Испытания на растяжение на усталость

Экспериментальным методам исследования усталости металлов и конструктивных элементов уделялось и уделяется большое внимание, поскольку полученные с использованием этих методов результаты являются основой обеспечения надежности и долговечности конструкций, работающих в условиях переменных нагрузок.

Испытания на усталость производят как для пластичных, так и для малопластичных и хрупких материалов (ГОСТ 2860—65).

Предел выносливости чаще всего определяют на вращающемся образце (гладком или с надрезом) в условиях знакопеременного (симметричного) цикла (омакс = амин), т. е. с приложением изгибающей нагрузки, вызывающей знакопеременные напряжения (растяжение-сжатие); при этом число циклов знакопеременных нагружений может быть установлено достаточно большим.

Испытания на усталость могут быть длительные и ускоренные. Длительные испытания производятся на круглых образцах.

Схема испытания на машинах, работающих по методу консольного изгиба, показана на рис. 4.6, а. Один конец образца 2 зажимается во вращающемся шпинделе 1 машины, а на другой конец надевается подшипник 3, к которому подвешивается груз Р. При вращении образец подвергается повторно-переменному нагружению. При каждом обороте изменение величины напряжения совершит полный цикл от амакс через нуль к амин и т. д. (рис. 4.6, б). В этом случае изгибающие моменты распределяются по закону треугольника.

При заданной нагрузке испытание продолжается до разрушения образца, при этом регистрируется число выдержанных циклов.

После разрушения образца его заменяют другим и уменьшают или увеличивают груз. Так испытания повторяют несколько раз, определяя каждый раз число циклов, доводящее образец до разрушения. Для определения предела выносливости испытывают целую серию (не менее шести) одинаковых образцов, изготовленных из одного и того же материала.

Первый образец испытывают при напряжении cjj (для стали = 0,6ав, а для легких сплавов aj = 0,4ав); при этом определяют число циклов N, вызвавшее разрушение образца. Для второго и последующих образцов напряжения а2, аз и т. д. каждый раз снижают или повышают на 2 или 4 кгс/мм2 (на 19,62 или 39,24 МПа) в зависимости от числа циклов, вызвавшего разрушение первого

Рис. 4.6. Длительное испытание на усталость:

а — схема испытания; б — диаграмма циклического изменения напряжений

образца. Разность между напряжениями для двух последних образцов проверяемой серии не должна превышать 19,62 МПа.

С уменьшением нагрузки число выдержанных циклов возрастает.

Испытания заканчиваются построением диаграммы кривой усталости в координатах «напряжения — число циклов» в пропорциональном или логарифмическом масштабах.

Кривая вначале быстро падает, а потом приближается к прямой, параллельной горизонтальной оси. Горизонтальный участок, т. е. максимальное напряжение, не вызывающее разрушения при бесконечно большом числе перемен нагрузки, соответствует пределу выносливости. Пределы выносливости выражают в номинальных напряжениях и обозначают r в кгс/мм2 (МПа).

Предел выносливости можно определить по формуле

где Р — вес груза, кгс (Н); / — длина образца, мм (м); d — диаметр образца, мм (м); R — коэффициент асимметрии цикла.

Следовательно, при напряжениях меньше cyR материал, не разрушаясь, выдерживает большое число циклов.

Предел выносливости обычно считают достигнутым при числе циклов N — 5 • 106 (если испытания проводились при комнатной температуре).

Для новых сталей, впервые применяемых для изготовления деталей, длительность работы которых может значительно превышать 5 млн циклов, базу испытаний устанавливают от 10 млн циклов.

Предел выносливости образцов из легких литейных сплавов (алюминиевых или магниевых) определяют на базе 10 млн циклов или на иной базе, задаваемой техническими условиями в зависимости от условий работы детали.

При указании предела выносливости отмечают базу испытаний, при которой они проводились.

При длительных испытаниях образцов на машинах с постоянным изгибающим моментом, работающих по методу чистого изгиба, испытываемый образец, закрепленный в шпиндельных бабках, приводится во вращение электродвигателем. При этом рабочая часть нагруженного образца испытывает повторно-переменное напряжение изгиба, постоянное по всей длине образца. Число сотен оборотов образца (циклов нагружения) определяется по показаниям счетчика.

При разрушении образца по сигналу датчика электродвигатель машины отключается.

Для определения предела усталости испытывают также целую серию однотипных образцов, последовательно изменяя нагрузку, производят вычисление и построение диаграммы.

Пределы выносливости пластичных материалов, определенные в условиях изгиба и растяжения, мало отличаются по своим значениям. В то же время предел выносливости при кручении пластичных металлов составляет 0,5—0,6 от предела выносливости при изгибе в условиях симметричного цикла.

При наличии большого числа факторов, влияющих на циклическую прочность, и необходимости их одновременного учета наиболее показательными оказываются результаты испытаний реальных деталей (в их натуральную величину) в условиях, приближающихся к эксплуатационным. Детали, работающие в сопряжении с другими деталями, испытываются в сборе, в конструктивных узлах (болтовые рельсовые стыки, оси в запрессовке, рессорные листы в сборе и т. д.), поскольку в местах соединения деталей может развиваться коррозия, снижающая предел выносливости.

Несмотря на свои преимущества, натурные испытания значительно менее распространены, чем испытания моделей деталей или образцов, материала.

Металлы, работающие в сложных условиях, при повышенных или пониженных температурах, при коррозии и в других специальных условиях, испытываются на машинах, снабженных специальными установками и приспособлениями.

Нагружение образцов при испытаниях на усталость проводится по одной из основных схем, показанных на рис. 4.7—4.13. На рис. 4.7 приведена схема испытания при чистом изгибе при вращении круглого образца (схема I). По такой схеме можно проводить испытания при симметричном цикле, тогда напряжения определятся по формуле

где Л7И — переменный изгибающий момент; W3 — экваториальный момент сопротивления сечения.

На рис. 4.8 показана схема испытаний при чистом изгибе в одной плоскости круглых и некруглых образцов (схема 11). При такой схеме нагружения испытания проводятся как при симметричном, так и при асимметричном циклах нагружения. Амплитуда напряжения определяется по формуле, среднее напряжение цикла

где Мср — средний изгибающий момент.

Рис. 4.7. Схема испытания при чистом изгибе при вращении образца

На рис. 4.9 показана схема испытаний при поперечном изгибе при вращении консольных круглых образцов (схема III). Напряжения определяются по формуле

Рис. 4.8. Схема испытания при чистом изгибе в одной плоскости

где Ми — переменный изгибающий момент; W3 — экваториальный момент сопротивления сечения.

На рис. 4.10 дана схема испытаний при поперечном изгибе в одной плоскости консольных круглых и некруглых образцов (схема IV). Испытания проводятся как при симметричном, так и при асимметричном циклах нагружения. Напряжения подсчитываются по приведенным выше формулам.

На рис. 4.11 показана схема испытаний при поперечном изгибе консольных круглых образцов при вращении силовой плоскости

Рис. 4.9. Схема испытаний при поперечном изгибе при вращении консольных образцов

Рис. 4.10. Схема испытаний при поперечном изгибе в одной плоскости консольных образцов

Рис. 4.11. Схема испытаний при изгибе консольных образцов при вращении силовой плоскости

(схема V). Испытания проводятся при симметричном цикле нагружения, напряжения определяются по формуле

где Мн — переменный изгибающий момент; W3 — экваториальный момент сопротивления сечения.

На рис. 4.12 приведена схема испытаний при переменном растяжении-сжатии круглых и некруглых образцов (схема VI). Испытания могут проводиться как при симметричном, так и при асимметричном циклах нагружения. Амплитуда и среднее напряжение цикла определяются по формулам:

где Ра — переменная нагрузка; Рср — средняя нагрузка; F — площадь поперечного сечения.

ь

Ь

Рис. 4.12. Схема испытаний при переменном растяжении—сжатии

+ Л

11 р

СТ ,. о 1

I и

Образец | я ЧУ М/

………………………. +

О

D О

IIIII ММ II ММ II ММ II ММ III и I

гг ° R*

Р = Р +Р п% ь «

ср-‘а = и b

Г j

Рис. 4.13. Схема испытаний при переменном кручении

На рис. 4.13 дана схема испытаний при переменном кручении круглых образцов (схема VII). При такой схеме испытания проводятся как при симметричном, так и при асимметричном циклах нагружения. Амплитуда и среднее напряжение цикла подсчитываются по формулам:

где Ма — переменный крутящий момент; Мср — средний крутящий момент; Wp — полярный момент сопротивления сечения.

Помимо основных схем нагружения, приведенных на рис. 4.7—

4.13, используются комбинированные схемы, когда совмещаются изгиб с кручением, изгиб с растяжением и т. п.

При испытании образцов и конструктивных элементов на усталость используются различные принципы возбуждения нагрузок.

• 1. Возбуждение постоянной нагрузкой. В этом случае напряжения в образце создаются грузом, подвешенным к вращающемуся образцу с помощью подшипника. При вращении образца в поверхностных слоях материала возникают напряжения, изменяющиеся по гармоническому циклу. Такой принцип используется при реализации схем I и III. В том случае, если вращается не образец, а груз на конце образца, реализуется схема V.
• 2. Возбуждение кривошипным механизмом. С помощью кривошипного механизма задается перемещение конца образца с заданной амплитудой, которая выдерживается в процессе испытания. Регулировка кривошипного механизма может быть осуществлена таким образом, чтобы реализовать симметричный или асимметричный цикл нагружения. Такой принцип возбуждения используется при реализации схем II и IV.
• 3. Гидравлическое возбуждение. Нагрузка на образцы реализуется с помощью зажимов, соединенных с плунжером гидравлического цилиндра. При наличии дополнительного гидравлического цилиндра или пружин возможно осуществить симметричный цикл нагружения. Такая система применяется для реализации схемы VI.
• 4. Инерционное возбуждение. Используется сила инерции вращающихся масс. Усталостные машины такого типа работают, как правило, в режиме резонанса, когда благодаря совпадению собственной частоты системы машина—образец с частотой возбуждающей нагрузки возможно реализовать большие напряжения в образце при малых затратах мощности. На таких машинах можно реализовать схемы II, IV, VI и VII.
• 5. Электромагнитное возбуждение. Колебания исследуемого образца вызываются и поддерживаются периодическими электромагнитными силами притяжения, возникающими при прохождении магнитного потока через массу якоря, прикрепленного к испытываемому образцу. Испытания проводятся при частотах, близких к собственной частоте колебаний образца. Наиболее часто такой принцип возбуждения нагрузки используется при реализации схемы нагружения IV.
• 6. Электродинамическое возбуждение. Колебания поддерживаются силами, возникающими при прохождении переменного тока через катушку, находящуюся в постоянном магнитном поле и прикрепленную к испытываемому объекту. При таком возбуждении реализуются схемы II, IV и VI. Испытания проводятся при частотах, близких к собственной частоте колебаний образца.
• 7. Магнитострикционное возбуждение. Используется эффект магнитострикции, состоящей в том, что некоторые металлы (например, никель) при воздействии на них магнитного поля изменяют свои размеры с частотой действия этого магнитного поля. Этот эффект используется для возбуждения колебаний в системе, составной частью которой является исследуемый образец. Установки, созданные на таком принципе, используются для испытаний по схеме VI при весьма высоких частотах нагружения.
• 8. Пневматическое возбуждение. Колебания образца в этом случае возбуждаются под действием переменного воздушного потока, проходящего через отверстия во вращающихся дисках. Такое возбуждение используется для реализации схемы II при высоких частотах нагружения.
• 9. Электрогидравлическое возбуждение. Такое возбуждение близко по своему характеру к гидравлическому возбуждению и отличается от него тем, что усилие в гидравлическом цилиндре регулируется с помощью сервоклапана, управляемого электрическим сигналом. Установки, построенные на таком принципе возбуждения, имеют большие возможности по воспроизведению различных режимов программного и стохастического (при условии наличия в системе ЭВМ) нагружений. Они используются для реализации нагружения по схеме VI.

В табл. 4.1 показаны возможности установок с различными принципами возбуждения нагрузок по реализуемым усилиям, частотам нагружения и перемещения. Под малыми (М), средними (С) и большими (Б) усилиями подразумеваются соответственно усилия до 500, 2000, 100 000 кгс и выше; под малыми, средними и большими частотами — соответственно 5—15, 15—150 и выше 150 Гц; под малыми, средними, большими перемещениями — соответственно перемещения 1 — 10, 11—50, 51 —100 мм.

Особенностью машин с электрогидравлическим принципом возбуждения нагрузок является взаимосвязь перемещения с частотой нагружения. С увеличением перемещения захватов реализуемая частота уменьшается.

Таблица 4.1

Возможности установок с различными принципами возбуждения нагрузок

При испытаниях на малоцикловую усталость используются машины с электрогидравлическим и механическим принципами нагружения. Особое значение в этом случае имеет наличие возможности реализовать различные режимы по изменению нагрузок и деформаций.