Способ испытаний на усталость

Изобретение относится к технике испытаний, в частности к способам испытаний конструкционных материалов на усталость. Способ испытаний на усталость заключается в том, что симметричными циклами при различных уровнях нагрузки нагружают до разрушения эталонные образцы, определяют калибровочную зависимость количества циклов до разрушения от величины нагрузки, после чего циклически нагружают, изменяя последовательными ступенями параметры цикла, по меньшей мере, один испытуемый образец. При этом на каждой ступени нагружения испытываемого образца регистрируют инфракрасное излучение с его поверхности, по интенсивности излучения измеряют приращение температуры в месте локального разогрева образца и определяют зависимость приращений температуры от величины нагрузки и коэффициента асимметрии цикла, после чего по калибровочной зависимости для каждого приращения температуры находят соответствующее число циклов до разрушения. Данное изобретение позволяет повысить точность и достоверность результатов при упрощении процесса испытаний.

 

Изобретение относится к технике испытаний, в частности к способам испытаний конструкционных материалов на усталость.

Известен способ испытаний материалов на усталость, в соответствии с которым ряд однотипных образцов различными для каждого из них напряжениями циклически нагружают до разрушения, фиксируют при каждом значении испытательного напряжения количество циклов до разрушения, после чего строят так называемую кривую усталости (кривую Вёлера), представляющую собой зависимость долговечности материала, определяемой числом циклов до разрушения, от величины нагружающего напряжения. (И.А.Одинг. Циклическая прочность металлов. Издательство АН СССР, М., 1962 г.).

Кривые усталости, полученные указанным образом для циклов с различными коэффициентами асимметрии, являются одними из самых точных и достоверных источников информации об усталостных характеристиках материалов, однако большая длительность и дороговизна, требующихся для их построения испытаний, являются существенными недостатками указанного способа.

Известен способ испытания на усталость (а.с. SU №1702237, МПК G 01 N 3/32, 1991 г.), в соответствии с которым каждый из ряда эталонных образцов циклически нагружают при своем значении напряжения до разрушения и определяют соответствующие числа циклов до разрушения, во время нагружения возбуждают в образцах вихревые токи и измеряет изменения их амплитуд в зависимости от числа циклов, определяют градиенты этих изменений на начальном этапе нагружения и калибровочную зависимость числа циклов до разрушения от градиентов, после чего нагружают испытуемые образцы числом циклов, достаточным для определения соответствующих градиентов, и по калибровочной зависимости определяют число циклов до разрушения испытуемых образцов.

Известный способ позволяет уменьшить, до известного уровня, продолжительность усталостных испытаний, однако также не лишен недостатков.

Основными недостатками известного способа, которые обусловлены характерным для накладных токовихревых датчиков малым соотношением сигнал/шум, являются недостаточно высокие для практики точность и достоверность результатов испытаний.

Кроме того, к недостаткам способа следует отнести относительную сложность его практической реализации, обусловленную контактным способом съема сигналов с датчиков.

Задачей настоящего изобретения является повышение в способе испытаний на усталость точности и достоверности результатов при одновременном упрощении технологии его практической реализации.

Поставленная задача достигается за счет того, что в способе испытаний на усталость, в соответствии с которым циклически симметрично при различных уровнях нагрузки нагружают до разрушения эталонные образцы и определяют калибровочную зависимость количества циклов до разрушения от величины нагрузки, после чего циклически нагружают, ступенчато изменяя параметры цикла в процессе нагружения, по меньшей мере, один испытуемый образец, на каждой ступени нагружения регистрируют инфракрасное излучение с его поверхности, по интенсивности излучения измеряют приращение температуры в месте локального разогрева образца, определяют зависимость приращений температуры от величины нагрузки и коэффициента асимметрии цикла, после чего по калибровочной зависимости для каждого приращения температуры находят соответствующее число циклов до разрушения.

Перед проведением испытаний поверхность испытуемого образца покрывают слоем материала с высокой излучающей способностью в инфракрасном диапазоне.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом.

Из материала конструкции изготавливают ряд однотипных образцов, каждый из которых при своем значении испытательного напряжения нагружают симметричным циклом до разрушения. По результатам испытаний строят кривую усталости материала для симметричного цикла, которая используется в качестве калибровочной для усталостных кривых, полученных при последующих нагружениях образца любыми произвольными циклами.

Перед началом нагружения испытуемого образца его поверхность равномерно покрывают тонким слоем материала, обладающего высокой излучательной способностью в инфракрасном диапазоне, например сажей, после чего образец закрепляют в испытательной машине. Для обеспечения одновременного обзора поля температур по всей поверхности образца вокруг последнего соответствующим образом устанавливают зеркала. Обзор поля температур и измерение температуры в зоне локального перегрева осуществляют тепловизором, обеспечивающим точность измерения температуры не хуже ± 0,02С°, например, ТКВр-ИФП.

Нагружение производят в следующей последовательности.

Устанавливают нулевое среднее значение испытательного напряжения (симметричный цикл), после чего последовательными ступенями увеличивают амплитудное значение испытательного напряжения до тех пор, пока сумма среднего и амплитудного значений не достигнет предела упругости данного материала. При достижении указанного предела амплитуду переменной составляющей снижают до нуля, устанавливают новое значение среднего напряжения и процесс повторяют.

В процессе испытаний регистрируют интенсивность инфракрасного излучения с поверхности образца и на каждой ступени нагружения, после некоторой (обычно несколько секунд) выдержки, измеряют приращение температуры в месте локального разогрева образца.

Для получения достаточно информативной серии кривых усталости обычно требуется не более 25 точек измерения (например, при простой деформации - пять ступеней амплитудного напряжения на каждой из 5 ступеней среднего напряжения). Учитывая, что для стабилизации температуры и снятия отсчета на каждой ступени нагружения требуется не более 10 с, весь процесс непосредственно испытаний занимает около 5 мин.

После завершения испытаний полученные результаты представляют графически на координатной плоскости σ_ср-σ_а, где σ_ср, σ_а - среднее и амплитудное значения испытательных напряжений, в виде изотерм, каждая из которых представляет собой кривую предельных усталостных напряжений материала. Значение базы для каждой кривой задается соответствующим значением температуры и определяется по калибровочной кривой, полученной для симметричного цикла.

В заявляемом способе в качестве информативного параметра используется приращение температуры в месте локального разогрева образца при его нагружении. Указанный параметр, с одной стороны, также как и вихревые токи в прототипе, однозначно определяет величину фактического действующего на образец напряжения, от которого, в свою очередь, зависит долговечность материала. С другой стороны, присущие заявляемому способу большие величины температурных откликов при практически полном отсутствии тепловых шумов и помех обуславливают высокое значение соотношения сигнал/шум, что обеспечивает высокую точность измерений, хорошие воспроизводимость и достоверность результатов испытаний.

Кроме того, так как в заявляемом способе съем информации бесконтактный и дистанционный, то его практическое осуществление, по сравнению с прототипом, проще и технологичнее.

Способ испытаний на усталость, в соответствии с которым симметричными циклами при различных уровнях нагрузки нагружают до разрушения эталонные образцы, определяют калибровочную зависимость количества циклов до разрушения от величины нагрузки, после чего циклически нагружают, изменяя последовательными ступенями параметры цикла, по меньшей мере, один испытуемый образец, отличающийся тем, что на каждой ступени нагружения испытуемого образца регистрируют инфракрасное излучение с его поверхности, по интенсивности излучения измеряют приращение температуры в месте локального разогрева образца и определяют зависимость приращений температуры от величины нагрузки и коэффициента асимметрии цикла, после чего по калибровочной зависимости для каждого приращения температуры находят соответствующее число циклов до разрушения.