Способ определения усталостной характеристики ферромагнитных материалов и сварных соединений

 

Сущность изобретения: микроскопические усталостные повреждения материала образца, циклически нагружаемого чистым изгибом с вращением при различных напряжениях, обнаруживают вихретоковым методом по изменению ЭДС магнитной индукции. Испытания проводят при ступенчатом увеличении напряжений с разгрузкой образца после каждого этапа нагружения. ЭДС магнитной индукции определяют на разгруженном образце. За предел выносливости материала принимают напряжение, соответствующее скачкообразному изменению ЭДС. Для определения зависимости долговечности от напряжения в образце после определения предела выносливости создают напряжение, превышающее предел выносливости в 1,25-1,35 раза. Упомянутую зависимость определяют по реперной точке и зафиксированному числу циклов нагружения до разрушения при повышенном напряжении. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к испытаниям по оценке усталостных повреждений материалов, сварных соединений и конструкций на воздухе, при пониженных температурах, в коррозионно-активных средах и позволяет оценить статическую и циклическую трещиностойкость материалов и сварных соединений.

Известен способ определения усталостной характеристики, согласно которому производят испытание серии образцов на чистый изгиб с вращением при постоянной скорости увеличения нагрузки, фиксируют число циклов до разрушения образцов, строят диаграмму разрушения, по которой определяют предел выносливости материала [1] Основные недостатки данного метода заключаются в следующем: для определения σ_-1 требуются испытания 5-6 образцов до разрушения с общей длительностью 40-50 ч; испытания должны проводиться при постоянной скорости увеличения нагрузки, что технически сложно выполнимо; ошибка измерений составляет 12-15 Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является способ определения усталостной характеристики материалов, согласно которому образец подвергают циклическому нагружению с вращением при различных напряжениях, регистрируют изменение магнитных свойств материала образца и за предел выносливости принимают величину напряжений в образце, при котором появляются микротрещины [2] Недостатком известного способа также является необходимость испытания большого количества образцов до разрушения и связанное с этим длительное время испытаний. Кроме того, способ позволяет фиксировать изменение магнитных свойств образца только на стадии разрушения.

Задачей изобретения является упрощение способа определения усталостной характеристики в ферромагнитных материалах и сварных соединениях за счет сокращения количества испытываемых образцов и длительности испытаний, повышение точности определения характеристик усталости, а также обеспечение определения предела выносливости без разрушения образца, следствием чего является возможность многократного использования одного и того же образца для определения влияния на предел выносливости различных эксплуатационных факторов.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения усталостной характеристики ферромагнитных материалов и сварных соединений, включающем циклическое нагружение чистым изгибом с вращением при различных напряжениях, регистрацию вихретоковым методом изменения магнитного свойства материала образца, согласно изобретению испытания проводят при поэтапном ступенчатом изменении напряжений, после каждого этапа циклического нагружения образец разгружают, а изменение магнитного свойства определяют на разгруженном образце по изменению ЭДС магнитной индукции, причем напряжение, соответствующее скачкообразному изменению ЭДС, принимают за предел выносливости материала.

Кроме того, после определения предела выносливости в образце создают напряжение, превышающие предел выносливости в 1,25-1,35 раза, фиксируют момент разрушения образца и соответствующее ему число циклов, по которому в реперной точке определяют зависимость долговечности от нагрузки в образце.

В основе предлагаемого способа лежит принцип синергетики, заключающийся в том, что микроскопические усталостные повреждения приводят к изменению намагниченности в макроскопическом объеме вокруг очага повреждений.

На фиг. 1 показана общая схема испытательного комплекса для реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 нормализованная кривая усталостного повреждения.

Испытательный комплекс предусматривает установку образца 1 в зажимах 2 и содержит нагружающее устройство 3, вихревой токовый преобразователь с датчиком ЭДС 4 и анализатор гармоник 5.

Способ осуществляют следующим образом. Круглый ферромагнитный образец 1 помещают в датчик и закрепляют в зажимах испытательной машины 2. Образец подвергают нагружению на базе 10³ циклов по схеме чистого изгиба с вращением при помощи автоматизированного нагрузочного устройства 3. Начальный уровень напряжений, создаваемый в образце, соответствует (0,25-0,36)σ_т, где σ_т предел текучести материала. После 10³ циклов образец разгружают. С помощью вихревого токового преобразователя 4 создают в образце переменное магнитное поле и с помощью анализатора гармоник 5 регистрируют и анализируют значения ЭДС магнитной индукции преобразователя. Выключают магнитное поле, увеличивают нагрузку в образце на величину Δσ, значение которой выбирают в пределах 2-3 от s_т. После 10³ циклов образец разгружают, создают переменное магнитное поле и производят замер ЭДС магнитной индукции. Испытания продолжают до тех пор, пока не зафиксируют скачкообразное изменение ЭДС магнитной индукции более 3-5 для магнитожестких материалов и более 5-10 для магнитомягких. Уровень напряжений, при котором зафиксирован этот скачок, принимают за предел выносливости материала σ_-1. Точность определения σ_-1 составляет ± Δσ/2. Таким образом, σ_-1 является тем пороговым напряжением, при котором за 1 цикл нагрузки в образце появляется необратимый зародыш повреждения (субмикроскопический дефект). Для оценки влияния на характеристики усталости температуры коррозионной активности среды излучения образец вместе с преобразователем помещают в специальную камеру 6, где создаются эти условия.

Метод позволяет построить кривую усталости по результатам испытания одного образца. С этой целью после измерения σ_-1, в образце создается напряжение σ, превышающее s_-1 в 1,25-1,35 раза, при котором он доводится до разрушения и фиксируется число циклов (N_p), соответствующее этому моменту. По этим данным строится кривая усталости.

По данной кривой можно оценить долговечность материалов при различных уровнях напряжений, превышающих σ_-1, без испытания на разрушение дополнительных образцов. Погрешность измерений до долговечности составляет порядка 15 в то время, как известные методы построения кривой усталости допускают разброс на порядок. В табл. 1 приведены данные измерений предела выносливости сталей.

Сопоставление результатов измерений σ_-1, выполненных предлагаемым методом, с данными классических испытаний, приведенных на различных марках конструкционных сталей, приведены в табл. 2.

Как видно, из данных табл. 2, при использовании предлагаемого способа точность определения искомой величины значительно выше, чем по известным методам ПРО или Локати.

В табл. 3, 4 приведены примеры использования предлагаемого способа для оценки влияния на характеристики усталости структуры материалов и температуры их эксплуатации.

Как видно из данных табл. 3, 4 предлагаемый способ позволяет с высокой точностью зафиксировать изменение определенных характеристик усталости в зависимости от структурного состояния материала или условий его эксплуатации. Это позволяет также использовать предлагаемый способ для оптимизации параметров термического цикла сварки по усталостным характеристикам сварных соединений.

Формула изобретения

1. Способ определения усталостной характеристики ферромагнитных материалов и сварных соединений, по которому образец подвергают циклическому нагружению чистым изгибом с вращением при различных напряжениях и регистрируют вихретоковым методом изменение магнитного свойства материала образца, отличающийся тем, что испытания проводят при поэтапном ступенчатом изменении напряжений, после каждого этапа циклического нагружения образец разгружают, а изменение магнитного свойства определяют на разгруженном образце по изменению ЭДС магнитной индукции, причем напряжение, соответствующее скачкообразному изменению ЭДС, принимают за предел выносливости материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после определения предела выносливости создают в образце напряжение, превышающее предел выносливости в 1,25 1,35 раза, фиксируют момент разрушения образца и соответствующее ему число циклов, по которому и реперной точке определяют зависимость долговечности от напряжения в образце.

РИСУНКИ

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