широко используются для приблизительной, ускоренной оценки усталостных свойств. Необходимо помнить, что все эти корреляционные связи являются частными, применимыми для какой-то узкой группы материалов.

Циклическая вязкость разрушения ΔKcf по абсолютной величине близка к статической вязкости разрушения ΔK для многих сталей и сплавов.

Необходимо отметить, что в целом характеристики выносливости менее чувствительны к структурным изменениям, чем другие механические свойства. Так, предел выносливости многих сплавов почти не зависит от размера зерна.

Во всех металлах и сплавах отрицательно сказывается на выносливости присутствие грубых включений избыточных фаз, в частности, неметаллических.

Можно выделить следующие способы повышения выносливости материала:

  1.  Улучшение качества поверхностных слоев деталей (по шероховатости и свойствам);
  2.  Предотвращение появления трещин и зон локализовагнной деформации, в которой облегчено их зарождение;
  3.  Уменьшение напряжения начала пластической деформации в условиях циклического нагружения;
  4.  Уменьшение количества крупных включений избыточных фаз;
  5.  Повышение однородности пластической деформации в объеме материала.

Последние две задачи решаются за счет оптимального легирования, создания стабильной однородной структуры, введения дозированного количества дисперсных частиц избыточных фаз.

4. ЗАДАНИЕ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

4.1. Ознакомиться с теоретической частью работы, основными характеристиками выносливости и методиками их определения и оборудованием, применяемым для усталостных испытаний.

4.2. Получить у преподавателя первичные данные амплитуды приложенной нагрузки ΔР, длины усталостной трещины l и числа циклов N, соответствующего приращению длины трещины, полученные непосредственно в ходе усталостных испытаний. Рассчитать значения ΔK, v и заполнить табл.1. Значения поправочной функции Y(l/b) приведены в табл.2.

4.3. Построить диаграмму циклической трещиностойкости и найти характеристики выносливости в соответствии с рис.5. Заполнить табл.3.

4.4.Получить у преподавателя первичные данные для построения кривой усталости: амплитуды изгибающего момента М, диаметр образца d и число циклов до разрушения N. Заполнить табл.4. Рассчитать напряжение σ по формуле

σ=32·M/πd³

Построить кривую усталости (зависимость lgσlgN). Определить предел выносливости σ-1.

4.5. Занести рассчитанные значения характеристик выносливости в табл.5, провести анализ влияния режима термообработки на характеристики выносливости стали. Проанализировать связь механических свойств после статических испытаний на растяжение с циклической трещиностойкостью и выносливостью.


Таблица 1

Первичные данные испытаний на циклическую трещиностойкость

Частота 8 Гц; t=10 мм; b=50 мм

l, м

ΔР, Н

N

ΔK,

МПа*1/м

v,

м/цикл

lgΔK

lgv

Таблица 2

Значения поправочной функции Y(l/b) для образцов типа XII

l/b

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,3

10,82

10,86

10,91

10,98

11,05

11,15

11,26

11,38

11,50

11,64

0,4

11,78

11,93

12,10

12,27

12,45

12,64

12,85

13,08

13,31

13,57

0,5

13,83

14,11

14,32

14,74

15,08

15,45

15,85

16,28

16,74

17,24

0,6

17,78

18,36

18,98

19,64

20,36

21,13

21,96

22,86

23,82

24,85

0,7

25,95

27,14

28,41

29,77

31,23

32,78

34,44

36,21

38,09

40,10

0,8

42,23

44,50

46,91

49,46

52,17

55,03

58,07

61,27

64,66

68,23

Таблица 3

Характеристики сопротивления распространению усталостных трещин

ΔKth,

МПа*1/м

ΔK·10-9,

МПа*1/м

ΔK·10-8,

МПа*1/м

ΔK*,

МПа*1/м

ΔKcf,

МПа*1/м

C

n

Таблица 4

Результаты испытаний на многоцикловую усталость

Nобразца

d, мм

Мизг, нм

σ, МПа

N

lgN

Таблица 5

Механические свойства исследованных сталей

Мате-

риал

Режим т/о

Испытания на растяжения*

Циклические испытания

σ0,2, МПа

σВ, МПа

δ, %

ψ, %

ΔKth,

МПа*1/м

ΔK*,

МПа*1/м

ΔKcf,

МПа*1/м

n

σ-1, МПа

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

  1.  ГОСТ 25.502-79. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Метод механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость. М.: Издательство стандартов, 1980.32 с.
  2.  Металловедение и термическая обработка стали и чугуна: справочное издание. В 3-х томах. М.: Интернет инжиниринг, 2004.
  3.  Золоторевский В.С. Механические свойства металлов. М.: МИСиС, 1998. 400 с.
  4.  РД 50-345-82. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при циклическом нагружении. М.: Издательство стандартов, 1983. 95 с.