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 _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 F_c= F_cN где F_c площадь волны синусоиды в диапазоне напряжений от _в до _макс N число циклов до разрушения образца, а долговечность материала определяют по условию равенства F_c= F_п где F_п суммарная импульсная характеристика заданного процесса в области растягивающих напряжений, превышающих 0,5 _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 _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 F_c=F_cN где F_c площадь волны синусоиды в диапазоне напряжений от 0,5 _в до _макс, _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 F_c F_n, где F_n суммарная импульсная характеристика заданного процесса в области растягивающих напряжений, превышающих 0,56 В.

Определение временного сопротивления материала необходимо для определения параметров F_c и F_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 _в до _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 F_c=F_cN (независимо от вида нагружения разрушение материала наступает в момент достижения суммарным импульсом F величины F_c). При подборе параметров моделирующего заданный нестационарный процесс (фиг.2) синусоидального процесса (фиг.3) его амплитуду принимают равной _а,макс (фиг.2) нестационарного процесса относительно статического уровня _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; _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 = -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 F (площади полуциклов различной формы в графиках (t) при уровне напряжений выше 0,5 _д на фиг.4 и 5 площади треугольника а, b, c, синусоиды adbf и прямоугольника gklh) и F FN, где N замеренные в испытаниях и осредненные по каждому режиму нагружения числа циклов до разрушения (разрыва) образцов. Площади частей синусоидальных эпюр (t), отсеченных линией 0,5 _в, определены по формуле F_c arccosxdx -x arccosx где x ; _а амплитуда циклической нагрузки; Т период нагружения.

Из таблицы видно, что при уровне 0,5_в имеет место примерное равенство критериальной характеристики F 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 _в и _т (пределом текучести) материала для определения уровня 0,5 _в может быть определена последняя характеристика ( _т или _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 _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 _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 F_c=F_cN, где F_c площадь волны синусоиды в диапазоне напряжений от 0,5_в до _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
F_c=F_п,
где F_п суммарная импульсная характеристика заданного процесса в области растягивающих напряжений, превышающих 0,5_в.

РИСУНКИ

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