Испытание материалов на выносливость

Лабораторная работа № 16

Испытание материалов на выносливость

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

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.
Схема нагружения образца при испытании на выносливость
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).
Кривая усталости (кривая Вёлера)

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
σi max=Mi/Wx
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 во одной из следующих зависимостей:
σ-1=0,27σпч+1850105 Н/м2;
σ-1=0,24σт+2750105 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.