Определения предела выносливости металлов

Содержание
  1. 2. Определение предела выносливости
  2. Порядок выполнения работы
  3. 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
  4. 2. МЕТОДЫ УСКОРЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАЧЕНИЯ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ
  5. 2.1 . Определение предела выносливости экстраполяцией левой ветви кривой усталости
  6. 2.2 . Определение предела выносливости методом Локати
  7. 2.3 . Определение предела выносливости по методу Субраманьяна
  8. 2.4 . Определение предела выносливости при помощи метода ступенчато повышаемых деформаций ( Dst — метод)
  9. 3. МЕТОДЫ УСКОРЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАЧЕНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИК РАССЕЯНИЯ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ
  10. 3.1 . Метод прогрессивного повышения нагрузки для определения медианы и среднего квадратического отклонения предела выносливости (метод Про)
  11. 3.2 . Метод ограничения Мэннига
  12. 4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ МЕТОДОВ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ
  13. ПРИЛОЖЕНИЕ 1
  14. ОБОЗНАЧЕНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В НАСТОЯЩИХ МЕТОДИЧЕСКИХ УКАЗАНИЯХ
  15. ПРИЛОЖЕНИЕ 2
  16. ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ

2. Определение предела выносливости

Многие детали машин и механизмов в процессе эксплуатации подвергаются повторно-переменным (циклическим) напряжениям, что может вызвать образование трещин и разрушение даже при напряжениях ниже 0,2.

Разрушение металлов и сплавов в результате многократного повторно-переменного напряжения носит название усталости,а свойство металлов сопротивляться усталости называетсявыносливостью (ГОСТ 23207-78).

Природа усталостного разрушения заключается в следующем. Металлы, как известно, состоят из большого числа различно ориентированных зерен, которые вследствие анизотропии оказывают неодинаковое сопротивление действию внешних сил. Зерна, неблагоприятно расположенные по отношению к направлению действия внешних сил, оказываются слабыми, и пластичная деформация в них произойдет при напряжениях ниже предела текучести, в других же зернах приложенная нагрузка вызовет лишь упругую деформацию.

Многократная пластическая деформация при действии повторно-переменных нагрузок приводит к образованию микротрещины, которая, увеличиваясь, превращается в зону усталостного разрушения.

Исследования на усталость проводят для определения предела выносливости, под которым понимают максимальное напряжение цикла, которое выдерживает материал, не разрушаясь при достаточно большом числе повторно-переменных нагружений (циклов).

Предел выносливости при симметричном цикле обозначается -1. Предел выносливости чаще определяют на вращающемся образце (гладком или с надрезом) с приложением изгибающей нагрузки по симметричному циклу.

Для этого используют не менее десяти образцов, каждый из которых испытывается до разрушения только на одном уровне напряжений.

По результатам испытаний отдельных образцов в координатах «напряжение-число циклов» строят кривую, по которой и определяют предел выносливости -1 (рис. 21).

Для тех металлов и сплавов, у которых нет горизонтального участка выносливости, испытания, ограничивают определением «ограниченного предела выносливости», который для сталей равен 10 млн., а для цветных сплавов 100 млн. циклов.

Рис. 21.Схема испытания и кривая выносливости

Порядок выполнения работы

Установить длину рабочей части и площадь поперечного сечения образца до испытания.

Провести испытания образца на растяжение с записью диаграммы.

По диаграмме растяжения определить предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности.

Определить относительное удлинение и сужение образца.

Провести испытания на ударную вязкость и определить ее значение.

Виды механических испытаний металлов.

Какие характеристики определяют при испытании на растяжении?

Что такое ударная вязкость?

Как проводятся испытания на ударную вязкость?

Что такое усталость, выносливость и предел выносливости металлов?

Как определяется предел выносливости?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

Влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства стали

Цель работы:изучить влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства (твердость) малоуглеродистой стали; изучить влияние температуры нагрева на структуру и свойства (твердость) холоднодеформированной малоуглеродистой стали.

Приборы и оборудование: набор готовых микрошлифов, микроскоп МИМ-7, твердомеры, штангенциркуль.

Пластическая деформация и рекристаллизация

Холодная пластическая деформация вызывает в металле структурные изменения, а, следовательно, и изменение свойств металла.

Явления, возникающие в металле при пластической деформации, многообразны. Условно их можно разделить на три группы:

а) изменение формы и размеров кристаллов (зерен);

б)изменение их кристаллографической пространственной ориентировки;

в) изменение тонкого внутреннего строения каждого кристалла.

Пластическая деформация осуществляется путем скольжения (сдвига) или двойникования. Скольжение (сдвиг) состоит в перемещении одной части кристалла относительно другой по определенным плоскостям и направлениям. Двойникование осуществляется путем поворота некоторого объема кристалла на определенный угол.

Многочисленные исследования показывают, что скольжение и поворот осуществляются по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов. Чем больше в металле таких плоскостей, тем выше его способность к пластической деформации. Металлы и сплавы с кубическими решетками К12 и К8 имеют большую пластичность, чем металлы и сплавы с гексагональными решетками Г12 и Г6.

Вдоль плоскостей, по которым произошел сдвиг, и в прилегающих к ним объемах происходит искажение кристаллической решетки, которое вызывает упрочнение сплава. Поэтому последующее скольжение возникает уже в другой параллельной плоскости и при большем напряжении.

Процесс скольжения нельзя представлять себе как одновременное перемещение всех атомов, находящихся в плоскости скольжения, так как для группового перемещения атомов требуются напряжения в сотни раз большие, чем напряжения скольжения. Например, для монокристаллов железа наименьшая теоретическая прочность скольжения равна 23000 МПа, а реальная прочность скольжения составляет 290 МПа, что почти в 100 раз меньше теоретической; для алюминия реальная прочность почти в 500 раз меньше теоретической, для меди в 1540 раз.

Такое большое расхождение между теоретической и реальной прочностью металлов вызвано наличием в реальных кристаллах многочисленных дефектов кристаллической решетки.

Сравнительно легкое перемещение атомов по плоскостям скольжения объясняется наличием в этих плоскостях линейных дефектов – дислокаций. Дислокации бывают линейные и винтовые. Образование линейной дислокации можно представить как внедрение в идеально построенный кристалл лишней кристаллографической полуплоскости атомов, называемой экстраплоскостью (рис. 22).

Рис. 22. Схема образования линейных дислокаций:

АВ – линия дислокации; CD – плоскость скольжения линейной дислокации

Нижний край экстраплоскости АВ вызывает большое искажение в кристаллической решетке, которое называется линией дислокации. Вокруг линии дислокации концентрируются все упругие искажения кристаллической решетки. Над линией дислокации, где имеется экстраплоскость, кристаллическая решетка сжимается, а под линией дислокации, где отсутствует экстраплоскость, растягивается. Длина дислокации может достигать нескольких тысяч межатомных расстояний решетки.

При движении дислокаций происходит смещение атомов на величину, меньшую атомного расстояния, для чего требуются небольшие усилия. Происходит это потому, что атомы, лежащие на линии дислокации, находятся в неравновесном состоянии; смещенные из своих нормальных положений дислоцированные атомы перейдут в равновесное положение даже при небольшом напряжении, а атомы из нормального положения в дислоцированные.

В процессе пластической деформации происходит не только движение имеющихся в кристалле дислокаций, но и образуется большое количество новых дислокаций в различных кристаллографических плоскостях и направлениях. Если на пути движения дислокации встречаются препятствия в виде другой дислокации или дефектов другого вида, то процесс движения дислокации затормаживается, и для преодоления этих препятствий требуются большие внешние усилия.

Плотность дислокаций в недеформированном металле может составлять 10 6 –10 8 дислокаций в 1 см 2 , после деформации в этом же металле она достигает 10 10 –10 12 дислокаций в см 2 .

Таким образом, создание дислокаций – одно из важнейших явлений, возникающих при пластической деформации.

При определенной (критической) плотности дислокаций и других дефектов и искажений кристаллической решетки прочность материала увеличивается, так как создаются препятствия для свободного движения дислокаций. Чем больше искажена решетка на межзеренных и межблоковых границах, тем больше затруднено скольжение по кристаллографическим плоскостям и направлениям.

При пластической деформации поликристаллического тела зерна деформируются по разному: в первую очередь будут деформироваться те зерна, в которых плоскости легкого скольжения наиболее благоприятно расположены по отношению к приложенной силе.

В процессе развития пластической деформации изменяется форма зерен, наблюдаются повороты зерен относительно друг друга, дробление зерен и образование их определенной кристаллографической ориентации – возникает текстура деформации. По отношению к действующей силе зерна вытягиваются при растяжении и располагаются перпендикулярно к ней при сжатии. Металл приобретает как бы волокнистую структуру. Линиями волокон являются всевозможные примеси, расположенные по границам зерен. Текстурованный материал анизотропен, т.е. механические и физические свойства по разным направлениям различны.

Таким образом, пластическая деформация, каким бы способом она не производилась (растяжением, сжатием, изгибом, прокаткой, волочением и т.д.), вызывая искажения кристаллической решетки, дробление блоков мозаичной структуры, изменяя форму зерен и образуя текстуру, приводит к изменению всех свойств металлов и сплавов.

Читайте также:  Трактор для газовой резки металла

Характеристики прочности (твердость, предел прочности, предел упругости, предел текучести) с увеличением степени пластической деформации растут; характеристики пластичности и вязкости (относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость) падают. В процессе пластической деформации изменяются физические свойства: уменьшается плотность, сопротивляемость коррозии, магнитная проницаемость, увеличивается коэрцитивная сила, увеличивается электросопротивление, изменяется термоэлектродвижущая сила.

Деформация со степенью более 70% увеличивает предел прочности в полтора – два раза, а иногда и в три раза, в зависимости от природы металла и вида обработки давлением. Относительное удлинение при этом снижается в 10–20, а иногда и в 30–40 раз.

Упрочнение металлов и сплавов, полученное в процессе пластической деформации, называется нагартовкой или наклепом.

Состояние металла, возникающее в результате наклепа, является неустойчивым, метастабильным, с повышенной свободной энергией. Поэтому даже при комнатных температурах в нагартованном металле протекают самопроизвольно диффузионные процессы, приводящие деформированный металл в более равновесное состояние. При повышенных температурах эти процессы протекают быстрее. В зависимости от степени деформации, температуры и времени нагрева в нагартованном металле протекают разные по своему типу структурные изменения, которые подразделяют на две стадии: возврат и рекристаллизацию. В свою очередь стадия возврата включает отдых и полигонизацию, а стадия рекристаллизации – первичную рекристаллизацию (рекристаллизация обработки) и собирательную, или вторичную рекристаллизацию.

При отдыхе (или возврате первого рода) происходит диффузионное перемещение и аннигиляция (взаимное уничтожение) точечных дефектов, уменьшение концентрации вакансий. За сет этого частично снимаются упругие искажения кристаллической решетки и, следовательно, частично восстанавливаются механические и физические свойства. Микроструктура металла и кристаллографическая ориентация его зерен практически не изменяются. Температура отдыха для железа соответствует 300–350ºС.

Полигонизация (или возврат второго рода) протекает при более высокой температуре (для железа 450–500ºС). Она характеризуется тем, что происходит планомерное перемещение дислокаций и группировка дислокаций в ряды (рис. 23). Дислокации выстраиваются друг над другом, образуя вертикальные дислокационные малоугловые границы, которые разделяют соседние субзерна с небольшой разориентировкой решеток. В результате происходит дальнейшее снятие упругих искажений решетки и более полное восстановление физических свойств. Механические свойства при этом изменяются незначительно, т.к. процессы протекают внутри зерна, а сами зерна не изменяют свою форму.

При более высоких температурах (tнр – температура начала рекристаллизации, рис. 24), определенных для каждого материала, начинается процесс образования новых зерен взамен волокнистой

Рис. 23. Схема полигонизации:

а – хаотичное распределение дислокаций в изогнутом кристалле; б – стенки из дислокаций после полигонизации

структуры. При этом происходит полное разупрочнение деформированного материала. Механические и физические свойства приобретают прежние значения (см. рис. 24). Образование и рост новых зерен с менее искаженной решеткой за счет исходных деформированных зерен называется рекристаллизацией обработки, или первичной рекристаллизацией. Движущей силой рекристаллизации обработки является энергия искажений деформированных зерен.

Температура начала рекристаллизации (21) зависит от многих факторов и прежде всего от степени деформации материала, химического состава, количества примесей в нем; от природы материала, от величины зерна до деформации, от температуры деформирования. Определено, что

где Трекр.– абсолютная температура рекристаллизации;

а– коэффициент, учитывающий вышеперечисленные факторы;

Тпл.– абсолютная температура плавления данного вещества.

Для железа и других металлов технической чистоты минимальная температура рекристаллизации определяется по формуле Л.А. Бочвара (22):

Повышение температуры (t1, см. рис. 24) или увеличение времени выдержки приводит к росту зерен, т.е. происходит поглощение мелких, термодинамически неустойчивых зерен более крупными. Такой процесс получил названиесобирательной,или вторичной рекристаллизации. Эта стадия рекристаллизации нежелательна для производства, так как она приводит к образованию разнозернистости.

Температура рекристаллизации играет огромное практическое значение. Чтобы пластическая деформация создавала в материале упрочнение (наклеп), она должна осуществляться при температурах ниже температуры рекристаллизации. Такая обработка давлением называется холодной. Если же обработка давлением производится при температурах выше температуры рекристаллизации, то возникающее при деформации упрочнение будет сниматься процессом рекристаллизации и материал разупрочняется. Такая обработка давлением называетсягорячей.

Термическая операция, заключающаяся в нагреве деформированного материала до температуры выше Трекр, выдержке и последующем медленном охлаждении (с печью), называетсярекристаллизационным отжигом.

Практически температура рекристаллизационного отжига выбирается выше расчетной обычно на 200–300ºС для ускорения процесса рекристаллизации. Для железа и низкоуглеродистой стали эта температура принимается 650–700ºС.

Рис. 24. Влияние нагрева на механические свойства и микроструктуру холоднодеформированного металла

Установлено, что зерно растет особенно сильно после небольшой степени деформации, называемой критической степенью деформации εкр.(рис. 25).

Критическая степень деформации для железа равна 5–6%; для малоуглеродистой стали 7–15%.

При критической степени деформации возможно взаимное уничтожение дислокаций при тепловом их движении, что способствует постепенному уменьшению количества дислокаций на границах зерен и слиянию нескольких зерен в одно крупное.

Критическую степень деформации следует избегать, так как после рекристаллизационного отжига крупнозернистая структура обладает пониженной ударной вязкостью, более низкими σв, σ0,2и δ.

Рис. 25. Влияние степени деформации на размер зерна после рекристаллизационного отжига

Источник

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1 . При планировании испытаний обеспечивают:

случайный отбор объектов испытаний из генеральной совокупности;

исследование всех влияний на результаты испытаний;

исключение нежелательных воздействий.

1.2 . Устанавливают возможности ограничения объема испытаний с последующим уточнением (при необходимости) постановки вопроса.

1.3 . При обработке результатов испытаний принимают во внимание все опытные данные, которые могут быть использованы в дальнейшем (например для оценки вида функции распределения).

1.4 . Критерий отказа должен быть установлен перед испытаниями. В качестве критериев отказов принимают:

достижение трещиной определенной длины;

недопустимые изменения формы или другие критерии.

1.5 . Предел выносливости s R определяют на базе испытаний N d ( что соответствует также абсциссе точки перелома кривой усталости N G при ее аппроксимации (черт. 1 ) двумя отрезками прямых в двойных логарифмических или полулогарифмических координатах).

Схематическое представление кривых усталости в двойных логарифмических и полулогарифмических координатах

1.6 . Предел выносливости — случайная величина, которая находится в переходной области кривой усталости.

Переходная область — зона, в которой при испытании до базового числа циклов либо происходит отказ, либо не происходит. От вероятности наступления одного из этих двух событий зависит распределение предела выносливости (п. 3.2).

Вероятность того, что при напряжении s а произойдет отказ, равна вероятности того, что предел выносливости меньше, чем s а .

1.7 . При ускоренных испытаниях по пп. 2.1 — 2.3 возможно определение только медианы выносливости.

Метод Про (п. 3.1) позволяет дополнительно оценить рассеяние предела выносливости.

Значения предела выносливости для высокой вероятности безотказной работы могут быть определены методом ограничения Мэннига (п. 3.2).

1.8 . Границы переходной области соответствуют вероятности безотказной работы (нижняя граница) и (верхняя граница). Для = 90 % принимают = 10 % или (для большей статистической надежности) = 95 % и = 5 %.

1.9 . В большинстве случаев (при отсутствии специальных указаний относительно вида распределения) целесообразно принимать распределение пределов выносливости нормальным.

2. МЕТОДЫ УСКОРЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАЧЕНИЯ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ

2.1 . Определение предела выносливости экстраполяцией левой ветви кривой усталости

Метод основан на принятой линеаризации левой ветви кривой усталости в полулогарифмических или двойных логарифмических координатах и предназначен для определения значения предела выносливости.

Предпосылкой метода является то, что левая ветвь кривой усталости известна, или может быть получена из предварительных экспериментов по ГОСТ 25.502.

Предел выносливости вычисляют графически или аналитически экстраполяцией левой ветви до базового числа циклов ( N D ), при этом получают значение около 0,9 s r , или до абсциссы точки перелома кривой усталости ( N G ). Значение N D составляет для черных металлов и сплавов 10 7 циклов, a при отсутствии экспериментальных данных принимают по табл. 1.

Ориентировочные значения абсциссы точки перелома кривых усталости для объектов испытании из стали

Несварные детали машин

1 × 10 6 — 5 × 10 6

Читайте также:  Сварка металла толщиной 5мм

В зависимости от уровня концентрации напряжений

Цилиндрические зубчатые передачи

По критерию усталостной прочности ножки зуба

Когда имеются экспериментальные данные в переходной области, то можно параметр s R рассматривать как медиану предела выносливости, если при испытании как минимум трех образцов в области (0,95 — 1,05) s R примерно половина достигла числа циклов .

2.2 . Определение предела выносливости методом Локати

2.2.1 . Метод основан на известной гипотезе линейного суммирования повреждений и предназначен для ускоренного определения среднего значения предела выносливости.

2.2.2 . Предпосылкой метода является то, что левая ветвь кривой усталости определена в вероятностном аспекте для изделий-аналогов или одной из предшествующих партий исследуемых объектов. В этом случае необходимо испытание как минимум одного изделия (образца). Испытание проводят при ступенчато-возрастающей нагрузке до разрушения образца (черт. 2 ).

Испытания по методу Локати

2.2.3 . Путем экстраполяции до (см. п. 2.1 ) или из опыта получают оценку среднего значения ожидаемого предела выносливости , при этом

Приращение напряжений выдерживают постоянным и определяют по уравнению (2)

Число циклов n i , где i = 1, . k — 1 ( k — номер ступени, на которой происходит разрушение), также принимают постоянным и вычисляют по уравнению (3)

2.2.4 . Для оценки левая ветвь кривой усталости должна быть представлена статистически, т.е. наряду c m * и должны быть известны m и , т, , , , .

Приближенно для = 90 % и = 10 %

Приближенно значения и могут быть получены с использованием меры рассеяния по формулам:

Далее по уравнению (8) вычисляют три суммы накопленных повреждений

2.2.5 . Оценку медианы предела выносливости () определяют графически или аналитически экстраполяцией или интерполяцией графика, представленного на черт. 3 .

Определение по имеющимся вероятностным кривым усталости

При повторном проведении опытов методом Локати можно определить дополнительные оценки и затем усреднить их.

2.3 . Определение предела выносливости по методу Субраманьяна

2.3.1 . Метод основан на предпосылке о пересечении линий повреждения в одной точке, которая одновременно является точкой перелома кривой усталости образцов материалов.

2.3.2 . Для использования метода необходимо знать координаты двух точек на левой ветви кривой усталости (, N 1 ) и (, N 2 ), причем .

Если таких данных нет, то проводят испытания двух групп образцов на уровнях напряжения и (не менее трех образцов на каждом из уровней) и получают соответствующие значения усталостной долговечности и .

Проводят двухступенчатые испытания не менее трех идентичных образцов сначала в течение n 1 циклов на уровне напряжения и затем доводят образцы до разрушения на уровне напряжения и получают среднее значение остаточного ресурса п2.

Предел выносливости определяют по уравнению

При этом целесообразно соблюдать условия:

2.4 . Определение предела выносливости при помощи метода ступенчато повышаемых деформаций ( Dst — метод)

2.4.1 . Метод основан на соотношении циклических напряжений и деформаций материала в области многоцикловой усталости и предназначен для определения 10 %-го квантильного значения предела выносливости при растяжении — сжатии. Используемые величины напряжений — деформаций пояснены на черт. 4 при помощи диаграммы циклического деформирования (петли гистерезиса).

Параметры диаграммы циклического деформирования

Из условия e а,р ® 0 получают характеристическое значение амплитуды переменных напряжений для материала, которое определяет cя как циклический предел упругости .

Эта величина, которая не зависит от влияния поверхности, поперечного сечения или масштабного фактора, соответствует также пределу выносливости при растяжении — сжатии для вероятности разрушения 10 %.

При проведении испытаний с управлением по деформациям можно заменить условие e а,р ® 0 условием D s а ® 0. Падение напряжений D s а характеризует падение амплитуды напряжений вследствие разупрочнения материала. Значение получается при этом непосредственно из простого измерения усилия.

2.4.2 . Предпосылками реализации метода являются наличие:

управляемой от ЭВМ сервогидравлической испытательной машины;

устройств для измерения сил и деформаций (например экстензометров).

Метод применим для:

нелегированных или низколегированных углеродистых сталей;

ненадрезанных (гладких) образцов;

незначительного числа образцов ( n ³ 5).

2.4.3 . Испытания начинают согласно черт. 5 с уровня нагружения ниже предела выносливости при растяжении — сжатии , т.е. выбирают

Предварительные испытания с управлением по деформациям для определения начала разупрочнения

Для конструкционных сталей действительно соотношение

2.4.4 . Если на уровне до накопления числа циклов N = 10 4 не установлено падение s а , то амплитуду деформаций e а повышают на 0,1 × 10 -3 и проводят испытания такого же образца на уровне деформаций до накопления 10 4 циклов.

Испытания продолжают таким образом до тех пор, пока не будет зафиксировано (доказано) падение напряжений Ds а (например ® на черт. 5).

Значение дает уже хорошее приближение для .

2.4.5 . Дальнейшие испытания проводят как двухступенчатые опыты на следующих уровнях деформаций:

Значение соответствует амплитуде напряжений, при которой в предварительных испытаниях наблюдалось разупрочнение материала (например на черт. 5 ).

В качестве и соответственно принимают то значение, которое получается вследствие разупрочнения на 1-й ступени или (в случае, если на 1-й ступени еще не наблюдалось разупрочнение) — на 2-й ступени.

Проводить испытания целесообразно при частоте нагружения 0,5 — 1,0 Гц.

3. МЕТОДЫ УСКОРЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАЧЕНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИК РАССЕЯНИЯ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ

3.1 . Метод прогрессивного повышения нагрузки для определения медианы и среднего квадратического отклонения предела выносливости (метод Про)

3.1.1 . Метод основан на принятой зависимости между s R и разрушающим напряжением s р в экспериментах с прогрессивно возрастающей нагрузкой, имеющей вид

(17)

где К и с — постоянные, а a — средняя скорость возрастания напряжений ( Ds а / D n ).

3.1.2 . Начиная с начального напряжения , испытуемый объект подвергают непрерывно или ступенчато возрастающей нагрузке, которая приводит в конечном итоге к разрушению при напряжении s р .

Значение начального напряжения должно быть меньше ожидаемого предела выносливости, и его уровень рекомендуется выбирать в пределах (0,8 — 0,9), а значение a — в интервале от 2,5 × 10 -5 до 5 × 10 -4 МПа/цикл.

3.1.3 . Испытания проводят для l = 2 — 4 различных скоростей роста напряжений a i по т i испытуемых объектов на каждой скорости a i . Целесообразно придерживаться следующих рекомендаций: a 1 = 2,5 × 10 -5 МПа/цикл, a l » 3,5 × 10 -4 МПа/цикл.

Для повышения точности статистической обработки результатов испытаний наибольшее число образцов должно быть испытано при минимальном и максимальном значениях a i , а при промежуточных значениях a i может быть испытано меньшее число образцов, т.е. m 1 = m l , m 2 = m l -1 l > 2). Общее число образцов

3.1.4 . Уравнение ( 17 ) описывает линейную зависимость между s р и а с так, что результаты испытаний могут обрабатываться с применением методов линейного регрессионного анализа.

3.1.5 . По уравнениям ( 18 ) и ( 19 ) получают К и как оценки для К и . Величина является при этом напряжением разрушения для j -го опыта при скорости роста напряжений a i , а — средним значением всех , полученных при a i .

Постоянная с лежит чаще всего в интервале между значениями 0,3 и 0,5 и может быть определена минимизацией меры отклонения экспериментальных точек от теоретической прямой Q , определяемой по формуле

В качестве первого приближения можно принять с = 0,3.

3.1.6 . Оценку рассеяния s R определяют из уравнения

3.1.7 . Для контроля полученного по формуле ( 19 ) значения могут быть проведены испытания при , которые не должны привести к разрушению.

3.2 . Метод ограничения Мэннига

3.2.1 . Метод предназначен для определения всей переходной области кривой усталости.

3.2.2 . На первом уровне испытывают один объект. В зависимости от того, наступит отказ или нет до базового числа циклов N d , уровень напряжений понижают или повышают на величину D s а . Этот процесс продолжают до тех пор, пока на одном из уровней напряжения не наступит альтернативное событие.

На этом уровне проводят еще п — 1 эксперимент, т.е. общее число испытанных на уровне образцов составит п.

В заключение проводят п испытаний на уровне напряжения , рассчитываемом по формуле

где .

Величина S определяет ширину переходной области (в долях ), а i 1 — частоту отказов при напряжении . Для различных объектов испытаний рекомендуемые значения S приведены в табл. 2.

При помощи i 2 (частота отказов при ) можно рассчитать по формуле (23) предел выносливости , соответствующий вероятности безотказной работы .

Рекомендуемые значения параметра s

хорошо определенная форма (например ступенчатые валы)

плохо определенная форма (например корпусные детали)

Читайте также:  Лазерная резка листового металла что это

где — квантиль нормированного нормального распределения для вероятности отказа Р = 1 — ; и — позиционная квантиль. Значения определяют по табл. 3, a и — по табл. 4 для нормального распределения.

Квантиль нормированного нормального распределения

( )

Необходимо стремиться, чтобы i 1 и i 2 принимали значения 1 и п — 1 и не принимали значений 0 и п.

3.2.3 . Если имеются результаты экспериментов в области ограниченной выносливости, то в качестве необходимо использовать наивысший уровень напряжений, на котором появляются неразрушившиеся образцы.

3.2.4 . Число объектов испытаний выбирают с учетом рекомендаций:

минимальное n = 4;

для п ;

если ошибка в оценке должна быть меньше 2 %, то n ³ 15;

если ошибка для 99 %-ного значения предела выносливости (нижняя граница рассеяния) должна быть меньше 5 %, то n ³ 20.

Значения позиционных квантилей

Оба последние требования основаны на предположении, что d , как минимум, равно половине переходной области, а i 1 , i 2 — отличны от нуля и п.

4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ МЕТОДОВ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ

4.1 . Схема выбора метода ускоренных испытаний приведена в табл. 5 . В схеме перечислены некоторые из условий, необходимых для практической реализации методов.

4.2 . В зависимости от того, требуется получить оценку лишь одного значения предела выносливости, соответствующего вероятности , либо точечную оценку предела выносливости и характеристики его рассеяния при выборе метода ускоренных испытаний, переходят к п. 4.3 или 4.5 .

4.3 . Учитывают имеющуюся априорную информацию о левой ветви кривой усталости. Если такая информация имеется, то испытания не проводят. В этом случае проводят оценку методом экстраполяции предела выносливости для вероятности (той же, что и для левой ветви кривой усталости). Как правило, вероятность принимает значения 0,5 (средняя кривая усталости) и 0,9 (нижняя кривая усталости). При отсутствии априорной информации о левой ветви кривой усталости объектов испытаний может быть использована информация о левой ветви кривой усталости для другой партии изделий или для изделия-аналога. В этом случае целесообразно использовать метод ускоренных испытаний Локати ( n ³ 1), дающий оценку медианы предела выносливости.

4.4 . При полном отсутствии априорной информации о левой ветви кривой усталости могут использоваться данные о материале и характере объекта испытаний.

Если образцы изготовлены из нелегированной или низколегированной углеродистой стали, то целесообразно применять метод ступенчато повышаемых деформаций (Dst — метод) ( n ³ 5), который позволяет определять (значение предела выносливости, соответствующее вероятности безотказной работы 0,9).

Если же объект испытаний является образцом другого класса материалов, может применяться метод Субраманьяна ( n ³ 3(9)), который позволяет определить медиану предела выносливости . Значение n ³ 9, указанное в скобках, относится к случаю, когда левая ветвь кривой усталости неизвестна и приходится экспериментально определять две точки с координатами ( s 1 , ) и ( s 2 , ), причем для эксперимента берут по три образца на каждом уровне нагружения, а затем три образца испытывают методом Субраманьяна.

Схема выбора метода ускоренных испытаний

В случае, если объектами испытаний являются детали машин и элементы конструкций и, кроме того, требуется определить характеристики рассеяния предела выносливости, то переходят к п. 4.5, либо применяют неускоренный метод испытаний по ГОСТ 25.502.

4.5 . При наличии априорной информации об относительной ширине переходной области кривой усталости применяют метод ограничения Мэннига ( n ³ 16), который позволяет определить ( — любая).

При отсутствии априорной информации об относительной ширине переходной области кривой усталости целесообразно применять метод прогрессивного повышения нагрузки (метод Про) ( n ³ 20) для определения медианы и среднего квадратического отклонения предела выносливости .

4.6 . В табл. 5 методы расположены слева направо в порядке возрастания необходимого числа образцов.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ОБОЗНАЧЕНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В НАСТОЯЩИХ МЕТОДИЧЕСКИХ УКАЗАНИЯХ

с — постоянная при оценке предела выносливости методом возрастающей нагрузки (по методу Про);

d — вспомогательная величина, используемая в методе ограничения Мэннига;

i , j — текущие индексы;

k — номер ступени отказа при испытаниях с возрастающей нагрузкой по методу Локати;

К — постоянная в уравнении Про;

— оценка К;

l — число различных скоростей роста напряжений в методе Про;

п число объектов испытаний;

n i — число циклов нагружения, пройденное объектом испытаний на i -м уровне напряжения;

т i — число объектов, испытанных методом Про на i -й скорости роста напряжений ( a i );

N — число циклов до разрушения при одноступенчатом нагружении (долговечность);

— абсцисса точки перелома кривой усталости (по ГОСТ 23207), ее нижняя и верхняя границы, соответственно;

N D — базовое число циклов;

N i — число циклов до разрушения при напряжении;

Q — мера отклонения экспериментальных точек от прямой линии регрессии при испытаниях с возрастающей нагрузкой по методу Про;

— вероятность безотказной работы;

s — параметр ширины переходной области для метода ограничения Мэннига;

— оценка дисперсии предела выносливости;

, — вероятность безотказной работы на нижней и верхней границах переходной области соответственно;

u i , n — позиционная квантиль нормированного нормального распределения;

— квантиль нормированного нормального распределения для вероятности безотказной работы;

q — вспомогательная величина в методе Субраманьяна;

a — средняя скорость роста напряжений при испытаниях методом Про;

s a — амплитуда напряжений;

Ds — ступень приращения напряжений;

— амплитуда напряжения i -го уровня;

— начальное напряжение (методы Про и Мэннига);

s R — предел выносливости — по ГОСТ 23207;

— предварительная оценка предела выносливости (ожидаемое значение предела выносливости);

— предел выносливости при вероятности безотказной работы ;

— медиана предела выносливости;

— оценка медианы предела выносливости;

s Р — разрушающее напряжение (при котором произошел отказ);

— разрушающее напряжение в j -м эксперименте при средней скорости роста напряжений a i ;

т * — показатель наклона левой ветви средней кривой усталости в двойных логарифмических координатах;

т и , m — показатели наклона левой ветви кривых усталости для в соответственно;

D s а — разность амплитуд напряжений;

— условная мера рассеяния предела выносливости;

— циклический предел упругости материала;

— предел выносливости образцов при растяжении-сжатии;

— среднее разрушающее напряжение при средней скорости роста напряжений a i ;

e а — амплитуда относительной деформации;

e ар — амплитуда пластической деформации.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ

1 . Испытания методом Локати при статистически заданной кривой усталости (п. 2.2 )

Задано: сварной образец; m * = 3,75; m и = 3,5; n 0 = 4,0; = 50 %; = 90 %; = 10 %; = 3 × 10 6 ; = 100 МПа; = = 1 : 1,5.

Решение. Испытание методом Локати дало k = 10 и n k = 42500. Для вычисления и используют , , и : = 2 × 10 5 , = 4,5 × 10 6 , = 0,9 × s R = 90 МПа, D s а = 9 МПа, n i = 7500 D s а = 67500.

= =

Графическая оценка дает значения = 92 МПа (черт. 6 ).

2 . Ускоренная оценка среднего значения предела выносливости методом Субраманьяна (п. 2.3 )

Задано: Цилиндрические образцы из арматурной стали марки 12Г2С типа VIII по ГОСТ 25.502 (ТГЛ 36766) диаметром 10 мм с кольцевым надрезом радиусом 1 мм; известны две точки на левой ветви кривой усталости (в области ограниченной выносливости) с координатами: = 245 МПа, = 84400 циклов; = 166,6 МПа, = 3347417 циклов.

Найти: .

Решение: 1) Проводим двухступенчатый эксперимент по схеме ® по методике Субраманьяна (п. 2.3) при n 1 / = 0,1 ( n 1 = 8440 циклов).

В итоге испытаний на уровне получен остаточный ресурс = 535100 циклов (/ = 0,1598.

Вычислим значение q по формуле (11)

Искомую оценку среднего значения предела выносливости вычисляют по формуле (10)

Среднее значение предела выносливости, полученное методом «лестницы» для контроля точности метода Субраманьяна, составило = 160 МПа.

Таким образом, относительная погрешность в оценке предела выносливости методом Субраманьяна

При тех же уровнях напряжений и испытан второй образец методом Субраманьяна, но при значении n 1 / = 0,75 ( n 1 = 63300).

Остаточный ресурс образца на второй ступени ( ) составил = 142200 циклов (/ = 0,0425).

При этих условиях

Примечание. Имея две точки на кривой усталости в области ограниченной выносливости и полученное ускоренным методом Субраманьяна, значение можно изобразить в первом приближении всю кривую усталости.

3 . Оценка медианы и среднего квадратического отклонения предела выносливости по методу Про (п. 3.1 )

Задано: Значения скорости роста напряжений a 1 = 2,5 × 10 -5 МПа/цикл, a 2 = 25 × 10 -5 МПа/цикл.

Испытано по семь образцов на каждой скорости роста напряжений (см. табл. 6 ). Постоянная с принята равной 1/3.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector