Способ оценки циклической долговечности материала

 

Изобретение относится к испытаниям материалов на усталость и может быть использовано для определения их долговечности в условиях малоциклового нагружения. Цель изобретения упрощение оценки при заданных стационарных процессах с циклами произвольной формы или при заданных нестационарных процессах. Сущность изобретения: на образце-аналоге определяют временное сопротивление материала σ_в испытания образца проводят на синусоидальное нагружение, амплитуду и частоту синусоидальной нагрузки принимают на основе параметров заданных циклических процессов, по данным испытаний определяют суммарную импульсную характеристику Σ F_c= ΔF_c·N где ΔF_c площадь волны синусоиды в диапазоне напряжений от σ_в до σ_макс N число циклов до разрушения образца, а долговечность материала определяют по условию равенства Σ F_c= Σ F_п где Σ F_п суммарная импульсная характеристика заданного процесса в области растягивающих напряжений, превышающих 0,5 σ_в. 5 ил. 1 табл.

Изобретение относится к испытаниям материалов на усталость и может быть использовано для определения их долговечности (времени до разрушения) при малоцикловом динамическом нагружении в области упругопластического деформирования при произвольных функциях изменения напряжений во времени, в частности при сейсмических воздействиях.

Известен способ оценки циклической долговечности материала, по которому образец материала нагружают с помощью испытательной установки синусоидальной циклической нагрузкой и определяют число циклов до разрушения [1] Однако данным способом долговечность материала при нагружениях с циклами произвольной формы и при заданных нестационарных нагружениях не может быть определена.

Наиболее близким к предлагаемому является способ оценки циклической долговечности материала, заключающийся в том, что образец материала нагружают с помощью испытательной установки малоцикловой нагрузкой, с заданными параметрами до разрушения, фиксируют момент разрушения и определяют суммарную импульсную характеристику, равную площади эпюры "нагрузка-время" [2] Однако воспроизведение на испытательной установке нагрузок с циклами заданной произвольной формы или заданных нестационарных нагрузок усложняет испытания, так как требует использования специальных технических средств, а в ряде случаев при отсутствии технической возможности прямого воспроизведения на испытательной установке заданной циклической нагрузки долговечность материала способом-прототипом вовсе не может быть определена.

Целью изобретения является упрощение оценки при заданных стационарных процессах с циклами произвольной формы или при заданных нестационарных процессах.

Для достижения цели на образце-аналоге определяют временное сопротивление материала σ_в, испытания проводят на синусоидальное нагружение, амплитуду нагрузки принимают равной амплитуде заданного стационарного процесса с циклами произвольной формы или максимальной амплитуде заданного нестационарного процесса, частоту нагрузки принимают равной частоте заданного стационарного процесса с циклами произвольной формы или средней частоте заданного нестационарного процесса, по данным испытаний определяют суммарную импульсную характеристику ΣF_c=ΔF_c·N где ΔF_c площадь волны синусоиды в диапазоне напряжений от 0,5 σ_в до σ_макс, σ_макс максимальное растягивающее напряжение цикла; N число циклов до разрушения образца, а долговечность материала t t_p t_n от момента начала нагружения t_n и до момента разрушения t_p при заданном стационарном процессе с циклами произвольной формы или при заданном нестационарном процессе определяют по условию равенства ΣF_c ΣF_n, где ΣF_n суммарная импульсная характеристика заданного процесса в области растягивающих напряжений, превышающих 0,56 В.

Определение временного сопротивления материала необходимо для определения параметров ΣF_c и ΣF_n, по которым оценивается долговечность материала при заданном и моделирующем его процессах нагружения. Признаки, связанные с подбором частоты и амплитуды моделирующей нагрузки, обеспечивают выполнение оценок долговечности материала при произвольном малоцикловом нагружении испытаниями образцов материала на нагрузки стандартной формы, что упрощает оценки при заданных стационарных процессах с циклами произвольной формы или при заданных нестационарных процессах.

На фиг. 1 показаны стационарные процессы с различными формами цикла; на фиг. 2 нестационарный процесс, включающий циклы различной формы; на фиг.3 стационарный процесс с циклами синусоидальной формы; на фиг.4 схема циклов нагружения к оценке результатов испытаний образцов.

Суть способа заключается в том, что долговечность t (время до разрушения) материала при различных заданных процессах малоциклового нагружения определяют на основе единой критериальной характеристики, в качестве которой используют суммарный накопленный импульс напряжений, численно равный площади графика изменения напряжений во времени в диапазоне от 0,5 σ_в до σ_макс (фиг. 1-3 заштрихованные участки). На основе указанной характеристики долговечность материала может быть определена для наиболее простого вида циклической нагрузки синусоидального (стандартные испытательные установки воспроизводят синусоидальный или близкие к нему режимы нагружения), а долговечность при более сложных режимах нагружения определяется по величине суммарного импульса ΣF_c=ΔF_c·N (независимо от вида нагружения разрушение материала наступает в момент достижения суммарным импульсом ΣF величины ΣF_c). При подборе параметров моделирующего заданный нестационарный процесс (фиг.2) синусоидального процесса (фиг.3) его амплитуду принимают равной σ_а,макс (фиг.2) нестационарного процесса относительно статического уровня σ_ст, а частоту принимают равной средней частоте заданного процесса, которая определяется по формуле f_ср , где f_i частота i-го полуцикла, n число полуциклов заданного процесса нестационарного нагружения; σ_а,i амплитуда i-го полуцикла; t_i время i-го полуцикла (фиг.2).

Пример реализации способа. Выполнены экспериментальные исследования циклической прочности образцов двух типов: тип 1 образцы, изготовленные из круглой стали марки Ст.3 с размерами рабочей части 25 мм (диаметр) и 50 мм (длина); тип 2 образцы в виде пластин, вырезанные из труб (сталь марки 08х18Н10Т), с размерами рабочей части 12 х 25 х 50 мм. Испытания образцов на статические и циклические нагрузки выполнены с использованием испытательной установки, обеспечивающей циклическое нагружение с различными формами цикла. Циклические испытания проведены при коэффициенте асимметрии цикла ρ= -0,5 (минимальная по абсолютной величине нагрузка сжимающая, максимальная растягивающая), частоте нагружения 0,2 Гц (тип 1 ) и 0,5 Гц (тип 2) и трех формах цикла треугольной, синусоидальной и прямоугольной. Максимальная нагрузка цикла была принята равной 0,9 Р_в, где Р_в нагрузка предела статической прочности. При каждом режиме нагружения испытаны по 4-6 образцов. Осредненные результаты испытаний представлены в таблице, где даны также результаты расчета величин ΔF (площади полуциклов различной формы в графиках σ(t) при уровне напряжений выше 0,5 σ_д на фиг.4 и 5 площади треугольника а, b, c, синусоиды adbf и прямоугольника gklh) и ΣF ΔF˙N, где N замеренные в испытаниях и осредненные по каждому режиму нагружения числа циклов до разрушения (разрыва) образцов. Площади частей синусоидальных эпюр σ(t), отсеченных линией 0,5 σ_в, определены по формуле ΔF_c arccosxdx -x arccosx где x ; σ_а амплитуда циклической нагрузки; Т период нагружения.

Из таблицы видно, что при уровне 0,5σ_в имеет место примерное равенство критериальной характеристики ΣF при исследованных формах цикла. Поскольку нестационарные процессы (в частности, сейсмические нагрузки) представляют собой набор чередующихся циклов рассмотренных форм (встречающиеся трапецеидальные циклы занимают промежуточное положение между прямоугольными и треугольными), предлагаемый способ может быть применен и при таких процессах. При известной и в достаточной степени установленной связи между σ_в и σ_т (пределом текучести) материала для определения уровня 0,5 σ_в может быть определена последняя характеристика ( σ_т или σ_0,2): для этой цели можно использовать образец (в первом цикле), нагружаемый в дальнейшем синусоидальной нагрузкой. Для повышения достоверности оценок долговечности материала могут применяться повторные опыты с последующим определением полученных в испытаниях параметров σ_в и N.

Формула изобретения

СПОСОБ ОЦЕНКИ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ МАТЕРИАЛА, заключающийся в том, что образец материала нагружают с помощью испытательной установки малоцикловой нагрузкой с заданными параметрами до разрушения, фиксируют момент разрушения и определяют суммарную импульсную характеристику, по которой судят об искомом параметре, отличающийся тем, что на образце-аналоге определяют временное сопротивление материала σ_в испытания проводят на синусоидальное нагружение, амплитуду нагрузки принимают равной амплитуде заданного стационарного процесса с циклами произвольной формы или максимальной амплитуде заданного нестационарного процесса, частоту нагрузки принимают равной частоте заданного стационарного процесса с циклами произвольной формы или средней частоте заданного нестационарного процесса, по данным испытаний определяют суммарную импульсную характеристику ΣF_c=ΔF_c·N, где ΔF_c площадь волны синусоиды в диапазоне напряжений от 0,5σ_в до σ_макс
максимальное растягивающее напряжение цикла;
N число циклов до разрушения образца,
а долговечность материала t t_р T_n от момента начала нагружения t_n и до момента разрушения t_p при заданном стационарном процессе с циклами произвольной формы или при заданном нестационарном процессе определяют по условию равенства
ΣF_c=ΣF_п,
где ΣF_п суммарная импульсная характеристика заданного процесса в области растягивающих напряжений, превышающих 0,5σ_в.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6