СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ МАТЕРИАЛА ПРИ РАСТЯЖЕНИИ-СЖАТИИ

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к способам определения предела выносливости материала.

Известен способ определения предела выносливости материала для симметричного цикла нагружения (патент №2416086, заявлен 29.12.2009 г., опубликован 10.04.2011 г.), заключающийся в том, что нагружение образца исследуемого материала осуществляют растяжением с постоянной скоростью деформирования и измеряют время развития упругой деформации и время до физического разрушения образца, а также определяют предел прочности образца, а о пределе выносливости судят с учетом максимальной величины нагрузки, отличающийся тем, что нагружение образца исследуемого материала осуществляют растяжением после предварительного однократного разгружения с величины нагрузки, равной полусумме (σ_Т+σ_В)/2 предела текучести материала (σ_Т) и предела прочности материала (σ_В) до нулевого значения, измеряют время повторного нагружения до напряжения (σ_T+σ_B)/2 и время до физического разрушения образца, а о пределе выносливости судят по соотношению σ_-1=ty/tp σу,

где σ_-1 - предел выносливости материала для симметричного цикла нагружения;

ty - время развития упругой деформации;

tp - время до физического разрушения образца при повторном нагружении;

σу - напряжение развития упругой деформации при повторном нагружении, равное (σ_Т+σ_В)/2.

Недостатком этого способа является, во-первых то, что полученные значения σ_-1 являются пределом выносливости материала образца только при его изгибе; этот способ не позволяет определить предел выносливости материала образца при его растяжении-сжатии, а значения пределов выносливости при различных видах нагружения существенно отличаются. Во-вторых способ предусматривает испытание материала образца на статическое растяжение с определением основных характеристик статической прочности (σ_Т и σ_В) и времени развития деформации. Такое положение существенно усложняет технологию определения σ_-1 и увеличивает время его определения, поскольку требует производить вырезку образцов из испытуемого материала или изделия, что, очевидно, приводит к частичному или полному разрушению этого изделия. Таким образом, этот способ не позволяет оперативно и без разрушения производить определение предела выносливости материала.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения предела контактной выносливости материала (патент №2123175 М. Кл. G01N 3/00, 3/32, 3/48, заявл. 25.06.1996, опубл. 10.12.1998, бюл. №34), заключающийся в том, что испытуемый материал нагружают посредством сферического индентора радиусом R, после снятия нагрузки Ρ измеряют параметры отпечатка и определяют предел контактной выносливости испытуемого материала, при этом предварительно измеряют радиусы кривизны поверхности испытуемого материала в сечениях двумя плоскостями главных кривизн и радиус сферического индентора, по которым определяют приведенный радиус кривизны R_пр, используя две различные нагрузки в диапазоне, соответствующем измерению твердости, внедряют сферический индентор в испытуемый материал и измеряют глубины двух полученных остаточных отпечатков, определяют коэффициент пластической нормальной контактной податливости испытуемого материала

по которому определяют предел контактной выносливости испытуемого материала по следующей зависимости

где σ_R - предел контактной выносливости испытуемого материала;

i - коэффициент пластической нормальной контактной податливости испытуемого материала;

R_пр - приведенный радиус кривизны в контакте индентора с поверхностью испытуемого материала;

P₁ и Р₂ - нагрузки на индентор;

h₁ и h₂ - глубины остаточных отпечатков, отвечающие нагрузкам P₁ и Р₂;

a, b - коэффициенты контактной прочности, зависящие от химического состава испытуемого материала и схемы нагружения его поверхности при эксплуатации.

Недостатком этого способа является то, что он полностью теряет свою достоверность в тех случаях, когда необходимо определить предел выносливости материала при растяжении-сжатии поскольку предназначен только для определения предела контактной выносливости материала.

Таким образом, известные способы имеют низкий технический уровень, поскольку не позволяют определять предел выносливости материала при растяжении-сжатии. Следует подчеркнуть, что числовые значения пределов выносливости материала при растяжении-сжатии, изгибе или контактном нагружении значительно отличаются друг от друга.

В этой связи важнейшей задачей является создание нового способа определения предела выносливости материала при растяжении-сжатии, который позволял бы оперативно и без разрушения производить определение предела выносливости материала при растяжении-сжатии.

Техническим результатом заявленного способа является создание нового способа определения предела выносливости материала при растяжении-сжатии, который позволяет оперативно и без разрушения производить определение предела выносливости материала при растяжении-сжатии.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения предела выносливости материала, заключающийся в том, что измеряют радиусы кривизны поверхности испытуемого материала в сечениях двумя плоскостями главных кривизн и радиус сферического индентора, по которым определяют приведенный радиус кривизны R_пр, используя две различные нагрузки Ρ в диапазоне, соответствующем измерению твердости, внедряют сферический индентор в испытуемый материал и измеряют глубины h двух полученных остаточных отпечатков, при этом определяют контактную жесткость испытуемого материала

определяют предельную равномерную деформацию ε_р при статическом растяжении образца из испытуемого материала

по которой определяют предел выносливости испытуемого материала при растяжении-сжатии по следующей зависимости

где с - контактная жесткость испытуемого материала (Н/мм);

P₁ и P₂ - нагрузки на индентор (Н);

h₁ и h₂ - глубины остаточных отпечатков (мм), отвечающие нагрузкам P₁ и P₂;

σ_-1,р - предел выносливости испытуемого материала при растяжении-сжатии (Н/мм²);

R_пр - приведенный радиус кривизны (мм) в контакте индентора с поверхностью испытуемого материала;

m, n - коэффициенты предела выносливости при растяжении-сжатии, зависящие от химического состава испытуемого материала.

Существенным отличием предлагаемого способа является то, что определяют контактную жесткость испытуемого материала. Это позволяет неразрушающим способом оценить пластические свойства испытуемого материала, от которых зависит способность материала сопротивляться пластическим деформациям и разрушению как при статическом нагружении, так и при переменных во времени нагрузках.

Существенным отличием является и то, что с учетом контактной жесткости и приведенного радиуса кривизны R_пр в контакте индентора с поверхностью испытуемого материала определяют предельную равномерную деформацию ε_р при статическом растяжении образца из испытуемого материала. Это позволяет также неразрушающим способом получить значение характеристики испытуемого материала - ε_р, которая позволяет количественно оценить склонность материала к разрушению, поскольку за пределами предельной равномерной деформации наблюдается наиболее интенсивный рост количества и размеров микродефектов в материале.

Существенным отличием способа является предложение при определении предела выносливости испытуемого материала при растяжении-сжатии учитывать коэффициенты шип, что позволяет повысить точность определения предела выносливости испытуемого материала при растяжении-сжатии, поскольку его значение зависит от химического состава материала.

Совокупность отличительных признаков предлагаемого способа и новые взаимосвязи, установленные авторами между ними, позволили предложить новые зависимости для определения предельной равномерной деформации при статическом растяжении образца из испытуемого материала и предела выносливости при растяжении-сжатии. Последняя зависимость в новой форме устанавливает взаимосвязи между всеми существенными параметрами, определяющими величину предела выносливости испытуемого материала при растяжении-сжатии: контактной жесткостью испытуемого материала (она входит вместе с приведенным радиусом кривизны в зависимость, определяющую предельную равномерную деформацию), предельной равномерной деформацией ε_р при статическом растяжении образца из испытуемого материала, коэффициентами m и n предела выносливости при растяжении-сжатии, зависящие от химического состава испытуемого материала. Это позволяет определять предел выносливости испытуемого материала при растяжении-сжатии оперативно и без разрушения материала детали или изделия.

Способ определения предела выносливости материала при растяжении-сжатии реализуется следующим образом.

Измеряют радиусы кривизны поверхности испытуемого материала в сечениях двумя плоскостями главных кривизн и радиус R сферического индентора, по которым определяют приведенный радиус кривизны R_пр, (согласно, например, книге М.С. Дрозда, М.М. Матлина, Ю.И. Сидякина «Инженерные расчеты упругопластической контактной деформации». - М.: Машиностроение, 1986. - 221 с. на стр. 41)

где А и В соответственно меньшая и большая из следующих двух сумм (см. книгу М.С. Дрозда, М.М. Матлина, Ю.И. Сидякина «Инженерные расчеты упругопластической контактной деформации». - М.: Машиностроение, 1986. - 221 с. на стр. 32)

знаки "+" и "-" относятся соответственно к случаям контакта сферического индентора, ограниченного выпуклым контуром, с поверхностью испытуемого материала, сечение которой в данной плоскости кривизны ограничено выпуклым или вогнутым контуром;

R_1,1, R_2,1 - радиусы кривизны поверхности испытуемого материала в сечениях первой и второй плоскостями главных кривизн;

R - радиус сферического индентора;

n_p, n_σ - коэффициенты, зависящие от соотношения главных кривизн А/В и приведены в указанной выше книге М.С. Дрозда, М.М. Матлина, Ю.И. Сидякина «Инженерные расчеты упругопластической контактной деформации». - М.: Машиностроение, 1986. - 221 с. на стр. 213-214 и на стр. 41 или в книге "Расчеты на прочность в машиностроении": в 3-х т./С.Д. Пономарев, В.Л. Бидерман, К.К. Лихарев и др. - М. Машгиз, т. 2, 1958. - 974 с, на стр. 425.

Необходимо отметить, что в частном случае, когда поверхность испытуемого материала плоская R_1,1=R_2,1=∞, а приведенный радиус R_пр равен радиусу индентора R.

Используя две различные нагрузки Ρ в диапазоне, соответствующем измерению твердости, внедряют сферический индентор в поверхность испытуемого материала. Диапазон нагрузок может быть выбран, например, согласно ГОСТ 18835-73 "Металлы. Метод измерения пластической твердости". Эта операция может быть выполнена с использованием различных нагружающих устройств: пресса Бринелля, прибора Роквелла, ручных винтовых прессов и т.п.

Измеряют глубины h₁ и h₂ двух полученных остаточных отпечатков. Эту операцию можно выполнить, например, с помощью индикатора часового типа (установленного в индикаторную стойку) с ценой деления 0,001 мм или 0,01 мм в зависимости от значения измеряемой глубины.

По зависимости (3) определяют контактную жесткость испытуемого материала

по которой с учетом приведенного радиуса кривизны определяют по формуле (4) предельную равномерную деформацию ε_р при статическом растяжении образца из испытуемого материала

Предел выносливости испытуемого материала при растяжении-сжатии определяют по зависимости (5)

При этом для определения числовых значений коэффициентов m и n предела выносливости при растяжении-сжатии используют два вспомогательных образца с известными величинами пределов выносливости материала при растяжении-сжатии; материал вспомогательных образцов (черный или цветной металл выбирают в зависимости от того предел выносливости какого материала при растяжении-сжатии предполагается определять). Предел выносливости вспомогательных образцов при растяжении-сжатии определяют согласно ГОСТ 25.502-79 "Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость": для первого вспомогательного образца σ_-1,р,1, для второго -σ_-1,р,2

Для каждого из двух вспомогательных образцов измеряют радиусы кривизны поверхности в сечениях двумя плоскостями главных кривизн и радиус R сферического индентора, по которым по формуле (6) определяют приведенные радиусы кривизны R_пр1 и R_пр2. Используя две различные нагрузки Ρ в диапазоне, соответствующем измерению твердости, внедряют сферический индентор в поверхность каждого из двух вспомогательных образцов, измеряют на каждом из них глубины h₁ и h₂ двух полученных остаточных отпечатков (на первом вспомогательном образце h_1,1 и h_2,1, на втором - h_1,2 и h_2,2) и определяют по зависимости (3) контактную жесткость первого (c₁) и второго (с₂) вспомогательного образца.

где P_1,1, Ρ_2,1 и Ρ_1,2, Р_2,2 - нагрузки, использованные при внедрении индентора в поверхность первого и второго вспомогательного образца соответственно.

Затем определяют согласно формуле (4) предельную равномерную деформацию при статическом растяжении первого (ε_р,1) и второго (ε_р,2) вспомогательного образца

Вычисляют значения коэффициентов m и n предела выносливости при растяжении-сжатии по следующим формулам

Пример. Проведена экспериментальная проверка предложенного способа.

Определение предела выносливости материала при растяжении-сжатии проводили на образцах, изготовленных их сталей различного уровня прочности.

В качестве индентора использовали стальной закаленный шарик диаметром 5 мм. Форма и кривизна испытуемой поверхности материала были следующие: в опытах №1 и 6 - плоская поверхность (R_1,1=R_2,1=∞), в этом случае приведенный радиус R_пр равен радиусу сферического индентора R=2,5 мм. В опытах №2…5 и 7 - цилиндрическая поверхность (R_1,1=5 мм, R_2,1=∞); при этом согласно формулам (7) и (8)

Для отношения А/В=0,666 нашли n_р=0,9911, n_σ=0,9908. Приведенный радиус кривизны по формуле (6)

Для определения коэффициентов m и n предела выносливости при растяжении-сжатии использовали вспомогательные образцы с плоской поверхностью (R_1,1-R_2,1=∞) изготовленные из стали 10 с известным пределом выносливости при растяжении-сжатии, равном σ_-1,р,1=160 МПа, и из стали 20ХН3А с известным пределом выносливости при растяжении-сжатии, равном σ_-1,р,2=320 МПа. В данном случае приведенный радиус R_пр равен радиусу сферического индентора R=2,5 мм. Внедрение сферического индентора в плоскую поверхность вспомогательных образцом проводили с использованием пресса Бринелля при нагрузках P₁=4905 H и Р₂=2453 Н. Глубины остаточных отпечатков, измеренные индикатором часового типа:

для первого вспомогательного образца h_1,1=0,312 мм, h_2,1=0,156 мм;

для второго вспомогательного образца h_1,2=0,074 мм, h_2,2=0,037 мм.

По зависимости (3) определяют контактную жесткость для первого вспомогательного образца (с₁) и второго вспомогательного образца (с₂):

По формулам (10) и (11) определяют предельную равномерную деформацию при статическом растяжении первого (ε_р,1) и второго (ε_р,2) вспомогательного образца

Отметим, что коэффициент 1540 имеет размерность напряжения то есть - Н/мм².

По формулам (12) и (13) вычисляют значения коэффициентов m и n предела выносливости при растяжении-сжатии

Таким образом, полученные значения коэффициентов m и n предела выносливости при растяжении-сжатии позволяют определять предел выносливости при растяжении-сжатии испытуемых материалов из сталей. При этом формула (5) с учетом числовых значений коэффициентов m и n примет вид

В таблице 1 представлены механические свойства испытанных материалов. При этом предел прочности σ_Β, предел текучести σ_т и предельную равномерную деформацию ε_р,э определяли согласно ГОСТ 1497-84 (ИСО 6892-84) "Металлы. Методы испытания на растяжение", а предел выносливости при растяжении σ_-1,р,э - по ГОСТ 25.502-79 "Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость", принятому в качестве эталонного способа.

Результаты сравнительных испытаний приведены в таблицах 2 и 3. Как видно из таблицы 2, при использовании предлагаемого способа погрешность определения предельной равномерной деформации не превышает, как правило, 5% по сравнению с данными эксперимента, погрешность определения предела выносливости при растяжении-сжатии не превышает 13% и имеет характер двухстороннего разброса.

Как видно из таблицы 4 погрешность определения предела выносливости при растяжении-сжатии у способа-прототипа может быть более 100%. Такой результат вполне закономерен, поскольку способ-прототип предназначен для определения предела контактной выносливости материала, а значения пределов выносливости при растяжении-сжатии и контактном нагружении существенно отличаются.

Таким образом, результаты экспериментальной проверки свидетельствуют о пригодности предлагаемого способа для практического использования.

Использование предлагаемого способа по сравнению с известными обеспечивает следующие преимущества.

Способ обладает достаточно высокой точностью: погрешность определения предела выносливости при растяжении-сжатии не превышает 13%, что для оценки усталостной прочности материала вполне удовлетворительно. При этом способ сохраняет свою достоверность в широком диапазоне изменения прочностных свойств материала.

В связи с этим предлагаемый способ позволяет повысить точность определения предела выносливости при растяжении-сжатии без разрушения материала и может быть использован для контроля усталостной прочность различных деталей, работающих в условиях нагружения растяжением-сжатием (стержни, резьбовые соединения, детали металлоконструкций и т.п.).

Таким образом, способ, воплощающий заявленное изобретение, предусматривает, что измеряют радиусы кривизны поверхности испытуемого материала в сечениях двумя плоскостями главных кривизн и радиус сферического индентора, по которым определяют приведенный радиус кривизны R_пр, используя две различные нагрузки Ρ в диапазоне, соответствующем измерению твердости, внедряют сферический индентор в испытуемый материал и измеряют глубины h двух полученных остаточных отпечатков, при этом определяют контактную жесткость испытуемого материала и предельную равномерную деформацию ε_р при статическом растяжении образца из испытуемого материала, по которой определяют предел выносливости испытуемого материала при растяжении-сжатии.

Способ предназначен для использования в промышленности для определения предела выносливости при растяжении-сжатии без разрушения материала деталей.