Способ оценки предела выносливости материала

 

Изобретение относится к испытаниям материалов и конструкций на выносливость, в частности к способам определения предела ограниченной выносливости по результатам испытаний образцов Цель изобретения - снижение трудоемкости за счет сокращения суммарного числа циклов нагружения образцов, партию одинаковых образцов материала циклически нагружают при ступенчато возрастающей нагрузке до разрушения каждого образца. Уровень напряжений на первой ступени нагружения каждого образца поддерживают равным оь а + b Ммал 100 % - , где OQ- уровень напряжеig 7Т ния на первой ступени нагружения, а, Ь - число циклов, соответствующее условной границе с зоной малоцикловой усталости материала, д % -доля накопленных повреждений для данной ступени нагружения, уровень напряжений на каждой последующей ступени нагружения увеличивают на постоянную величину, выбираемую из следующего соотношения Аа big - 5%/100 % 100 %/6 % - 1 а нагРУжение на каждой ступени осуществляют при числе циклов, выбираемом из следующего соотношенияOi -а - , о - напряжеNI- д% /100% . 10 ние i-й ступени. Регистрируют числа циклов нагружения до разрушения образцов по которым определяют предел выносливости 1 табл.

° У (СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51>5 G 01 N 3/32

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, а нагружение на каждой

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4849335/28 (22) 10.07.90 (46) 30.08.92. Бюл. ¹ 32 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт транспортного строительства (72) Б.А.Бондарович, А.Н.Звягинцев, М.Б,Кириченко. Е.И.Павлов, М.Л,Палагин и

Г.Е.Савин (56) Гребеник В.M. и Цапко В.К. Надежность металлургического оборудования. М,: Металлургия, 1980, с.175-180. (54) СПОСОБ ОЦЕНКИ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ МАТЕРИАЛА (57) Изобретение относится к испытаниям материалов и конструкций на выносливость, в частности к способам определения предела ограниченной выносливости по результатам испытаний образцов. Цель изобретения — снижение трудоемкости за счет сокращения суммарного числа циклов нагружения образцов, партию одинаковых образцов материала циклически нагружают при ступенчато возрастающей нагрузке до разрушения

Изобретение относится к области испытаний материалов и конструкций на выносливость, в частности к способам определения предела ограниченной выносливости по результатам испытаний образцов.

В машиностроении известны способы ускоренной оценки предела выносливости методом ступенчатого нагружения. который называют также методом Локати. Эти способы позволяют ускорить испытания за счет того, что на высоких уровнях напряжений образец разрушается значительно быстрее, чем на одном уровне напряжений. Напри„„5LI „„1758491 А1 каждого образца. Уровень напряжений на первой ступени нагружения каждого образца поддерживают равным o, = а + b

М.„100 ь

Ig, где clo — уровень нвпрвжения на первой ступени нагружения, а, о — число циклов, соответствующее условной границе с зоной малоцикловой усталости материала, д ф — доля накопленных повреждений для данной ступени нагружения, уровень напряжений на каждой последующей ступени нагружения увеличивают на постоянную величину, выбираемую из следующего соотношения: Ьо=

00 /р ступени осуществляют при числе циклов, выбираемом из следующего соотношения: о — а

Ni = д % /100 . 10, о; — напряжение I-й ступени. Регистрируют числа циклов нагружения до разрушения образцов, по которым определяют предел выносливости. 1 табл .. мер. известен способ определения предела выносливости образцов материала методом ступенчатого нагружения. при котором к образцам прикладывают ступенчато возрастающую циклическую нагрузку, доводят их до разрушения на второй ступени напряжений и определяют наработку каждого образца на соответствующих ступенях напряжений, по которой судят о пределе выносливости.

Однако доля накопленных повреждений на первой ступени напряжений мала. а если этот уровень близок к пределу выносливости, то доля накопленных повреждений практически равна нулю. То есть на первой

1758491 ступени нагружение ведется вхолостую.

Кроме того, на второй ступени в пределах базы испытаний образец может не разрушиться, Это также затягивает испытания, Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является способ оценки предела выносливости материала, заключающийся в том, что партию одинаковых образцов циклически нагружают при ступенчато возрастающей нагрузке до разрушения для каждого образца таким образом, что уровень напряжений на каждой ступени нагружения различен, регистрируют числа циклов нагружения на каждой ступени, с учетом которых судят о пределе выносливости. Однако в этом способе напряжения на первой ступени нагружения выбирают близкими к предполагаемому пределу выносливости. Поэтому доля накопленных повреждений близка к нулю и нагружение на первой ступени также ведется вхолостую. Число циклов нагружений на ступенях при переходе от одной ступени к другой не изменяют. Из-за этого на нижних ступенях нагружения доля накопленных повреждений близка к нулю, а на верхних ступенях близка к единице. То есть нагружение на нижних ступенях ведется практически вхолостую, это затягивает испытания, повышает их трудоемкость. Накопление повреждений на ступенях идет неравномерно, что снижает точность полученных результатов.

Кроме того, постоянное число циклов нагружения на ступенях не позволяет предельно сократить длительность испытаний, то есть предельно снизить их трудоемкость за счет сокращения суммарного числа циклов нагружения каждого образца.

Целью изобретения является снижение трудоемкости за счет сокращения суммарного числа циклов нагружения образцов.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе оценки предела выносливости материала уровень напряжений на первой ступени нагружения каждого образца поддерживают равным о=-а+ b. tg

Имад 100 %

% где гт, — уровень напряжения на первой ступени нагружения; а, Ь вЂ” значения коэффициентов, описывающих кривую усталости материала;

NMaa — число циклов, соответствующее условной границе с зоной малоцикловой усталОсти материала; д % — доля накопленных повреждений для данной ступени нагружения, уровень напряжений на каждой последующей ступени нагружения увеличивают на постоянную величину. выбираемую из следующего соотношения: а нагружение на каждой ступени осуществляют при числе циклов, выбираемом из следующего соотношения:

10 Я вЂ” а

Ni =- = 10 доА ь

100 % и — напряжение i-й ступени, Уровень напряжения на первой ступени нагружения выше предполагаемого значения предела выносливости (определенного приближенными значениями коэффициентов а. Ь) и соответствует минимальному уровню, ниже которого нецелесообразно

Zp нагружать образец, так как доля накопленных повреждений на уровнях напряжений ниже указанного близка к нулю. Формула для определения и0 получена следующим образом, Доля накопленных повреждений

Z5 О На УРОВНЕ Оо Эа ЧИСЛО ЦИКЛОВ NMaa СОставляет

d%= — aë .100%

No где No — число циклов до разрушения обраэ30 ца на уровне напряжений о0.

Отсюда

И.= .100%

Из уравнения, описывающего кривую уста35 лости

No=10 гуо — а

Ь

Иэ двух последних зависимостей получаем выражение для определения уровня напря40 жения на первой ступени нагружения

Ямал 100 %

Зависимость для определения прира45 щения напряжений от ступени к ступени получена следующим образом, Для сокращения длительности испытаний уровень напряжений щ на последней ступени нагружения должен соответствовать услов50 ной границе с зоной малоцикловой устало0 сти, Это соответствует зависимости

ok = а + b . IgNMan

Предполагаемое число ступеней нагружения п до разрушения образца

Приращение напряжений Ло от ступени к ступени

1758491 (Upj с+

И;р =10

С вЂ” а о

Nl= 10 о

55 д % Оо

n — 1

Подставляя в эту зависимость три предыдущих выражения для (то, tlat<, и, получим искомое выражение

Зависимость для определения числа циклов нагружения на каждой 1-й ступени получена следующим образом. Напряжение на i-й ступени нагружения

Ao=oo+j 40 где i = О, 1..., — индекс ступени нагружения.

Для равномерного накопления повреждений от ступени к ступени необходимо, чтобы на каждой ступени нагружения накапливаnacb доля повреждений д . Так как число

Циклов Npaal До РаэРУшениЯ обРазЦа на 1-й ступени нагружения, соответствующей уровнга напряжений oj равно

oi — а

Npaal = 10 ь то доля повреждений д соответствует числу циклов нэгружения о

Ц= N pari

О

Таким образом, подставляя зависимость

ДЛЯ Npaal В ПОСЛЕДНЮЮ ФОРМУЛУ ПОЛУЧИМ число циклов нагружения на каждом уровне напряжений

С ростом уровня напряжений oi число циклов Nl сокращается. Это позволяет снизить трудоемкость испытаний за счет сокращения суммарного числа циклов нагружения каждого образца. Кроме того, обеспечивается равномерное накопление повре>кдений от ступени к ступени, то есть равноценность каждой ступени нагружения, что повышает достоверность полученных результатов.

Предлагаемый способ оценки предела выносливости материала реализован следующим образом. Для испытаний выбран образец высокопроволочной проволоки диаметром 5 мм, предназначенной для армирования преднапряженных железобетонных конструкций транспортных сооружений. Коэффициент асимметрии цикла р = 0,75. Приближенные значения коэффициектов а и Ь, описывающих кривую усталости, по результатам ранее проведен5

35 ных испытаний аналогичной проволоки а =4272,2 МПа, b = -507,7 МПа. Доля накопленных повреждений на каждой ступени нагружения по условиям заданной точности д %

= 10 Число циклов. соответствующее условной границе с зоной малоцикловой усталости йцаа = 50000 циклон, Уровень напряжения на первой ступени нагружения по предлагаемой зависимости составил

oo = 1379 Mfla. приращение напряжений от ступени к ступени по приведенной выше формуле составило Ao = 56,4 МПа, Числа циклов Ni на соответствующих ступенях нагружения i = О, 1, 2, . „9, вычисленные для соответствующих уровней напряжений ai, представлены в таблице.

Нагружение образца осуществляют на каждой ступени при числе циклов согласно таблице. Образец разорвался после суммарного числа циклов, равкого 193700 нэ 8-й ступени нагружения, (i=8),отработав на ней NB = 310 циклов. Задают минимальное значение вероятности разрушения pj =

0,1 и максимальное значение вероятности разрушения pj = 0,9. Доли накопленных повреждений фр; íà i-й ступени нагружения, соответствующие вероятностям разрушения р = 0,1; 0,5; 0,9, определяют по формуле

Nl

Фр = —.

N;pj где Nlpj — теоретическое число циклов нагружения на 1-й ступени, соответствующее вероятности разрушения р . где с и d — приближенные значения коэффициентов зависимости, описывающей семей- ство кривых усталости по параметру вероятности разрушения: Upj — квантиль нормального распределения, соответствующая вероятности разрушения pj, По результатам ранее проведенных исследований аналогичной проволоки с =

0,3063: б = -0.0001125 МПа . Вероятностям разрушения соответствуют квантили Upi =

-1,282; 0; 1,282. Для вероятностей разрушения pj = 0,1; 0,5; 0,9 определяют логарифм

Bpj суммарной доли накопленных повреждений по формуле

8 pj = jV Х Ьр !

=о

Определяют приближенные значения пределов выносливости др, соответствующие вероятностям разрушения р) по формуле

1758491 д а+ь (ЯЙб — ир) с) 1+ Ь Ир1 где 1ч5 =- 2000000 — база испытаний. и средний логарифм доли накопленных повреждений д =3(др> =01+дpj =05+дpj =09)

5 Предел выносливости vR по результатам испытаний образца(его уточненное значение) определяют по формуле д

Аналогично были испытаны еще два таких же образца высокопрочной проволоки.

Второй образец выдержал всего 160200 циклов нагружения и разорвался на 5-й ступени (=5). отработав на ней N5 = 200 циклов.

По результатам испытаний второго образца предел выносливости составил aR = 861,83

МПа. Третий образец выдержал в сумме

202700 циклов и разорвался на 9-й ступени (j=9) отработав на ней Ng = 590 циклов. По результатам испытаний третьего образца 0 предел выносливости составил oR = 1037,16

МПа, По результатам испытаний трех образцов окончательно определяют средний предел выносливости, который составил 965,65

МПа, 35

Предлагаемый способ по сравнению с известным методом Локати позволяет сократить длительность испытаний в 2,3 раза и может быть использован как для испытания образцов материалов, так и для испыта- 40 ния элементов конструкций, Формула изобретения

Способ оценки предела выносливости материала, заключающийся в том, что партию одинаковых образцов циклически на- 45 гружают при ступенчато возрастающей нагрузке до разрушения для каждого образца так, что уровень напряжений на каждой ступени нагружения различен, регистрируют числа циклов нагружения на каждой сту- 50 пени, с учетом которых судят о пределе выносливости, отличающийся тем, 4мал 100 % о1 — э

Nl= д 10 о1 — напряжение I-ступени.

Определяют приближенное значение среднего предела выносливости оя llo формуле

g (o pJ = 0,.1 + гг nj = 0,5 + o pj = 0,9 ) что, с целью снижения трудоемкости за счет сокращения суммарного числа циклов нагружения образцов, уровень напряжений на первой ступени нагружения каждого образца поддерживают равным где гго — уровень напряжения на первой ступени нагружения; а, Ь вЂ” значения коэффициентов, описывающих кривую усталости материала;

Ймал — число циклов, соответствующее условной границе с зоной малоцикловой усталости материала; д g — доля накопленных повреждений для данной ступени нагружения, уровень напряжений на каждой последующей ступени нагружения увеличивают на постоянную величину, выбираемую иэ следующего соотношения: а нагружение на каждой ступени осуществляют при числе циклов, выбираемом из следующего соотношения:

1758491

Составитель Г.Савин

Техред M.Ìîðråíòàë - Корректор С,Патрушева

Редактор О.Спесивых

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101

Заказ 2993 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/5