Определения предела выносливости металлов

1

Орехова Е.Е. 1

Абрамов А.А. 1

Андреев В.В. 1
1 Нижегородский Государственный Технический Университет им. Р. Е. Алексеева
С середины XIX в. было установлено, что прочность металлов существенной снижается в результате воздействия циклических нагрузок. До сих пор закономерности этого явления до конце не раскрыты.

Существующие теории не позволяют с гарантированной точностью предсказывать характеристики сопротивления усталости материалов в реальных конструкциях.

Относительно недавно появилась обобщенная зависимость предела выносливости металлов, позволяющая с наименьшими трудозатратами и без проведения экспериментов определить значения интересующих параметры, но этот метод определения предела выносливости не учитывает воздействие конкретных факторов.

Данная работа посвящена разработке методики определения предела выносливости металлов с учетом влияния конкретных факторов (испытательная среда, материал, форма и т.д.). Для учета влияния конкретного фактора предполагается использовать искусственные нейронные сети (ИНС).

предел выносливости металлов

1.

Предел выносливости металлов на обобщенной зависимости приведенных параметров сопротивления усталости: Монография / В.В. Андреев; Нижегород. гос. техн. ун-т. Н.Новгород, 2003. 304 с.
2. Гухман А.А., Зайцев А.А. Обобщенный анализ. М.: Факториал, 1998г., 304с.
3. Андреев В.В., Кравченко В.Н., Самарин С.Г.

Количественная оценка связи параметров сопротивления многоцикловой усталости металлов. Известия ВУЗов. Черная металлургия, Москва, 2004, № 4. С.67-68.
4. Андреев В.В. Использование системного анализа для построения информационной системы прогнозирования поведения металлов при циклическом нагружении. Научно-техническая информация. Сер.1.

Организация и методика информационной работы. 2005г. №3. С.32-35. 5. Андреев В.В. Способ оценивания показателей сопротивления усталости металлов на основе процедуры приведения. Известия ВУЗов. Черная металлургия, Москва, 2005, №9. С.68.
6. Андреев В.В. Диагностика изменений в структуре материала с использованием обобщенных критериев сопротивления усталости. Контроль.

Диагностика. М., “Машиностроение”, 2005г. №6. С.61-64.

С середины XIX века было установлено, что прочность деталей существенно снижается в результате периодического (циклического) изменения нагрузки. Если на металл действуют знакопеременные нагрузки, то он ведет себя по-иному, чем при действии только растягивающих или только сжимающих сил. Особенности и закономерности этого явления до конца еще не раскрыты. Существующие теории не позволяют с гарантированной точностью предсказывать характеристики сопротивления усталости материалов в реальных конструкциях [1].

Методы определения предела выносливости предусматривают проведение длительных испытаний. При испытании с частотой нагружения несколько тысяч циклов в минуту время построения одной кривой усталости измеряется неделями.

Поэтому понятно стремление к разработке экспериментально-аналитических методов для ускоренного нахождения пределов выносливости.

Основное преимущество методов ускоренного построения заключается в их оперативности и резком уменьшении количества необходимых для испытания образцов.

Относительно недавно появился метод определения пределов усталости металлов с использованием обобщенной зависимости [1], [2].

Для применения этого метода прогноза положения кривой усталости в многоцикловой области, необходимо знать значение трех параметров: σR – предел выносливости; NG – число циклов нагружения; tgαw – тангенс угла наклона левой ветви кривой усталости к оси числа циклов нагружения. (рисунок 1)

Определения предела выносливости металлов

Рис. 1. Характеристики кривой усталости, необходимые для получения приведенных параметров сопротивления усталости.

  • 1,2,3 – многоцикловые области кривых усталости для различных металлов или различных условий проведения эксперимента, спрямленные в логарифмической системе координат
  • Но не для всех сочетаний факторов имеются экспериментальные данные и, следовательно, данные для применения вышеуказанного метода оценки.
  • Цель работы

Цель данной работы — разработка метода приблизительной оценки показателей сопротивления усталости металлов с использованием обученных искусственных нейронных сетей (ИНС), а исходными данными при использовании разработанного метода прогнозирования будет совокупность известных данных об условиях проведения испытаний на усталость, например, материал, форма, условия нагрузки и т.д.

Разработка метода выполняется в два этапа. На первом этапе идет определение значений двух приведенных параметров из тройки чисел, соответствующих некоторой кривой усталости — σприв, Nприв, tgαwприв..

При этом один параметр меняется в некотором интервале это tgαwприв, второй параметр – в зависимости от задачи σприв или Nприв, определяется на основе корреляционных зависимостей, представленных в [1].

Второй этап необходим для уточнения положения обобщенной зависимости при уточнении (добавлении) информации о действующих факторах.

Получающаяся обобщенная зависимость (рисунок 2) не содержит в себе в явном виде информацию о влияющих факторах, но положение каждой точки в трехмерном пространстве приведенных параметров сопротивления усталости (а это, фактически, представление в приведенном пространстве одной из кривых усталости совместно рассматриваемых для получения обобщенной зависимости), определяется совокупностью действующих факторов, под действием которых кривая усталости в приведенном пространстве перемещается, занимая определенное положение [1], [2].

Определения предела выносливости металлов

Рис. 2. Обобщенная зависимость приведенных показателей сопротивления усталости металлов.

Каждая точка этой зависимости представляет собой кривую усталости, характерные точки которой в многоцикловой области были преобразованы для представления в пространстве приведенных показателей сопротивления усталости

При уточнении каких – либо внешних факторах положение кривой в пространстве изменяется. На рисунке 3 представлен характер изменения положения кривой обобщенной зависимости при уточнении какого – либо фактора.

Определения предела выносливости металлов

Рис. 3. Изменение положения обобщенной зависимости приведенных параметров сопротивления усталости при уточнении информации о действии какого – либо фактора

Именно положение кривой в приведенном пространстве и определяется в ходе выполнения прогнозирования [3,4,5].

В результате анализа имеющихся экспериментальных данных было замечено, что проекции кривых обобщенной зависимости на координатные плоскости, образованные координатными осями приведенных параметров сопротивления усталости при переходе от одной к другой совокупности действующих факторов не меняют своего характера, смещаясь в соответствие с изменением некоторых коэффициентов, связанных с действием конкретного фактора. Но проекция зависимости на координатную плоскость представляет собой зависимость одного приведенного показателя сопротивления усталости от другого. Таким образом, было установлено, что зависимость tgαw_прив от N_прив имеет логарифмическую форму, σ_прив от N_прив степенную форму и σ_прив от tgαw_прив имеет экспоненциальную форму. На рисунке 4 представлено смещение проекции кривой обобщенной зависимости при уточнении информации об исследуемом материале (в данном случае – марки стали).

Определения предела выносливости металлов

Рис. 4. Визуализация изменения зависимости σ_прив от tgαw_прив при уточнении материала (марки стали)

При смещении проекции кривой в приведенном пространстве изменяются только коэффициенты функций, но не характер самих зависимостей.

Положение кривой в пространстве и две известные координаты однозначно определяют точку на уточненной кривой обобщенной зависимости.

Помимо этого, второй этап может отдельно применяться при исследовательских работах, когда необходимо изучить поведение материалов в различных условиях и подобрать оптимальное сочетание факторов [6].

Если рассматривать конкретный параметр или их совокупность (материал, форму и т.д.), положение кривой в пространстве изменится.

Исследуя семейство представляющих интерес кривых, можно подобрать оптимальное сочетание факторов для исследуемой задачи.

В настоящее время созданы ИНС для определения всех трех приведенных показателей сопротивления усталости. В качестве входных параметров в данном случае брались марка стали, схема нагружения и нагрузка (МПа). В дальнейшем планируется ввести учет других влияющих факторов (температура, обработка, среда и т.д.).

Так же в настоящее время построена ИНС, определяющая коэффициенты уравнений кривых – проекций на координатные плоскости, позволяющие воссоздать положение обобщенной кривой в пространстве приведенных показателей сопротивления усталости. В качестве входных параметров при создании данной ИНС была взята марка материала.

Выходные параметры – коэффициенты кривых.

С помощью полученной ИНС можно воссоздать только усредненную для данной марки стали или сплава кривую обобщенной зависимости приведенных показателей сопротивления усталости, зная которую и угол наклона левой ветви кривой усталости в логарифмической системе координат (он определяется по экспериментальным результатам при испытании на усталость нескольких образцов, можно спрогнозировать положение кривой усталости металла, в том числе и положение точки перелома спрямленной в логарифмической системе координат кривой усталости в многоцикловой области). В дальнейшем предполагается создать ИНС, учитывающие другие факторы, кроме материала.

Были созданы обучающие выборки. Для ИНС, определяющей значения приведенных параметров, обучающая выборка представляет собой совокупность значений марок сталей, соответствующих схем нагружения и нагрузок.

Всего 1179 сочетаний действующих факторов (условий испытаний на усталость) и соответствующих им значений координат точки перелома кривой усталости спрямленной в логарифмической системе координат.

Для ИНС, определяющей коэффициенты кривых – проекций обучающая выборка представляла собой совокупность данных о марках сталей или сплавов и искомых коэффициентов – параметров уравнений кривых-проекций обобщенной зависимости приведенных показателей сопротивления усталости на координатные плоскости.

Для решения поставленных задач были рассмотрены сети типа многослойный персептрон (МСП), т.к.

эти сети лучше других типов сетей прогнозируют значения в области, в которой не проходило обучение, что немаловажно при получении результатов в неисследованной ранее области, при прогнозировании.

При исследовании конфигурации ИНС было рассмотрено несколько различных функций активации: тангенциальная, экспоненциальная. Так же варьировалось количество нейронов в промежуточном слое.

В результате были смоделированы ИНС, определяющие значения интересующих величин с погрешностью, не превышающей 15%.

Рецензенты:

Радионов А.А., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Кафедра общей и ядерной физики»

Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего профессионального образования «Нижегородский Государственный Университет им. Р.Е. Алексеева», г. Н. Новгород.

Соколова Э.С., д.т.н., профессор зав. кафедрой «Информатика и системы управления»

Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего профессионального образования «Нижегородский Государственный Университет им. Р.Е. Алексеева», г. Н. Новгород.

Библиографическая ссылка

Орехова Е.Е., Абрамов А.А., Андреев В.В. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ МЕТАЛЛОВ С УЧЕТОМ ВЛИЯЮЩИХ ФАКТОРОВ НА ОСНОВЕ ИСКУССТВЕННОЙ НЕЙРОННОЙ СЕТИ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=16260 (дата обращения: 23.06.2022). Определения предела выносливости металлов

Испытание материалов на выносливость

Определения предела выносливости металлов

Лабораторная работа №16 по испытанию материалов на выносливость и определению предела выносливости материала (стали) при напряжениях, переменных во времени.

Цель работы – ознакомиться с методикой усталостных испытаний при деформации чистого изгиба и определить предел выносливости материала при напряжениях, переменных во времени.

Читайте также:  Переплавленный металл как пишется н или нн

Основные сведения

Известно, что около 20% деталей машин выходят из строя при напряжениях, много меньших предела прочности для данного материала. Причиной этого является усталость – состояние материала, при котором переменные напряжения вызывают прогрессирующее развитие трещин, приводящее к разрушению.

Способность материала сопротивляться разрушению при переменных напряжениях называется выносливостью.

Наиболее неблагоприятным фактором, значительно уменьшающим выносливость, является концентрация больших местных напряжений, возникающих при резких изменениях сечений (галтели, отверстия, выточки, уступы и т.д.), неровностях и повреждениях поверхности (грубая обработка, царапины и т.д.), внутренние пороки (поры, шлаковые включения др.).

Наиболее просто осуществляются переменные напряжения симметричного цикла при изгибе вращающегося образца.

Испытание на усталость проводится на специальной машине МУИ-6000, которая позволяет создавать деформацию чистого изгиба с максимальным моментом 50 Н·м. Схема нагружения образца представлена на рис. 16.1. Постоянная нагрузка Q вызывает во вращающемся образце симметричный цикл напряжений, наиболее опасный для детали.

Определения предела выносливости металлов
Рис. 16.1. Схема нагружения образца при испытании на выносливость

При испытании на выносливость используются стандартные цилиндрические образцы по ГОСТ 25.502-79 диаметром 5-10 мм, при этом для получения достоверных результатов требуется испытать 6-12 одинаковых образцов.

Первый образец испытывают при наибольшем напряжении цикла для сталей σmax = 0,6 · σпч, для сплавов и цветных металлов σmax = 0,4 · σпч, фиксируя число циклов N, при котором образец был разрушен.

Для каждого последующего образца наибольшие напряжения уменьшают на 20 … 40 МПа, при этом число циклов, необходимое для разрушения, увеличивается.

В итоге находят так называемый предел выносливости – наибольшее напряжение, которое образец выдерживает без разрушения в течение заданного числа циклов, называемого базой испытаний (для сталей база испытаний равна 10·106 циклов, для цветных металлов – 100·106 циклов).

Диаграмма, представленная в координатах σmax-Nц, называется кривой усталости (кривая Вёлера) и позволяет определить предел выносливости материала при симметричном цикле нагружения σ-1 (рис. 16.2).

Определения предела выносливости металлов

Рис. 16.2. Кривая усталости (кривая Вёлера)

Испытания на выносливость – очень длительные испытания и при проведении учебной лабораторной работы не всегда удается получить предел выносливости. Обычно ограничиваются определением разрушающего напряжения двух-трех образцов.

При тщательно проведенных испытаниях можно убедиться, что чем меньше σmax, тем большее число циклов нагружения выдерживает образец.

Порядок выполнения и обработка результатов

  • Подсчет напряжений, вызвавших разрушение образца, производится по формуле
  • где Mi=Qil0/2 – изгибающий момент на среднем участке образца;
    Wx=πd3/32 – момент сопротивления среднего участка образца.
  • Для стали ожидаемое значение предела усталости подсчитывается по одной из следующих зависимостей:

σ-1=0,27∙σпч+1850∙105 Н/м2;
σ-1=0,24∙σт+2750∙105 Н/м2
.

Порядок проведения испытания следующий:

  • измеряются размеры образца и подсчитывается первичная нагрузка Q;
  • образец закрепляется в шпиндельных головках испытательной машины, устанавливается индикатор, сбрасывается показание счетчика образцов и запускается двигатель;
  • после поломки образца определяется по счетчику образцов число циклов до разрушения;
  • принимается очередная ступень нагрузки и испытание повторяется.

Контрольные вопросы

  1. Какие факторы обусловливают разрушение деталей при относительно небольших переменных напряжениях?
  2. Как строится и для чего кривая усталости для симметричного цикла?
  3. Дайте определение предела выносливости.

Испытание на растяжение стального образца >
Лекции по сопромату >
Примеры решения задач >

Предел выносливости (сопромат)

Предел выносливости обозначается (или ), где индекс R соответствует коэффициенту асимметрии цикла. Так, например, для симметричного цикла он обозначается , для отнулевого цикла (при ), для постоянного цикла .

Предел выносливости при симметричном цикле является наименьшим по сравнению с другими видами циклов, то есть .

Так, например, Определения предела выносливости металлов; Определения предела выносливости металлов.

предел ограниченной выносливости

Для расчета деталей, не предназначенных к длительной эксплуатации, возникает необходимость в определении наибольшего значения напряжения, которое может выдержать материал при заданном числе циклов (N), значение которого меньше, чем базовое (). В этом случае по кривой усталости и заданному числу циклов (N) определяется соответствующее напряжение (), называемое пределом ограниченной выносливости.

Факторы предела выносливости при симметричном цикле

При оценке прочности детали, работающей в условиях статического нагружения, механические характеристики материала детали полностью отождествляются с механическими характеристиками материала образца, полученными в результате эксперимента. При этом не учитывается разница ни в форме, ни в размерах детали и образца, ни некоторые другие отличия.

При расчете детали на усталость необходимо учитывать упомянутые факторы. К наиболее существенным факторам, которые влияют на предел выносливости при симметричном цикле, относятся концентрация напряжений, абсолютные размеры поперечного сечения детали и шероховатость ее поверхности. Это легко объясняется тем, что все упомянутые факторы способствуют возникновению и распространению микротрещин.

Влияние концентрации напряжений

Вблизи выточек, у краев отверстий, в местах изменения формы стержня, у надрезов и т.п. наблюдается резкое увеличение напряжений по сравнению с номинальными напряжениями, вычисленными по обычным формулам сопротивления материалов. Такое явление называется концентрацией напряжений, а причина, вызывающая значительный рост напряжений – концентратором напряжений.

Зона распространения повышенных напряжений носит чисто местный характер, поэтому эти напряжения часто называют местными.

При напряжениях, переменных во времени, наличие концентратора напряжений на образце приводит к снижению предела выносливости. Это объясняется тем, что многократное изменение напряжений в зоне очага концентрации напряжений приводит к образованию и дальнейшему развитию трещины с последующим усталостным разрушением образца.

Для того чтобы оценить влияние концентрации напряжений на снижение сопротивления усталости образца с учетом чувствительности материала к концентрации напряжений, вводят понятие эффективного коэффициента концентрации, который представляет собой отношение предела выносливости стандартного образца без концентрации напряжений к пределу выносливости образца с концентрацией напряжений: (или ).

Влияние абсолютных размеров поперечного сечения

С увеличением размеров поперечных сечений образцов происходит уменьшение предела выносливости.

Это влияние учитывается коэффициентом влияния абсолютных размеров поперечного сечения (ранее этот коэффициент назывался масштабным фактором).

Упомянутый коэффициент, равен отношению предела выносливости гладких образцов диаметром d к пределу выносливости гладкого стандартного образца диаметром, равным 7,5 мм: (или ).

Шероховатость поверхности

Механическая обработка поверхности детали оказывает существенное влияние на предел выносливости. Это связано с тем, что более грубая обработка поверхности детали создает дополнительные места для концентраторов напряжений и, следовательно, приводит к возникновению дополнительных условий для появления микротрещин.

Отношение предела выносливости образца с данной шероховатостью поверхности к пределу выносливости образца со стандартной обработкой поверхности, соответствующей ГОСТ 2789–73, называется коэффициентом влияния шероховатости поверхности: (или ).

Значение коэффициента влияния шероховатости поверхности определяется по таблицам или графикам, которые приводятся в справочниках по сопротивлению материалов или в другой научной литературе.

предел выносливости детали при симметричном цикле

Совместное влияние перечисленных трех факторов учитывается общим коэффициентом снижения предела выносливости при симметричном цикле: (или ).

Поэтому предел выносливости при симметричном цикле равен: (или ).

Предел выносливости материала

В многочисленных опытах было замечено, что число циклов до момента разрушения зависит от величины возникающих максимальных напряжений.

При больших напряжениях для разрушения достаточно небольшого количества циклов нагружения, и наоборот, при малых напряжениях деталь может проработать практически бесконечно долгое время, поэтому в этом случае число циклов, до которого должно проводиться испытание, предварительно оговаривается [25, 26].

Предварительно задаваемая наибольшая продолжительность испытаний на усталость называется базой испытаний. Цель испытаний на усталость заключается в определении такой механической характеристики, которая могла бы количественно охарактеризовать способность материалов сопротивляться усталости. К этой характеристике относится предел выносливости.

Пределом выносливости называется максимальное по абсолютному значению напряжение цикла, при котором еще не происходит усталостное разрушение до базы испытаний.

Для определения предела выносливости испытанию подвергают партию одинаковых образцов. Наибольшее распространение получили испытания на чистый изгиб при симметричном цикле изменения напряжений вращающихся образцов.

Первый образец нагружают до высоких напряжений, приблизительно равных 0,5…

0,7 от предела прочности материала; в следующих образцах напряжения создают меньшими и при каждом напряжении фиксируют число циклов нагружения, которое выдерживает образец до разрушения.

По результатам испытания строят кривую зависимости числа циклов нагружений до разрушения от максимального напряжения, создаваемого в образце (рис. 11.4).

Эта кривая носит название кривой усталости или кривой Вёлера — по имени немецкого ученого, занимавшегося исследованием усталостной прочности материалов. Кривая усталости многих материалов асимптотически приближается к некоторому значению (см. рис. 11.

4), которое обычно и принимается за предел выносливости. Опыт показал, что образцы, выдержавшие 10-106 циклов нагружений, могут проработать практически неограниченно долго.

Рис. 11.4. Кривая усталости

Кривые усталости обычно строят в полулогарифмических координатах omax = —lg/V или двойных логарифмических lgomax — lg/V. Для сталей кривая усталости в координатах lgomax — lgTV имеет вид двух прямых: наклонной и горизонтальной — с точкой пересечения, имеющей абсциссу Ng (рис. 11.5).

Рис. 11.5. Кривая усталости, построенная в логарифмических координатах

Анализ кривой усталости показывает, что при напряжении, меньшем некоторого определенного значения, образцы не разрушаются при любом большом числе циклов, поэтому длительность испытаний ограничивают. Предварительно задаваемую наибольшую продолжительность испытаний на усталость называют базой испытаний NG. Для сталей за базу испытаний обычно принимают 107 циклов.

По кривой усталости определяют характеристику прочности материала — предел выносливости.

Предел выносливости обозначают оЛ, где R = tfmin/omax — коэффициент асимметрии цикла. Для симметричного цикла (R = -1) предел выносливости обозначают о_1? для отнулевого цикла (R = 0) — о0.

Для сталей предел выносливости определяют по кривой усталости как напряжение, соответствующее долговечности NG (точке перелома кривой усталости). Для легких сплавов кривая усталости не имеет горизонтального участка и предел выносливости определяют для выбранной базы испытаний.

Читайте также:  Аппарат "керхер" для мойки машин своими руками: инструкция по изготовлению

Значения пределов выносливости o_j и о0 для конструкционных материалов приведены в справочниках. Для сталей существует приближенная, установленная экспериментально зависимость между пределами выносливости и прочности ов (в МПа).

Для углеродистой стали

Для легированной стали

Для серого чугуна

Для цветных металлов и их сплавов

Для расчета на усталость деталей, работающих при циклическом растяжении—сжатии или циклическом кручении, необходимо знать соответствующие значения пределов выносливости.

Здесь o_lp, g_] и т_! — пределы выносливости при циклических растяжении—сжатии, изгибе и кручении соответственно.

Если требуемая долговечность детали в циклах меньше базовой NG, для которой имеется в справочнике предел выносливости а_1С, то предел выносливости для требуемой долговечности о_ш можно определить из уравнения наклонного участка кривой усталости, построенной при симметричном цикле испытания образцов (рис. 11.6):

Следовательно,

откуда

Для сталей показатель степени т уравнения кривой усталости (11.10) можно принимать равным 9.

Рис. 11.6. Кривая усталости при симметричном цикле испытаний, построенная в логарифмических координатах

Пределы выносливости

Предел выносливости не является постоянной, присущей данному материалу характеристикой, и подвержен гораздо большим колебаниям, чем механические характеристики при статическом нагружении. Он зависит от условий нагружения, типа цикла, в частности, от степени его асимметрии, формы и размеров детали, технологии ее изготовления, состояния поверхности и других факторов.

Таким образом, при испытании на усталость стандартных образцов определяется собственно не предел выносливости материала, а предел выносливости образца, изготовленного из данного материала.

При переходе от образца к реальной детали следует вводить ряд поправок, учитывающих форму и размеры детали, состояние ее поверхности и т. д. В связи с этим возникло понятие сопротивление усталости деталей.

В этом понимании предел выносливости далеко отходит от первоначального понятия как характеристики материала, хотя предел выносливости, определенный на стандартных образцах, по-прежнему приводят в числе основных прочностных показателей материала.

Появилось также понятие сопротивление усталости узлов (резьбовых соединений, соединений с натягом и других сборных конструкций). Таким образом, в понятие сопротивления усталости вводят не только факторы свойств материала и геометрической формы деталей, но и факторы взаимодействия со смежными деталями.

Пределы выносливости на изгиб имеют минимальное значение при симметричном знакопеременном цикле, повышаются с увеличением степени его асимметрии, возрастают в области пульсирующих нагрузок, а с уменьшением амплитуды пульсаций приближаются к показателям статической прочности материала. Пределы выносливости при растяжении примерно е 1,1—1,5 раза больше, а при кручении в 1,5—2 раза меньше, чем в случае симметричного знакопеременного изгиба.

Между характеристиками сопротивления усталости и статической прочности нет определенной зависимости. Наиболее устойчивые соотношения существуют между σ–1 (пределом выносливости на изгиб с симметричным циклом) и σв (пределом прочности), а также σ0,2 (условным пределом текучести) при статическом растяжении.

По опытным данным, эти соотношения следующие:

— для сталей

— для стальных отливок, высокопрочного чугуна и медных сплавов

— для алюминиевых и магниевых сплавов

— для серого чугуна

На основании обработки результатов испытаний на усталость улучшенных конструкционных сталей Шимек получил следующие зависимости (рис. 163) пределов выносливости от предела прочности:

— на растяжение-сжатие при симметричном цикле

— на растяжение-сжатие при пульсирующем цикле

— на изгиб при симметричном цикле

— на кручение при симметричном цикле

  • — на кручение при пульсирующем цикле
  • Пределы выносливости при симметричном цикле связаны между собой следующими ориентировочными зависимостями:
  • Пределы выносливости при пульсирующем и знакопеременном симметричном циклах связаны следующими приближенными зависимостями:
  • — при изгибе
  • — при растяжении
  • — при кручении
  • Пределы выносливости при асимметричных циклах можно приближенно определить по эмпирическим зависимостям между наибольшим напряжением цикла σmax, средним напряжением цикла σm, и предельной амплитудой цикла σa. Например,
  • где σв — предел прочности при статическом растяжении.

Приведенные соотношения дают представление лишь об общих закономерностях. Для расчетов необходимо пользоваться справочными данными, приводимыми в литературе по циклической долговечности.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

  • Cтраница 1
  • Предел выносливости металлов РїСЂРё РёР·РіРёР±Рµ обычно определяется путем испытания цилиндрических вращающихся образцов.  [2]
  • Предел выносливости металлов весьма близок Рє циклическому пределу упругости объемов материала, РІ которых имеют место максимальные напряжения.  [4]
  • Пределом выносливости металла принято считать наибольшее напряжение, которое выдерживает металл без разрушения РїСЂРё весьма большом числе циклов ( для стали принимают 107 циклов.  [5]

Понижение предела выносливости металла, возникающее при одновременном воздействии циклических знакопеременных напряжений и коррозионной среды, называется коррозионной усталостью.

Напряжение, которое вызывает усталостное разрушение металла РІ РєРѕСЂСЂРѕР·РёРѕРЅРЅРѕР№ среде через заданное число циклов, называется условным пределом РєРѕСЂСЂРѕР·РёРѕРЅРЅРѕ усталостной прочности.  [6]

РџРѕРЅРёР¶ РЅРёРµ предела выносливости металла, возникающее РїСЂРё Рѕ новремен-РЅРѕРј РІРѕР· еиствии циклических знако-перемеи шх напряжений Рё РєРѕСЂСЂРѕР·РёРѕРЅРЅРѕР№ среды, называется РєРѕСЂСЂРѕР·РёРѕРЅРЅРѕР№ усталостью Напряжение, Рє торое вызывает усталостное разрушение РјРµ талла РІ РєРѕСЂСЂРѕР·РёРѕРЅРЅРѕР№ среде череч заданное чисте циклов, называется условным пределом РєРѕСЂСЂРѕР·РёРѕРЅРЅРѕ усталостной прочности.  [7]

Установлено, что предел выносливости металлов заметно понижается РѕС‚ действия агрессивных сред.  [8]

Создание ускоренных методов определения пределов выносливости металлов является фундаментом разработки ускоренных испытаний изделий машиностроения РЅР° надежность, для которых определяющим фактором является усталостное повреждение металла. Без ускоренных испытаний РЅР° надежность РЅРµ может производиться оценка действительного ресурса машин Рё конструкций, оцениваться перспективность Рё экономичность РёС… новых модификаций Рё выполняться оценка эффективности различных конструктивных Рё технологических усовершенствований.  [9]

Установлено, что наибольшее снижение предела выносливости металла вызывают знакопеременные нагрузки с симметричным циклом, в частности вибрации.

Вибрация сказывается РЅР° крошении баббитовой заливки подшипников скольжения РќРђ, ускорении РёР·РЅРѕСЃР° контактных пар, резиновых уплотнителей, пружин торцевого уплотнения, является РѕРґРЅРѕР№ РёР· причин нарушения контакта РІ контактной паре механического уплотнения вала.  [10]

  1. РџСЂРё знакопеременных напряжениях Рё симметричном цикле предел выносливости металла оказывается более РЅРёР·РєРёРј.  [11]
  2. Механическая обработка сварного шва может повысить предел выносливости металла РЅР° поверхности шва, РЅРѕ РЅРµ может компенсировать влияние существенных внутренних дефектов.  [13]
  3. Рљ третьей РіСЂСѓРїРїРµ ускоренных методов определения пределов выносливости металлов относятся методы, требующие построения начального участка РєСЂРёРІРѕР№ усталости.  [14]

Коррозионная уста Р» ость — понижение предела выносливости металла или сплава, возникающее РїСЂРё одновременном воздействии переменных циклических напряжений Рё РєРѕСЂСЂРѕР·РёРѕРЅРЅРѕР№ среды. Разрушение металла РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ РІ результате появления сетки микротрещин транскристаллитного или меж-кристаллитного типа, переходящих РІ РєСЂСѓРїРЅСѓСЋ трещину РєРѕСЂСЂРѕР·РёРѕРЅРЅРѕР№ усталости. Пределом РєРѕСЂСЂРѕР·РёРѕРЅРЅРѕР№ усталости называется максимальное механическое напряжение, РїСЂРё котором металл РЅРµ разрушается после одновременного воздействия установленного числа циклов переменной нагрузки Рё заданных коррозионных условий. Р’ результате РєРѕСЂСЂРѕР·РёРё ежегодно теряется РѕС‚ 1 РґРѕ 1 5 % всего металла, накопленного Рё эксплуатируемого человечеством.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

2. Определение предела выносливости

Многие детали машин и механизмов в
процессе эксплуатации подвергаются
повторно-переменным (циклическим)
напряжениям, что может вызвать образование
трещин и разрушение даже при напряжениях
ниже 0,2.

Разрушение металлов и сплавов в результате
многократного повторно-переменного
напряжения носит название усталости,а свойство металлов сопротивляться
усталости называетсявыносливостью
(ГОСТ 23207-78).

Природа усталостного разрушения
заключается в следующем. Металлы, как
известно, состоят из большого числа
различно ориентированных зерен, которые
вследствие анизотропии оказывают
неодинаковое сопротивление действию
внешних сил.

Зерна, неблагоприятно
расположенные по отношению к направлению
действия внешних сил, оказываются
слабыми, и пластичная деформация в них
произойдет при напряжениях ниже предела
текучести, в других же зернах приложенная
нагрузка вызовет лишь упругую деформацию.

Многократная пластическая деформация
при действии повторно-переменных
нагрузок приводит к образованию
микротрещины, которая, увеличиваясь,
превращается в зону усталостного
разрушения.

Исследования на усталость проводят для
определения предела выносливости,
под которым понимают максимальное
напряжение цикла, которое выдерживает
материал, не разрушаясь при достаточно
большом числе повторно-переменных
нагружений (циклов).

Предел выносливости при симметричном
цикле обозначается -1.
Предел выносливости чаще определяют
на вращающемся образце (гладком или с
надрезом) с приложением изгибающей
нагрузки по симметричному циклу.

Для этого используют не менее десяти
образцов, каждый из которых испытывается
до разрушения только на одном уровне
напряжений.

По результатам испытаний отдельных
образцов в координатах «напряжение-число
циклов» строят кривую, по которой и
определяют предел выносливости -1
(рис. 21).

Для тех металлов и сплавов, у которых
нет горизонтального участка выносливости,
испытания, ограничивают определением
«ограниченного предела выносливости»,
который для сталей равен 10 млн., а для
цветных сплавов 100 млн. циклов.

Рис. 21.Схема испытания
и кривая выносливости

Порядок выполнения работы

  1. Установить длину рабочей части и площадь поперечного сечения образца до испытания.

  2. Провести испытания образца на растяжение с записью диаграммы.

  3. По диаграмме растяжения определить предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности.

  4. Определить относительное удлинение и сужение образца.

  5. Провести испытания на ударную вязкость и определить ее значение.

Контрольные вопросы

  1. Виды механических испытаний металлов.

  2. Какие характеристики определяют при испытании на растяжении?

  3. Что такое ударная вязкость?

  4. Как проводятся испытания на ударную вязкость?

  5. Что такое усталость, выносливость и предел выносливости металлов?

  6. Как определяется предел выносливости?

  • ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
  • Влияние холодной
    пластической деформации на структуру
    и свойства стали
  • Цель работы:изучить влияние холодной
    пластической деформации на структуру
    и свойства (твердость) малоуглеродистой
    стали; изучить влияние температуры
    нагрева на структуру и свойства
    (твердость) холоднодеформированной
    малоуглеродистой стали.
  • Приборы
    и оборудование:
    набор
    готовых микрошлифов, микроскоп МИМ-7,
    твердомеры, штангенциркуль.
  • Пластическая
    деформация и рекристаллизация
  • Холодная пластическая
    деформация вызывает в металле структурные
    изменения, а, следовательно, и изменение
    свойств металла.
  • Явления, возникающие
    в металле при пластической деформации,
    многообразны. Условно их можно разделить
    на три группы:
  • а) изменение формы
    и размеров кристаллов (зерен);
  • б)изменение
    их кристаллографической пространственной
    ориентировки;
  • в) изменение тонкого
    внутреннего строения каждого кристалла.
Читайте также:  Крупные центры черного металла

Пластическая
деформация осуществляется путем
скольжения (сдвига) или двойникования.
Скольжение (сдвиг) состоит в перемещении
одной части кристалла относительно
другой по определенным плоскостям и
направлениям. Двойникование осуществляется
путем поворота некоторого объема
кристалла на определенный угол.

Многочисленные
исследования показывают, что скольжение
и поворот осуществляются по плоскостям
и направлениям с наиболее плотной
упаковкой атомов. Чем больше в металле
таких плоскостей, тем выше его способность
к пластической деформации. Металлы и
сплавы с кубическими решетками К12 и К8
имеют большую пластичность, чем металлы
и сплавы с гексагональными решетками
Г12 и Г6.

Вдоль
плоскостей, по которым произошел сдвиг,
и в прилегающих к ним объемах происходит
искажение кристаллической решетки,
которое вызывает упрочнение сплава.
Поэтому последующее скольжение возникает
уже в другой параллельной плоскости и
при большем напряжении.

Процесс
скольжения нельзя представлять себе
как одновременное перемещение всех
атомов, находящихся в плоскости
скольжения, так как для группового
перемещения атомов требуются напряжения
в сотни раз большие, чем напряжения
скольжения.

Например, для монокристаллов
железа наименьшая теоретическая
прочность скольжения равна 23000 МПа, а
реальная прочность скольжения составляет
290 МПа, что почти в 100 раз меньше
теоретической; для алюминия реальная
прочность почти в 500 раз меньше
теоретической, для меди в 1540 раз.

Такое большое
расхождение между теоретической и
реальной прочностью металлов вызвано
наличием в реальных кристаллах
многочисленных дефектов кристаллической
решетки.

Сравнительно
легкое перемещение атомов по плоскостям
скольжения объясняется наличием в этих
плоскостях линейных дефектов –
дислокаций. Дислокации бывают линейные
и винтовые. Образование линейной
дислокации можно представить как
внедрение в идеально построенный
кристалл лишней кристаллографической
полуплоскости атомов, называемой
экстраплоскостью (рис. 22).

Рис.
22. Схема образования линейных дислокаций:

АВ
– линия дислокации; CD
– плоскость скольжения линейной
дислокации

Нижний
край экстраплоскости АВ
вызывает большое искажение в кристаллической
решетке, которое называется линией
дислокации. Вокруг линии дислокации
концентрируются все упругие искажения
кристаллической решетки.

Над линией
дислокации, где имеется экстраплоскость,
кристаллическая решетка сжимается, а
под линией дислокации, где отсутствует
экстраплоскость, растягивается.

Длина
дислокации может достигать нескольких
тысяч межатомных расстояний решетки.

При
движении дислокаций происходит смещение
атомов на величину, меньшую атомного
расстояния, для чего требуются небольшие
усилия.

Происходит это потому, что атомы,
лежащие на линии дислокации, находятся
в неравновесном состоянии; смещенные
из своих нормальных положений
дислоцированные атомы перейдут в
равновесное положение даже при небольшом
напряжении, а атомы из нормального
положения в дислоцированные.

В процессе
пластической деформации происходит не
только движение имеющихся в кристалле
дислокаций, но и образуется большое
количество новых дислокаций в различных
кристаллографических плоскостях и
направлениях.

Если на пути движения
дислокации встречаются препятствия в
виде другой дислокации или дефектов
другого вида, то процесс движения
дислокации затормаживается, и для
преодоления этих препятствий требуются
большие внешние усилия.

Плотность
дислокаций в недеформированном металле
может составлять 106–108
дислокаций в 1 см2,
после деформации в этом же металле она
достигает 1010–1012
дислокаций в см2.

Таким образом,
создание дислокаций – одно из важнейших
явлений, возникающих при пластической
деформации.

При
определенной (критической) плотности
дислокаций и других дефектов и искажений
кристаллической решетки прочность
материала увеличивается, так как
создаются препятствия для свободного
движения дислокаций. Чем больше искажена
решетка на межзеренных и межблоковых
границах, тем больше затруднено скольжение
по кристаллографическим плоскостям и
направлениям.

При пластической
деформации поликристаллического тела
зерна деформируются по разному: в первую
очередь будут деформироваться те зерна,
в которых плоскости легкого скольжения
наиболее благоприятно расположены по
отношению к приложенной силе.

В процессе развития
пластической деформации изменяется
форма зерен, наблюдаются повороты зерен
относительно друг друга, дробление
зерен и образование их определенной
кристаллографической ориентации –
возникает текстура деформации.

По
отношению к действующей силе зерна
вытягиваются при растяжении и располагаются
перпендикулярно к ней при сжатии. Металл
приобретает как бы волокнистую структуру.
Линиями волокон являются всевозможные
примеси, расположенные по границам
зерен. Текстурованный материал
анизотропен, т.е.

механические и физические
свойства по разным направлениям различны.

Таким
образом, пластическая деформация, каким
бы способом она не производилась
(растяжением, сжатием, изгибом, прокаткой,
волочением и т.д.), вызывая искажения
кристаллической решетки, дробление
блоков мозаичной структуры, изменяя
форму зерен и образуя текстуру, приводит
к изменению всех свойств металлов и
сплавов.

Характеристики
прочности (твердость, предел прочности,
предел упругости, предел текучести) с
увеличением степени пластической
деформации растут; характеристики
пластичности и вязкости (относительное
удлинение, относительное сужение,
ударная вязкость) падают. В процессе
пластической деформации изменяются
физические свойства: уменьшается
плотность, сопротивляемость коррозии,
магнитная проницаемость, увеличивается
коэрцитивная сила, увеличивается
электросопротивление, изменяется
термоэлектродвижущая сила.

Деформация
со степенью более 70% увеличивает предел
прочности в полтора – два раза, а иногда
и в три раза, в зависимости от природы
металла и вида обработки давлением.
Относительное удлинение при этом
снижается в 10–20, а иногда и в 30–40 раз.

Упрочнение
металлов и сплавов, полученное в процессе
пластической деформации, называется
нагартовкой
или наклепом.

Состояние
металла, возникающее в результате
наклепа, является неустойчивым,
метастабильным, с повышенной свободной
энергией. Поэтому даже при комнатных
температурах в нагартованном металлепротекают
самопроизвольно диффузионные процессы,
приводящие деформированный металл в
более равновесное состояние. При
повышенных температурах эти процессы
протекают быстрее.

В зависимости от
степени деформации, температуры и
времени нагрева в нагартованном металле
протекают разные по своему типу
структурные изменения, которые
подразделяют на две стадии: возврат
и
рекристаллизацию.

В свою очередь стадия возврата включает
отдых и полигонизацию, а стадия
рекристаллизации – первичную
рекристаллизацию (рекристаллизация
обработки) и собирательную, или вторичную
рекристаллизацию.

При
отдыхе (или возврате первого рода)
происходит диффузионное перемещение
и аннигиляция (взаимное уничтожение)
точечных дефектов, уменьшение концентрации
вакансий.

За сет этого частично снимаются
упругие искажения кристаллической
решетки и, следовательно, частично
восстанавливаются механические и
физические свойства.

Микроструктура
металла и кристаллографическая ориентация
его зерен практически не изменяются.
Температура отдыха для железа соответствует
300–350ºС.

Полигонизация
(или возврат второго рода) протекает
при более высокой температуре (для
железа 450–500ºС). Она характеризуется
тем, что происходит планомерное
перемещение дислокаций и группировка
дислокаций в ряды (рис. 23).

Дислокации
выстраиваются друг над другом, образуя
вертикальные дислокационные малоугловые
границы, которые разделяют соседние
субзерна с небольшой разориентировкой
решеток. В результате происходит
дальнейшее снятие упругих искажений
решетки и более полное восстановление
физических свойств.

Механические
свойства при этом изменяются незначительно,
т.к. процессы протекают внутри зерна, а
сами зерна не изменяют свою форму.

При
более высоких температурах (tнр
– температура начала рекристаллизации,
рис. 24), определенных для каждого
материала, начинается процесс образования
новых зерен взамен волокнистой

а) б)

Рис.
23. Схема полигонизации:

а
– хаотичное распределение дислокаций
в изогнутом кристалле; б
– стенки из дислокаций после полигонизации

структуры.
При этом происходит полное разупрочнение
деформированного материала. Механические
и физические свойства приобретают
прежние значения (см. рис. 24).

Образование
и рост новых зерен с менее искаженной
решеткой за счет исходных деформированных
зерен называется рекристаллизацией
обработки
,
или первичной рекристаллизацией.

Движущей силой рекристаллизации
обработки является энергия искажений
деформированных зерен.

  1. Температура
    начала рекристаллизации (21) зависит от
    многих факторов и прежде всего от степени
    деформации материала, химического
    состава, количества примесей в нем; от
    природы материала, от величины зерна
    до деформации, от температуры
    деформирования. Определено, что
  2. Трекр
    = а
    Тпл. (21)
  3. где Трекр.– абсолютная
    температура рекристаллизации;
  4. а– коэффициент, учитывающий
    вышеперечисленные факторы;

Тпл.– абсолютная температура
плавления данного вещества.

Для железа и других металлов технической
чистоты минимальная температура
рекристаллизации определяется по
формуле Л.А. Бочвара (22):

Трекр = (0,3÷0,4)Тпл (22)

Повышение температуры (t1,
см. рис. 24) или увеличение времени выдержки
приводит к росту зерен, т.е. происходит
поглощение мелких, термодинамически
неустойчивых зерен более крупными.
Такой процесс получил названиесобирательной,или вторичной
рекристаллизации. Эта стадия
рекристаллизации нежелательна для
производства, так как она приводит к
образованию разнозернистости.

Температура рекристаллизации играет
огромное практическое значение. Чтобы
пластическая деформация создавала в
материале упрочнение (наклеп), она должна
осуществляться при температурах ниже
температуры рекристаллизации.

Такая
обработка давлением называется
холодной.
Если же обработка давлением
производится при температурах выше
температуры рекристаллизации, то
возникающее при деформации упрочнение
будет сниматься процессом рекристаллизации
и материал разупрочняется.

Такая
обработка давлением называетсягорячей.

Термическая операция, заключающаяся в
нагреве деформированного материала до
температуры выше Трекр,
выдержке и последующем медленном
охлаждении (с печью), называетсярекристаллизационным отжигом.

Практически температура рекристаллизационного
отжига выбирается выше расчетной обычно
на 200–300ºС для ускорения процесса
рекристаллизации. Для железа и
низкоуглеродистой стали эта температура
принимается 650–700ºС.

Рис. 24. Влияние
нагрева на механические свойства и
микроструктуру холоднодеформированного
металла

Установлено, что зерно растет особенно
сильно после небольшой степени деформации,
называемой критической степенью
деформации
εкр.(рис. 25).

  • Критическая степень деформации для
    железа равна 5–6%; для малоуглеродистой
    стали 7–15%.
  • При критической степени деформации
    возможно взаимное уничтожение дислокаций
    при тепловом их движении, что способствует
    постепенному уменьшению количества
    дислокаций на границах зерен и слиянию
    нескольких зерен в одно крупное.
  • Критическую степень деформации следует
    избегать, так как после рекристаллизационного
    отжига крупнозернистая структура
    обладает пониженной ударной вязкостью,
    более низкими σв, σ0,2и δ.

Рис. 25. Влияние
степени деформации на размер зерна
после рекристаллизационного отжига

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector