Способ испытания материалов на усталость Советский патент 1992 года по МПК G01N3/32 

Изобретение относится к испытаниям материалов, в частности к определению усталости стальных изделий по температуре саморазогрева.

Известен способ испытания материалов на усталость, в котором измеряют температуру саморазогрева стальных образцов в процессе их циклического нагружения.

Известен способ испытания материалов на усталость, который включает циклическое нагружение эталонного образца при периодически увеличивающихся нагрузках и его разрушение при заданном уровне напряжений, регистрацию при саморазогреве образца изменения его температуры и критического ее значения в момент разрушения. Температуру саморазогрева

определяют в момент разрушения для эталонного образца, а циклическое нагружение испытуемого образца проводят при тех же направлениях, что и для эталонного образца, регистрируют скорость изменения его температуры, а критическую температуру саморазогрева определяют графически из графика нагружения эталонного образца в координатах температура саморазогрева - количество циклов как величину, равную температуре саморазогрева эталонного образца.

Известный способ не позволяет определять температуру саморазогрева испытуемого изделия при напряжениях, величина которых отлична от напряжений испытания эталонного образца Кроме того, невозмож

00 00

ел

но определить температуру саморазогрева, которая имела место в испытуемом изделии в момент его разрушения непосредственно на разрушенных изделиях, так как определение величины температуры саморазогре- ва можно проводить только в процессе магружения.

Цель изобретения -упрощение способа путем исключения необходимости определения величины температуры саморазогре- ва в процессе нагружения.

Цель достигается тем, что в способе, включающем нагружение эталонного и испытуемого образцов до разрушения путем приложения циклической возрастающей нагрузки, определение критических температур их-саморазогрева, с учетом которых судят об усталости, аналогично основному нагружают дополнительный эталонный образец, определяют зависимости уровней от- носительных микроискажений эталонных образцов от изменения нагрузок, нагружение испытуемого образца осуществляют нагрузкой, величина которой лежит на линейном участке указанной зависимости, определяют уровень его относительных микроискажений, а критическую температуру саморазогрева последнего определяют из соотношения

г/-Јми Јмк Д2-Тк ,,

30

Ti

ем

где Тхи - критическая температура саморазогрева испытуемого образца;

Ti и Т2 - критические температуры саморазогрева эталонных образцов;

SMI и Јм2 уровни относительных микроискажений эталонных образцов;

Јми уровень относительных микроискажений испытуемого образца.

На фиг.1 представлены графики зависимости изменения относительного уровня микроискажения материала образцов, измеренные на поверхности излома, от величины разрушающих напряжений в координатах Јм - сга (где ем- относительный уровень микроискажений на поверхностиизломаобразцов,

Ј° исходный уро-

вень микроискажений для материала образцов, уровень микроискажения на поверхности из лома,аа- разрушающие внешние циклические напряжения, ф- крайние значения интервала изменения циклических нагрузок, в котором относительный уровень микроискажения на поверхности излома Гм линейно пропорционален разрушающим напряжениям,EMI, Ем2 относительный уровень микроискажения на по

0

5 0 5

0

5

0

5

0

5

верхности излома эталонных образцов, разрушенных при напряжениях 02 соответственно); на фиг.2 - графики зависимости критической температуры саморазогрева Тки эталонных образцов от величины разрушающих напряжений Оз и относительного уровня микроискажений на поверхности излома Јм в координатах Тк - аа и Т -Јм (где Ti и Та - критическая температура саморазогрева эталонных образцов, разрушенных при напряжениях «л, &i соответственно. - критическая температура саморазогрева изделия, еми - относительный уровень микроискажений на поверхности изделия).

Предлагаемый способ испытания материала ъа усталость основан на том, что при циклическом нагружении в материале накапливается усталостная повреждаемость, локализация которой в микрообьемах кристаллической решетки при саморазогреве изделия при усталости сопровождается изменением относительного уровня микроискажений. Относительный уровень микроискажений, формирующийся на поверхности излома разрушенных при усталости образцов, зависит от критической температуры саморазогрева и определяется физико-механическими свойствами мате- риала и величиной разрушающих циклических нагрузок. При нагрузках 0а, незначительно превышающих предел выносливости {высокая долговечность), относительный уровень микроискажений практически не зависит от сга (Јм const) и поэтому в этих условиях контролируемый параметр ем не может быть использован в качестве оценки критической температуры саморазогрева, С повышением разрушающих напряжений относительный уровень микроискажений на поверхности излома монотонно изменяется. Причем в зависимости от свойств нагружаемого материала

ft F

производная --Ј может быть больше или

dOa

меньше нуля. При этом на кривой зависимости ем - Фа) всегда можно найти интервал изменения внешних разрушаемых нагрузок (7i Оа ОД), в котором относительный уровень микроискажений, измеренный на поверхности излома разрушенных образцов, изменяется линейно-пропорционально с ростом разрушающих напряжений (фиг.1). Установлено, что в этом же интервале изменения циклических нагрузок температура саморазогрева стального изделия при усталости пропорциональна разрушающим напряжениям (фиг.2). Тогда, если провести испытание эталонных образцов при внешних напряжениях а ог иопределитькритические температуры Ti и Т2 их саморазогрева при усталостном разрушении, то можно найти критическую температуру саморазог- реоа при усталости испытуемого изделия при любом значении циклического напря- женияя в интервале ff... Ог после разруше- ния изделия на основании данных по измерению относительного уровня микроискажений на поверхности эталонов См1, Јм2 и испытуемого изделия сми из соотношения

ТкиТ1 Ми М1

Т2 - TI ЕМ2 - Гм1

Способ осуществляют следующим образом.

Из исследуемого материала изготавливают эталонные образцы для определения исходного уровня микроискажений и для ус- талостных испытаний по заданной схеме нагружения, которую выбирают с учетом схемы работы изделия. Циклическое нагру жение эталонных образцов проводят при последовательно возрастающих нагрузках до разрушения На поверхности излома разрушенных эталонных образцов определяют относительный уровень микроискажений Јм. Строят график зависимости Јм f ((/а) и находят максимальный интервал изменения (v..ai , в котором относи- тельный уровень микроискажений на поверхности излома линейно пропорционален разрушающим напряжениям. Затем для двух эталонных образцов проводят циклическое нагружение при нагрузках а, ог и определяют критические температуры их саморазогрева Ti. T2 в месте усталостного разрушения. Затем проводят циклическое нагружение до разрушения испытуемого изделия при любой нагрузке, лежащей в интервале о 01. регистрируют на поверхности излома относительный уровень микроискажений рми и определяют критическую температуру саморазогрева при усталости

П p Vi мер Требуется провести испытания на усталость изделия, изготовленного из стали 40, подвергнутой гидроэкструзии (относительная деформация Ј - 0,4) и отжигу при 350°С. Схема циклического нагружения - симметричный изгиб при вращении круглого образца.

Из испытуемой стали изготавливают два эталонных образца для определения ис ходного уровня микроискажений и для проведения усталостных испытаний. Усталостные испытания эталонных образцов проводят по схеме изгиба с вращением при последовательно возрастающих нагрузках. На разрушенных при заданных напряжениях

образцах определяют уровень микроискажений на поверхности излома и находят интервал изменения внешних напряжений, в котором изменение относительного уровня

микроискажений линейно-пропорционально величине разрушающих напряжений

Уровень микроискажений определяют на поверхности излома локальным рентгено- структурным методом по уширению рентге0 невской линии, используя гармонический анализ формы рентгеновской линии, как величину

f, .«

In AN

U

5 где dhke - межплоскостное расстояние: i2 tg 0

Un -. ,.Ј -- uhKe ,

Д(20)Рад

где а- брегговскии угол отражения плоскости (hke),

0 n - кратность отражения;

AN - коэффициент Фурье, ответственный за микроискажения.

Рентгеноструктурный анализ проводят на дифрактометре в излучении Иссле5 дуют дифракционные максимумы от плоско- стей (110) и (220) a -Fe Обработку результатов проводят на ЭВМ.

В таблице приведены результаты измерения относительного уровня микроискаже0 ний на поверхности излома в зависимости от величины разрушающих напряжений для образцов, изготовленных из стали 40 (е 0,4), после отжига при различных температурах

5 Для эталонных образцов устанавливают интервал изменения разрушающих напряжений (71 0а О2, в котором относительный уровень микроискажений линейно пропорционален величине разрушающих нагрузок 7а.

0 Затем проводит усталостные испытания двух эталонных образцов: первого при циклическом напряжении о, второго - при 02. Так, для образцов, изготовленных из гидро экструдированной и отложенной при 350° С

5 стали 40, первый эталонный образец нагружают при 380+5 МПа, второй - при О2 410+5 МПа. В процессе циклического нагружения эталонных образцов измеряют критическую температуру саморазогрева Тк в

0 момент усталостного разрушения. Устанавливают, что для эталонных образцов, разрушенных при CTi 380+5 МПа, критическая температура Ti 390+10 К. для эталонного образца, разрушенного при oi 410+5 МПа,

5 Т2 740+10 К. Разрушающие напряжения для испытуемого изделия устанавливают в интервале 375...415 МПа. На поверхности излома испытуемого изделия определяют относительный уровень микроискажений

ЕМИ. Тек, если Сми- 0,15, то из формулы (1) находят, что критическая температура саморазогрева изделия Тки- 535 К.

Относительную погрешность измерения критической температуры саморазогрева рассчитывают по формуле

ЛТК шДТ1(См2-Јм1)

ТГ и - Tl) + 5м2 Tl - CMI Т2

(2)

где ATi - ± 10К,См2 -0,2.Јм1 - 0,4.ЈМИ 0.15, Т2 - 740 К, Ti - 390 К.

Подставив значения измеренных величин в формулу (2), находят, что относите л ная погрешность -j 0.06.

Таким образом, критическая температура самораэогрева при усталостных испытаниях испытуемого изделия при нагрузках 375...415 МПа 582,..503 К,

Предлагаемый способ испытания материалов на усталость по сравнению с известным имеет следующие преимущества: не требуется проводить измерение скорости изменения температуры саморазогрева испытуемого изделия, нет необходимости определять точное значение разрушающего напряжения. Достаточно установить интервал, в котором находится значение максимальной амплитуды циклического напряжения, воздействующего на изделие: и появляется возможность определения критической температуры самораэогрева при усталости после разрушения изделия.

0

5

0

5

0

Формула изобретен и я Способ испытания материалов на усталость, заключающийся в том, что нагружают эталонный и испытуемый образцы до разрушения путем приложения к ним циклической возрастающей нагрузки и определяют критические температуры их саморазогрева, с учетом которых судят об усталости, о т личающийся тем, что, с целью упрощения путем исключения необходимости определения величин температур само- разогрева в процессе нагружения, аналогично основному нагружают дополнительный эталонный образец, определяют зависимость уровней относительных микроискажений эталонных образцов от изменения нагрузок, нагружение испытуемого образца осуществляют нагрузкой, величина которой лежит на линейном участке указанной зависимости, определяют уровень его относительных микроискажений, а критическую температуру саморазогрева определяют из следующего соотношения

.Јми Јм1л Да - Ti, Ем2 - ЈMIJ

где Тк„ - критическая температура саморазогрева испытуемого образца;

Ti, T2 - критические температуры саморазогрева эталонных образцов;

EMI, - уровни относительных микроискажений эталонных образцов;

Јми уровень относительных микроискажений испытуемого образца

,С(Ьг)(тГ1) + 1.

Цель изобретения - упрощение способа путем исключения необходимости определения величины температур саморазогрева в процессе нагружения. Способ включает нагружение эталонного образца и испытуемого изделия до разрушения путем приложения к ним циклической возрастающей нагрузки и определение критической температуры их самораэогрева. с учетом которой судят об усталости испытуемого изделия. Аналогично основному нагружают дополнительный эталонный образец, определяю™ зависимости уровней относительных микроискажений эталонных образцов от изменения нагрузок, нагружение испытуемого образца осуществляют нагрузкой, величина которой лежит на линейном участке указанной зависимости, определяют уровень его относительных микроискажений, а критическую температуру саморазогрева последнего определяют из соотношения тт Г, . ., Т1 ) (ti)+ -гдет 4критическая температура саморазогрева испытуемого образца; Ti, Та - критические температуры саморазогрева эталонных образцов, FM1, Јм2 - уровни относительных микроискажений эталонных образцов, ЈМ4 уровень относительных микроискажений испытуемого образца 1 табл , 2 ил & Ё

ез отжига

50

295 305 315 325 335

320 330 340 350 360

0,1 0,1 0,1 0,2 0,3 0,5

0,9 0,9 1,0

Ь1 1,3

50

50

370 380 390 00 ПО 420

290 300 310 320 330

о,

0,4

0,2 О

-0,2 -0,5

0,2

0,2

О, 0,6

1,0