СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК G01N3/08 

Предлагаемое изобретение относится к области исследования материалов, в частности к исследованию прочностных свойств твердых материалов путем приложения растягивающих или сжимающих статических нагрузок, и может быть использовано, например, для оценки качества металлических материалов при разработке упругих чувствительных элементов приборов и оптимальных технологических режимов их изготовления, установления влияния концентраторов напряжения, состояния поверхности, среды испытания на свойства металлических материалов, а также как экспресс-метод для аттестации новых конструкционных сплавов.

Известна целая группа ускоренных методов определения предела выносливости (усталости), основанная на использовании характеристик свойств материалов, найденных по результатам статических испытаний [1] В рамках всех этих методов установлены корреляционные соотношения между пределом выносливости и одним из двух параметров кривой статического нагружения условным пределом текучести σ_0,2 или пределом прочности σ_в Однако даже условный предел текучести для металлических материалов значительно выше, чем предел выносливости [1][2] поэтому ни одна из известных корреляционных зависимостей не является достаточно точной, универсальной и не дает основания для надежного использования.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому и поэтому выбранным в качестве прототипа является способ определения предела выносливости, который заключается в том, что на образцах снимают кривую статического нагружения, определяют напряжение перехода от линейной стадии накопления остаточной деформации к нелинейной (σ_к) поиск предела выносливости проводят путем циклического нагружения до разрушения или базового числа циклов нагружения на различных уровнях напряжения, лежащих в интервале напряжений от 0,8 σ_к до 1 σ_к [3]
Описанный метод имеет следующие недостатки:
зависимость точности определения предела выносливости (σ_ω) от шага изменения уровня напряжения циклирования. Увеличение точности определения s_w требует уменьшения шага изменения уровня напряжения циклирования и, как следствие, приводит к увеличению длительности испытаний;
большая длительность испытаний. Циклические испытания в интервале напряжений от 0,8 s_к до 1 σ_к требуют 1,5-2 недели при непрерывной трехсменной работе. Перерывы в работе испытательной машины приводят к дополнительному увеличению времени испытания вследствие возврата свойств.

Изобретение направлено на создание способа измерения предела выносливости металлических материалов с повышенной экспрессностью, уменьшенной трудоемкостью при высокой точности.

В соответствии с поставленной задачей способ определения предела выносливости металлических материалов, как и прототип, включает статическое нагружение испытуемого образца при заданной температуре и определение напряжения σ_к перехода от линейного накопления остаточной деформации к нелинейному. Способ отличается от прототипа тем, что другой образец, идентичный вышеуказанному, нагружают напряжением σ_o меньшим, чем вышеопределенное σ_к и измеряют величину нелинейной релаксации этого напряжения Δσ после чего о пределе выносливости (σ_ω) судят по измеренным параметрам статического нагружения и указанной релаксации напряжения.

Предпочтительно значение s_w определяют по формуле:

где E модуль упругости материала,
θ′ коэффициент упрочнения линейной стадии статического нагружения, который равен тангенсу угла наклона линейной стадии этой кривой.

Релаксационное и статическое испытания проводят при том виде нагружения, для которого определяется предел выносливости. Напряжение σ_o при котором измеряют его релаксацию, должно быть меньше σ_к так как предел выносливости для металлических материалов близок к σ_к но меньше него.

Способ, основанный на установлении физической зависимости между тремя процессами многоцикловой усталостью, поведением материала при статическом нагружении в области микропластической деформации и релаксации напряжения в этой области, позволил исключить циклические испытания, а следовательно, значительно сократить время испытаний и их трудоемкость.

На фиг. 1 представлены кривые статического нагружения, построенные методом "нагрузка-разгрузка" (4) по 3 5 образцам.

На фиг. 2 представлены кривые релаксации напряжения.

Способ осуществляют следующим образом. Для испытания были изготовлены образцы в виде пластинок размером 42 х 7 х 0,35 мм из сплавов мартенситно-стареющих 50ХФА и ЭП637 и дисперсионно-твердеющих ЛАНКМц и 36НХТЮ, широко используемых для изготовления узлов манометров на различные давления. Статические и релаксационные испытания проводили при равномерном изгибе по методу Цобкалло: огибание плоского образца по оправке. По одному образцу каждого материала при комнатной температуре нагружали до определенного уровня напряжения σ, в области микропластической деформации (e_ост <0,1%) разгружают и измеряют остаточную деформацию (ε_ост) Точность измерения остаточной деформации 2 • 10^-5% Процесс повторяли при возрастающей нагрузке. Была построена зависимость напряжение деформация для каждого образца, т. е. снимали кривую статического нагружения (фиг. 1).

По кривой статического нагружения образцов было определено напряжение (σ_к) перехода от линейного накопления остаточной деформации к нелинейному и коэффициент упрочнения на линейной стадии θ′ который равен тангенсу угла наклона этой стадии. Видно, что напряжение σ_к для образцов из сплава 50ХФА, ЭП637, ЛАНКМц, 36НХТЮ равны соответственно 1300, 1420, 520, 900 МПа, а коэффициенты упрочнения θ′ 55 • 10⁶, 70 • 10⁶, 61 • 10⁶, 40 • 10⁶ МПа.

Затем на идентичных образцах проводили релаксационные испытания при начальных напряжениях σ_o≃ 0,7σ_к которые для сплавов 50ХФА, ЭП637, ЛАНКМц и 36НХТЮ соответственно равны 970, 970, 380 и 699 МПа. Образцы нагружали до начального напряжения σ_o и выдерживали определенное время при постоянной общей деформации ε_o соответствующей этому начальному напряжению σ_o, затем разгружали и измеряли текущее напряжение. Точность измерения релаксации напряжения 5 • 10^-5% Процесс повторяли при возрастающем времени выдержки при постоянной общей деформации ε_o, т.е. снимали кривые релаксации напряжения, представленные на фиг. 2, и по ним определяли величину релаксации напряжения Δσ на нелинейной стадии релаксации, которое равно разности начального напряжения s_o и напряжения, при котором устанавливается линейное изменение напряжения со временем (Δσ=σ_o-σ) Видно, что для сплавов 50ХФА, ЭП637, ЛАНКМц и 36НХТЮ Δσ соответственно равны: 0,8; 0,38; 0,13 и 0,55 МПа.

Определенные таким образом величины Ds, σ_к, θ′ и модуль упругости E приведены в таблице. По формуле (1) рассчитаны значения предела выносливости σ_ω и также введены в таблицу.

Затраты времени на снятие статической кривой нагружения, кривой релаксации напряжения перехода от линейной стадии накопления остаточной деформации к нелинейному и обработку результатов статических и релаксационных испытания по 3 5 образцам в соответствии с формулой составляет от 8 до 15 ч, т. е. длительность испытаний сокращается по сравнению с прототипом в десятки раз.

Контрольные циклические испытания на этих уровнях напряжений показали, что образцы исследуемых сплавов выдерживали базовое число циклов нагружения 10⁷ без разрушения.

Таким образом, установлено, что полученные в соответствии с предлагаемым техническим решением значения s_w действительно соответствуют пределу выносливости на базе 10⁷ циклов нагружения. Точность определения s_w зависит от точности измерения s_к и Δσ Способ позволяет быстро установить влияние технологических операций, например механотермической обработки, чистоты обработки поверхности, времени вылеживания и т.д. на предел выносливости металлических материалов.

Область использования: в испытательной технике, при испытаниях на прочность, при оценке качества металлических материалов. Сущность: статически нагружают испытуемый образец и определяют напряжение (σ_к) перехода от линейного накопления остаточной деформации к нелинейному с последующим нагружением другого образца, идентичному вышеуказанному, меньшим напряжением и измеряют величину линейной релаксации, после чего о пределе выносливости судят по измеренным параметрам статического нагружения и релаксации напряжений. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ определения предела выносливости металлических материалов, включающий статическое нагружение испытуемого образца при заданной температуре и определение напряжения (σ_к) перехода от линейного накопления остаточной деформации к нелинейному, отличающийся тем, что дополнительно определяют коэффициент упрочнения на линейной стадии статического нагружения (θ), а далее другой образец, идентичный выше указанному, нагружают создавая напряжение, меньше указанного (σ_к), измеряют величину нелинейной релаксации этого напряжения (Δσ), после чего о пределе выносливости (σ_ω) судят по измеренным параметрам указанного статического нагружения и указанной релаксации напряжения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предел выносливости (σ_ω) определяют по формуле

где Е модуль упругости материала.