CN86103893A - 快速测定材料接触疲劳极限的方法 - Google Patents

Abstract

本发明应用疲劳试验机和计算机快速测定材料的接触疲劳极限。试验选用一对试样等量阶梯加荷。试验数据通过计算机，采用无限逼近法快速求出极限值，制定出一种科学可靠的确定初应力的方法，有一套供数据处理和求寻疲劳极限用的计算机程序。试验数据精度高、速度快，适用于快速测定均质材料和非均质材料的接触疲劳极限，尤其适于表面强化材料的接触疲劳试验。

Description

本发明属于材料强度检测方法。应用疲劳试验机和计算机快速测定材料的接触疲劳强度。

对于以接触疲劳为主要失效形式的齿轮，钢轨等机件，在进行设计选材，强度计算和工艺材料研究中，需测定材料在各种受力条件和组织状态下的接触疲劳极限。对此，目前普遍采用常规试验方法，要较多的试样，很长的时间通过测S-N疲劳曲线，从而找出材料的极限值。试验周期很长，费用很高。近年来，开始进行快速测定材料疲劳极限的试验研究工作，共同特征是应用Locati方法即采用一对试样，等量阶梯加载进行疲劳极限的快速试验工作。由于在Locati原方法中，是将快速试验的初应力加在待测材料的疲劳极限附近，而此极限值在试验前是未知的。以前工作，均未制定出初应力科学可靠的确定方法，使试验带有一定的经验性和盲目性。并且试验数据用手工处理，疲劳极限用作图法，通过三点连成一条曲线的办法来找出，速度慢、精度低。同时，现有技术只适用于45钢、铸铜和球铁等均质材料，而且多为弯曲疲劳试验，使用范围很窄。

本发明的目的是提供一种操作简便，经济可靠、数据处理速度快，精度高，适用于快速测定均质和表面强化材料的接触疲劳极。

本目的实现是根据使一定材料破坏所需的形变功为一定值这一试验事实导出的Miner损伤累积理论n₁/N₁+n₂/N₂+…+ni/Ni＝1

简写为∑ni/Ni＝1

（式中，ni为第i阶应力水平下试样运转周次，Ni为该阶应力水平下材料的疲劳寿命），由此理论，通过一定的办法找出材料应加的初应力并加到试验机上。选用一对标准试样，采取等量阶梯加荷，在每一应力下运转相同的周次，直至破坏（产生表面剥落），测出所施加的应力水平级数。之后，将试验数据输入计标机，按设计好的程序进行数据处理，通过逐点逼近方式找出所测材料的接触疲劳极限。逐点逼近法求极限值的原理如下：

对于某一应力水平бi通过解疲劳方程

б^-A.N＝B

可求出材料在此应力水平下的运转寿命Ni，将试样在该应力下的运转周次ni除以Ni，得损伤值ni/Ni，将试样所加各应力水平下材料的损伤值加和，得材料的损伤累积值∑ni/Ni，若此累积值正好等于1，则令N＝10⁷，解疲劳方程得б值，此值便是待测材料的疲劳极限бlim。若算得的累积值不等于1，将疲劳方程曲线沿应力坐标轴上、下移动一个微小增量Δб，上述疲劳方程变为：

（б±.Δб）^-A·N＝B

再重复上述计算，若损伤累积值还不等于1，再移动疲劳曲线，和进行上述计算，直到使损伤累积值∑ni/Ni＝1为止，令N＝10⁷，解最后一个疲劳方程得到的б值，便是待测材料的疲劳极限бlin

本发明的优点是制定一种科学可靠的确定初应力的方法，研制出一套供数据处理和求寻疲劳极限用的计算机软件，试验的速度快，精度高，同时可以提供绘制出材料、工艺、试样接触带宽度、初应力和接触疲劳极限等之间的关系曲线图。适用于快速测定均质材料和非均质材料的接触疲劳极限，尤其适于表面强化金属材料的接触疲劳试验。

实现本发明的具体方案和途经是首先测定公用初应力。此工作是快速疲劳试验的基础。公用初应力的测定是按主要组织参数将待测材料分成几组，并分别在每一组中选出一种有代表性的材料，测定其初应力（极限值），此值便作为本组材料的公用初应力。在循环比率适当的情况下，初应力（б_o）选在材料疲劳极限附近，测出的值较准确。若б_o过低，因材料受次载荷锻炼而使结果偏高，即测出的极限值远高于б_o，此时可提高б_o再行试验;若б_o过高，因过载弱化而使结果偏抵，此时可降低б_o再行试验，经几次调整便可得出各组材料的公用初应力。不同的待测材料可按其分属组别，选用该组公用初应力值作为该材料快速试验的初应力。取一对由待测材料制成的试样，装在接触疲劳试验机上，由试验机的砝码，载荷和应力关系曲线算出此初应力б_o相应的初砝码M₁，并将该砝码加到试验机的砝码座上。

由于循环比率R_o（即R_o＝Δб/n，其中Δб为应力增量，n为每应力水平下运转周次）对试验结果有重要影响，并且这种影响随材不不同而异，所以应通过对比试验找出适用于不同材料的循环比率值，从中选出适用于待测材料的循环比率。将Δб换算成砝码增量ΔM。由试验机砝码种类所限，ΔM不能任意选取，只能取砝码重量的整数倍。n可取任何整数，在确定了较合适的ΔM之后，R_o的定值可通过下式：

n＝Δб/R_o＝K_oΔM/R_o

变换n值来实现。式中K_o为应力砝码关系系数。

开机后，先让试样在初砝码造成的初应力下运转n周，增加砝码ΔM，再运转相同周次n，再增加砝码ΔM……如此循环运转，直到破坏。记下初砝码M1的数值和应力（砝码）级数X，及最后一级应力下试样运转周次R_o

用计算机进行数据处理和求导疲劳极限。将设计好的计算程序和试样接触带宽度L，每级应力下运转周次N_o（n），砝码为零时的试验机负荷P_o，负荷与砝码关系曲线斜率K₁，最大接触应力与负荷关系曲线系数K₂，以及参考疲劳方程S^-A.N＝B中的指数A，系数B的对数G，及最后一级应力下运转周次R予先存入计算机磁盘。

启动计算机，将试验数据M₁和X输入，机器便可按照程序指令进行数据处理，自动找出材料的疲劳极限，并打印出试验报告。

本发明对20CrMnTi，25MnTiBRE，22CrMnM。等常用齿轮材料经渗碳，碳氮共渗和渗碳-碳氮共渗两段法处理的，接触带宽度不同的各种试样，在不同的初应力下做了大量接触疲劳快速试验，并用计算机进行数据处理和求疲劳极限，得到材料、工艺，接触带宽，初应力，所加应力数和极限值之间的关系曲线图。在没有计算机的情况下，利用此图可以根据快速试验数据M₁，X很快查得待测材料的极限值。

Claims (5)

1、快速疲劳试验方法，使用一对标准试样，等量阶梯加荷运转测定极限值，本发明的特征是，疲劳试验数据，采用逐点逼近法，通过计算机快速求值，也可以通过人工计算或者查图求值。

2、根据权利要求1所述的试验方法，其特征是，有一套供数据处理和求寻疲劳极限用的计算机软件，可按照程序指令进行数据处理，自动找出材料的疲劳极限，并打印出试验报告。

3、根据权利要求1或2所述的试验方法，其特征是，不同的材料，选用不同的初应力和循环比率，初应力的确定是按主要组织参数，将材料分组，在疲劳试验机上，通过载荷调整实现。

4、根据权利要求1或2所述的试验方法，其特征在于、用于测定均质材料和非均质材料的接触疲劳极限，尤其适于表面强化材料的接触疲劳试验。

5、根据权利要求3所述的试验方法，其特征在于，用于测定均质材料和非均质材料的接触疲劳极限，尤其适于表面强化材料的接触疲劳试验。