Способ оценки предела выносливости материала Советский патент 1992 года по МПК G01N3/32 

XJ

СЛ О)

Изобретение относится к испытаниям материалов и конструкций на выносливость, в частности к способам определения предела ограниченной выносливости по результатам испытаний образцов Цель изобретения - снижение трудоемкости за счет сокращения суммарного числа циклов нагружения образцов, партию одинаковых образцов материала циклически нагружают при ступенчато возрастающей нагрузке до разрушения каждого образца. Уровень напряжений на первой ступени нагружения каждого образца поддерживают равным оь а + b Ммал 100 % - , где OQ- уровень напряжеig 7Т ния на первой ступени нагружения, а, Ь - число циклов, соответствующее условной границе с зоной малоцикловой усталости материала, д % -доля накопленных повреждений для данной ступени нагружения, уровень напряжений на каждой последующей ступени нагружения увеличивают на постоянную величину, выбираемую из следующего соотношения Аа big - 5%/100 % 100 %/6 % - 1 а нагРУжение на каждой ступени осуществляют при числе циклов, выбираемом из следующего соотношенияOi -а - , о - напряжеNI- д% /100% . 10 ние i-й ступени. Регистрируют числа циклов нагружения до разрушения образцов по которым определяют предел выносливости 1 табл.

Изобретение относится к области испытаний материалов и конструкций на вынос- ливость. в частности к способам определения предела ограниченной выносливости по результатам испытаний образцов

В машиностроении известны способы ускоренной оценки предела выносливости методом ступенчатого нагружения, который называют также методом Локати. Эти способы позволяют ускорить испытания за счет того что на высоких уровнях напряжений образец разрушается значительно быстрее, чем на одном уровне напряжений. Например. известен способ определения предела выносливости образцов материала методом ступенчатого нагружения, при котором к образцам прикладывают ступенчато возрастающую циклическую нагрузку, доводят их до разрушения на второй ступени напряжений и определяют наработку каждого образца на соответствующих ступенях напряжений, по которой судят о пределе выносливости Однако доля накопленных повреждений на первой ступени напряжений мала, а если этот уровень близок к пределу выносливости, то доля накопленных повреждений практически равна нулю. То есть на первой

Ю

ступени нагружение ведется вхолостую. Кроме того, на второй ступени в пределах базы испытаний образец может не разрушиться, Это также затягивает испытания,

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является способ оценки предела выносливости материала, заключающийся в том, что партию одинаковых образцов циклически нагружают при ступенчато возрастающей нагрузке до разрушения для каждого образца таким образом, что уровень напряжений на каждой ступени нагружения различен, регистрируют числа циклов нагружения на каждой ступени, с учетом которых судят о пределе выносливости. Однако в этом способе напряжения на первой ступени нагружения выбирают близкими к предполагаемому пределу выносливости. Поэтому доля накопленных повреждений близка к нулю и нагружение на первой ступени также ведется вхолостую. Число циклов нагружений на ступенях при переходе от одной ступени к другой не изменяют. Из-за этого на нижних ступенях нагружения доля накопленных повреждений близка к нулю, а на верхних ступенях близка к единице. То есть нэгружение на нижних ступенях ведется практически вхолостую, это затягивает испытания, повышает их трудоемкость. Накопление повреждений на ступенях идет неравномерно, что снижает точность полученных результатов. Кроме того, постоянное число циклов нагружения на ступенях не позволяет предельно сократить длительность испытаний, то есть предельно снизить их трудоемкость за счет сокращения суммарного числа циклов нагружения каждого образца.

Целью изобретения является снижение трудоемкости за счет сокращения суммарного числа циклов нагружения образцов.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе оценки предела выносливости материала уровень напряжений на первой ступени нагружения каждого образца поддерживают равным

а а b . Ig -

Кмал ЮР %

д%

где г/о - уровень напряжения на первой ступени нагружения;

a. b - значения коэффициентов, описывающих кривую усталости материала;

Мнал - число циклов, соответствующее условной границе с зоной малоцикловой усталости материала;

д % - доля накопленных повреждений для данной ступени нагружения, уровень напряжений на каждой последующей ступени нагружения увеличивают на

постоянную величину, выбираемую из следующего соотношения:

д0/ и

0

ЩУ%

а нагружение на каждой ступени осуществляют при числе циклов, выбираемом из следующего соотношения:

Oj -а

L.10

100 % 1U

Nl

oi - напряжение 1-й ступени.

Уровень напряжения на первой ступени

нагружения выше предполагаемого значения предела выносливости (определенного приближенными значениями коэффициентов а. Ь) и соответствует минимальному уровню, ниже которого нецелесообразно

нагружать образец, так как доля накопленных повреждений на уровнях напряжений ниже указанного близка к нулю. Формула для определения а0 получена следующим образом. Доля накопленных повреждений

& % на уровне 0ь за число циклов ЫМал составляет

Ммзл

а%

Nr

100%

где NO - число циклов до разрушения образца на уровне напряжений а0 . Отсюда

N Nuan щпо/ 6 la ®®f

Из уравнения, описывающего кривую усталости

.

Из двух последних зависимостей получаем выражение для определения уровня напря- жения на первой ступени нагружения Ммал-100 %

00 а + b . Igа%

Зависимость для определения приращения напряжений от ступени к ступени получена следующим образом. Для сокращения длительности испытаний уровень на- пряжений Ok на последней ступени нагружения должен соответствовать условной границе с зоной малоцикловой усталости. Это соответствует зависимости

Ok а + b . 1дММал.

Предполагаемое число ступеней нагружения п до разрушения образца

, 100 %

Приращение напряжений До от ступени к ступени

--fprT

Подставляя в эту зависимость три предыдущих выражения для оь , oi , n, получим искомое выражение

д и щАа

Ъ%

-1

Зависимость для определения числа циклов нагружения на каждой 1-й ступени получена следующим образом. Напряжение на 1-й ступени нагружения

Лсг оъ + 1 Да,

где i 0, 1,... - индекс ступени нагружения. Для равномерного накопления повреждений от ступени к ступени необходимо, чтобы на каждой ступени нагружения накапливалась доля поврех дений д %. Так как число циклов Npasi до разрушения образца на i-й ступени нагружения. соответствующей уровню напряжений Oj равно о - а

Npa3i 10 b ,

то доля повреждений «5 % соответствует числу циклов нагружения

NJ НАЛ v Npasi ,

Таким образом, подставляя зависимость для Npasi в последнюю формулу получим число циклов нагружения на каждом уровне напряжений

,

Nl т&Йг Ю ь

С ростом уровня напряжений 0) число циклов NI сокращается. Это позволяет снизить трудоемкость испытаний за счет сокращения суммарного числа циклов нагружения каждого образца. Кроме того, обеспечивается равномерное накопление повреждений от ступени к ступени, то есть равноценность каждой ступени нагружения, что повышает достоверность полученных результатов.

Предлагаемый способ оценки предела выносливости материала реализован следующим образом. Для испытаний выбран образец высокопроволочной проволоки диаметром 5 мм, предназначенной для ар- мированил преднапряженных железобетонных конструкций транспортных сооружений. Коэффициент асимметрии цикла р- 0,75. Приближенные значения коэффициентов а и Ь, описывающих кривую усталости, по результатам ранее проведенных испытаний аналогичной проволоки а 4272.2 МПа, Ь -507,7 МПэ. Доля накопленных повреждений на каждой ступени нагружения по условиям заданной точности д %

5 10%. Число циклов, соответствующее условной границе с зоной малоцикловой усталости Ымал 50000 циклов. Уровень напряжения на первой ступени нагружения по предлагаемой зависимости составил

0 оь 1379 МПа. приращение напряжений от ступени к ступени по приведенной выше формуле составило Асг 56,4 МПа. Числа циклов NI на соответствующих ступенях нагружения I О, 1, 29, вычисленные для

5 соответствующих уровней напряжений о , представлены в таблице.

Нагружение образца осуществляют на каждой ступени при числе циклов согласно таб0 лице. Образец разорвался после суммарного числа циклов, равного 193700 на 8-й ступени нагружения, (i 8};отработав на ней NB - 310 циклов. Задают минимальное значение вероятности разрушения PJ

5 0,1 и максимальное значение вероятности разрушения PJ 0,9. Доли накопленных повреждений Јjpj на 1-й ступени нагружения,

соответствующие вероятностям разрушения PJ 0,1; 0.5; 0,9, определяют по формуле

0

5

t NI

где Nipj - теоретическое число циклов нагружения на 1-й ступени, соответствующее вероятности разрушения PJ.

Nipj 10

UpJ.c+«LlIl±L yeLlElzЈ

где end- приближенные значения коэффициентов зависимости, описывающей семейство кривых усталости по параметру вероятности разрушения; Upj - квантиль нормального распределения, соответствующая вероятности разрушения PJ.

По результатам ранее проведенных исследований аналогичной проволоки с 0.3063; d -0,0001125 . Вероятностям разрушения соответствуют квантили Upj

-1,282; 0; 1.282. Для вероятностей разрушения PJ 0,1; 0.5; 0,9 определяют логарифм 5pj суммарной доли накопленных повреждений по формуле

55

5pj Ig

- о

;ipj

Определяют приближенные значения пределов выносливости 5pj .соответствующие вероятностям разрушения pj по формуле

Ig N5 - Upj с ) 1 f b Up d где Ne 2000000 - база испытаний.

Определяют приближенное значение среднего предела выносливости OR по формуле

tfR 3-(,i ,5 .g)

|- (. ).1+(.5 -gR) ,5+(.9 -PR) dp) 0.9 (apj o. )2+((TPJ 0. )+(tfpj 0.9 -CTR)

В результате вычислений по приведенным выше зависимостям предел выносливости по результатам испытаний образца составил OR 997,96 МПа.

Аналогично были испытаны еще два таких же образца высокопрочной проволоки. Второй образец выдержал всего 160200 циклов нагружения и разорвался на 5-й ступени ), отработав на ней NS 200 циклов. По результатам испытаний второго образца предел выносливости составил OR 861,83 МПа, Третий образец выдержал в сумме 202700 циклов и разорвался на 9-й ступени ) отработав на ней Ng 590 циклов. По результатам испытаний третьего образца предел выносливости составил OR 1037,16 МПа. По результатам испытаний трех образцов окончательно определяют средний предел выносливости, который составил 965,65 МПа.

Предлагаемый способ по сравнению с известным методом Локати позволяет сократить длительность испытаний в 2,3 раза и может быть использован как для испытания образцов материалов, так и для испытания элементов конструкций.

Формула изобретения Способ оценки предела выносливости материала, заключающийся в том, что партию одинаковых образцов циклически нагружают при ступенчато возрастающей нагрузке до разрушения для каждого образца так, что уровень напряжений на каждой ступени нагружения различен, регистрируют числа циклов нагружения на каждой ступени, с учетом которых судят о пределе выносливости, отличающийся тем ,

и средний логарифм доли накопленных повреждений

5 з (5pj 0,1 0.5 + 5pj 0.9 )

5Предел выносливости rrp по результатам испытаний образца (его уточненное значение) определяют по формуле 6

CTR fTR -у,

10 где коэффициент I определяют по формуле

что, с целью снижения трудоемкости за счет сокращения суммарного числа циклов нагружения образцов, уровень напряжений на первой ступени нагружения каждого образца поддерживают равным

оъ а + b . Ig

NK

л 100 %

где (Jo уровень напряжения на первой ступени нагружения;

a, b - значения коэффициентов, описывающих кривую усталости материала;

Ммал число циклов, соответствующее условной границе с зоной малоцикловой усталости материала;

д %-доля накопленных повреждений для данной ступени нагружения, уровэнь напряжений на каждой последующей ступени нагружения увеличивают на постоянную величину, выбираемую из следующего соотношения:

Аа

1ЛЛ О/1

IUU 7о л X о/ I О /о

а нагружение на каждой ступени осуществляют при числе циклов, выбираемом из следующего соотношения:

OJ -а

10

о - напряжение (-ступени.