SU1499167A1

SU1499167A1 - Method of determining fatigue strength of materials

Info

Publication number: SU1499167A1
Application number: SU853987133A
Authority: SU
Inventors: Георгий Алексеевич Куриленко
Original assignee: Новосибирский электротехнический институт
Priority date: 1985-12-12
Filing date: 1985-12-12
Publication date: 1989-08-07

Abstract

Способ определени передела выносливости материалов, заключающийс в том, что подвергают образец материала циклическому нагружению со ступенчато возрастающей амплитудой напр жени и временем нагружени в каждом цикле не более 3% долговечности образца и определ ют его предел выносливости, отличающийс тем, что, с целью повышени точности путем учета изменени энтропии материала, определ ют в первом цикле нагружени ниаболее нагретый учаток образца, в каждом цикле определ ют удельную энтропию образца на этом участке и по ее изменению суд т о пределе выносливости.The method for determining the endurance of materials, which means that a sample of a material is subjected to cyclic loading with a stepwise increasing voltage amplitude and loading time in each cycle no more than 3% of the durability of the sample and its endurance, which is different in that by taking into account the change in the entropy of the material, the specimen underwent heating in the first cycle of the specimen is determined; in each cycle, the specific entropy of the specimen in this section and by its variation with Doctor of the limit of endurance.

Description

Изобретение относитс к испытательной технике, в частности к испытани м образцов на раст жение.The invention relates to a testing technique, in particular to tensile testing of specimens.

Цель изобретени - повышение точности путем учета изменени энтропии материала.The purpose of the invention is to improve the accuracy by taking into account the change in the entropy of the material.

На фиг. I представлена схема установки , с помощью которой реализуетс предпагаемый способ; на фиг. 2 - график зависимости коэффициента поглощени у образца от амплитуды циклического напр жени ба ; на фиг. 3 - график зависимости изменени удельной энтропии d, от амплитуды циклического напр жени Зд,FIG. I shows the installation scheme by which the intended method is realized; in fig. 2 is a graph showing the absorption coefficient of the sample versus the amplitude of cyclic voltage ba; in fig. 3 is a graph of the change in the specific entropy d, as a function of the amplitude of the cyclic voltage H,

Установка содержит верхний фланец I, с помощью которого испытуемый образец 2 крепитс к станине 3, массу 4, набранную из шихтованной электротехнической стали, котора прикреплена к нижнему концу испытуемого образца 2 с помощью нижнего фланца 5, электромагнит 6, расположенный с зазором под массой 4. Катушка электромагнита 6 подсоединена к источнику 7 переменного напр жени , который позвол ет регулировать величину напр жени на выходе и его частоту в необходимых пределах. На рассто нии 1 м от образца 2 установлен тепловизор 8, выход которого подключен к самописцу 9, который позвол ет регистрировать температуру любой точки образца 2 с точностью до 0,1°С. На массе 4 закреплен пьезодатчик 10 дл фиксации амплитуды ее колебаний. Пьезодатчик 10 через усилитель 1I св зан со шлейфовым осциллографом 12.The installation contains the upper flange I, with which test sample 2 is attached to the base 3, mass 4, recruited from laminated electrical steel, which is attached to the lower end of the test sample 2 using the lower flange 5, electromagnet 6, located with a gap under the weight 4. The coil of the electromagnet 6 is connected to the source 7 of an alternating voltage, which makes it possible to regulate the magnitude of the output voltage and its frequency within the required limits. At a distance of 1 m from sample 2, a thermal imager 8 is installed, the output of which is connected to a recorder 9, which allows recording the temperature of any point of sample 2 with an accuracy of 0.1 ° C. On the mass 4 is fixed piezoelectric sensor 10 for fixing the amplitude of its oscillations. A piezoelectric transducer 10 is connected via an amplifier 1I to an oscilloscope loop 12.

4:four:

СОWITH

соwith

О)ABOUT)

3149931499

Способ осуществл етс следуюпцтм образом.The method is carried out in the following way.

Подвергают образец материала цик лическому нагружению со ступенчато возрастающей амплитудой напр жени , дл чего включают источник 7 переменного напр жени , подают питание на обмотки электромагнита 6, который возбуждает колебани массы 4. Через Q массу 4 возбуждают продольные колебани и в испытуемом образце 2. Плавной регулировкой частоты тока на источнике 7 переменного напр жени колеба- тельньй процесс ввод т в резонансный J5 режим. Это необходимо дл уменьшени расхода электроэнергии, и, кроме того , электромагнит рассчитан на работу в резонансном режиме и поэтому имеет минимальные габариты. Пьезбдатчик 10 20 под воздействием инерционных нагрузок., возникающих при колебательном процессе , вырабатьгоает сигнал, который поступает на предварительно прокалиброванный шлейфовый осциллограф 12. По 25 размаху луча на экране осциллографа 12 можно судить об амплитуде колебаний Д1 испытуемого образца 2 и, соответственно , об амплитудном напр женииA sample of a material is subjected to cyclic loading with a stepwise increasing voltage amplitude, which includes an alternating voltage source 7, energizes the windings of electromagnet 6, which excites mass fluctuations 4. Through Q, mass 4 excites longitudinal oscillations and in test sample 2. Smoothly controlled frequency of the current at the alternating voltage source 7, the oscillatory process is introduced into the resonant J5 mode. This is necessary to reduce energy consumption, and, in addition, the electromagnet is designed to operate in a resonant mode and therefore has minimal dimensions. The piezoelectric sensor 10 20 under the influence of inertial loads, arising during the oscillatory process, generates a signal that arrives at the pre-calibrated loop oscilloscope 12. On the 25 swing beam on the screen of the oscilloscope 12 you can judge the amplitude of oscillations D1 of the test sample 2 and, accordingly, the amplitude direction living

41 . 3041 thirty

в нем 6д ;;- Е (где 1 - длина умень it has 6d ;; - Е (where 1 is the length of

шенной рабочей частоты образца 2; Е - модуль упругости матери ала образца 2). Регулиру величину напр жени на источнике 7 переменного напр жени ,j5 устанавливают режим колебаний с посто-. нной амплитудой напр жени 6, заведомо меньшего предполагаемого предела выносливости материала .образца 6. который ориентировочно беретс из . 40 справочника.The frequency of the sample is 2; E is the modulus of elasticity of the material of sample 2). By adjusting the voltage value at the alternating voltage source 7, j5 sets the oscillation mode with constant. voltage amplitude 6, which is obviously less than the expected endurance limit of the sample material 6. which is roughly taken from. 40 handbook.

Таким образом осуществл етс первый цикл нагруженл . Врем нагружени в первом цикле беретс пор дка %, и оно не должно превыпать 3% долговеч- 45 ности образца. По истечении половины времени нагружени поворота камеры тепловизора 8 наход т самый гор чий участок образца 2 (предполагаемый очаг разрушени ) и затем наблюдение ,Q ведут только за этим участком (и в первом, и во всех последующих циклах нагружени ). За 20 с до окончани времени нагружени в первом цикле тепловизором 8 фиксируют температуру Т, , наблюдаемого участка, а череа промежуток времени ol i, составл ющий 20 с, втррично фиксируют температуру Т этого же участка.In this way, the first cycle is loaded. The loading time in the first cycle is in the order of%, and it should not exceed 3% of the sample durability. After half of the loading time of the rotation of the camera of the thermal imager 8, the hottest section of sample 2 (the intended center of destruction) is found and then the observation that Q is only followed this area (both in the first and in all subsequent loading cycles). 20 seconds before the end of the loading time in the first cycle, the thermal imager 8 records the temperature T, of the observed area, and after a period of time ol i, which is 20 seconds, fixes the temperature T of the same area.

674674

После этого заканчивают первый цикл нагружени и сразу переход т к второму, дл чего увеличивают амплитуду колебаний и устанавливают режим колебаний с амплитудой напр жени d, большей, чем в первом цикле, но не превышающей предполагаемый предел выносливости материала 6 «. Все действи во втором и всех последующих циклах нагружени повтор ют за исключением поиска гор чего участка - наблюдение ведетс за тем же участком.After that, the first loading cycle is completed and immediately transferred to the second one, for which the amplitude of oscillations is increased and the oscillation mode is set with a voltage amplitude d greater than in the first cycle, but not exceeding the expected fatigue limit of the material 6 ". All actions in the second and all subsequent loading cycles are repeated with the exception of the search for a hot area — the observation is conducted over the same area.

Всего провод т 5-6 циклов нагружени с таким расчетом, чтобы 2 - 3 цикла соответствовали нагружению до предполагаемого предела выносливости /6о,;6., один цикл - нагружению с 1у- .f , а остальные циклы - нагружению с , причем приращение при переходе к следующему циклу не должно превыпать 5% от действующего уровн напр жений. При нагружении за предполагаемым пределом вьшосливости / о( ./ врем нагружени уменьшают - оно должно составл ть около 1% и не превышать 3% от предполагаемой долговечности образца на данном уровне напр жений . Это вызвано тем, что, если врем нагружени менее 1% от долговечности образца, то в нем не произойдет достаточного разогрева, а если врем нагружени превысит 3% от долговечности образца, то за врем испытаний будет просто выбран знг чительньй ре- сур работоспособности образца.A total of 5-6 loading cycles were carried out so that 2 to 3 cycles corresponded to loading to the expected fatigue limit / 6 °,; 6., one cycle to loading from 1- .f, and the remaining cycles to loading c, and the increment at the transition to the next cycle should not exceed 5% of the current voltage level. When loading beyond the expected limit of elimination / o (./ the loading time decreases, it should be about 1% and not exceed 3% of the expected durability of the specimen at this voltage level. This is because if the loading time is less than 1% of durability of the sample, it will not warm up sufficiently, and if the loading time exceeds 3% of the durability of the sample, then for the time of the test, the working life of the sample will be selected.

Следует следить за тем, чтобы промежуток времени 4 t , через который в каждом цикле нагружени фиксируют температуру наблюдаемого участка, был посто нным .Care should be taken that the time interval 4 t, after which the temperature of the observed area is fixed in each loading cycle, is constant.

Далее определ ют удельную энтропию образца на наблюдаемом учатске, по изменению которой суд т о пределе выносливости . В каждом цикле нагружени рассчитывают изменение удельной энтропии наблюдаемой точки по формулеNext, the specific entropy of the sample is determined at the observed area, based on the change in which the endurance limit is judged. In each loading cycle, the change in the specific entropy of the observed point is calculated by the formula

ds ds

2 Су Тг - Т, р т, + т.2 Su Tr - T, r t, + t.

где с - удельна объемна теплоемкость материала;where c is the specific volumetric heat capacity of the material;

р - плотность материала образца, и стро т график изменени удельной энтропии ds в зависимости от амплитуды напр жени на соответствующей p is the density of the sample material, and a graph of the change in specific entropy ds versus voltage amplitude is plotted against the corresponding

ступени нагружени ds - f(o(), абсцисса точки излома которого и представл ет собой предел выносливости образца 6, .loading steps ds - f (o (), the abscissa of the break point of which is the endurance limit of sample 6,.

Испытывались образцы из стали 45, у которых рабочие части длиной 1 100 мм имели трубчатое сечение с наружным диаметром D 18,3 мм и внутренним диаметром d 1,1 мм. Предпо- лагаемый предел выносливости материала образца $. 250 МПа.Samples of steel 45 were tested, in which the working parts with a length of 1,100 mm had a tubular section with an outer diameter D 18.3 mm and an inner diameter d 1.1 mm. The assumed fatigue limit of the sample material is $. 250 MPa.

В первом цикле нагружение проводилось при амплитуде напр жени 6о, 100 МПа, амплитуда колебаний образ- 6«1In the first cycle, the loading was carried out at a voltage amplitude of 6 °, 100 MPa, the amplitude of oscillations of the image was 6 "1

ца при этом Л1 tsa while l1

0,05 мм. Собственна частота колебательной системы 685 Гц. Врем нагружени в циклах, предшествующих предполагаемому преде лу выносливости, 2 мин. Это соответствует 1% от базового числа циклов N с 10 циклов. Первый раз темперао0.05 mm. The natural frequency of the oscillating system is 685 Hz. The loading time in cycles preceding the expected endurance limit is 2 min. This corresponds to 1% of the base number of cycles N with 10 cycles. First time tempera

тура наблюдаемой точки фиксировалась через I мин 40 с после начала нагружени , врем dС во всех циклах нагружени 20 с. Во втором цикле нагружение проводилось при 6о( 200 МПа, в третьем - при „ 250 МПа, в следующих циклах амплитуда напр жени &„ увеличивалась на 10 - 15 МПа, а врем нагружени з еньшалось до 1,5 the tour of the observed point was recorded after I min 40 s after the start of loading, the dC time in all loading cycles was 20 s. In the second cycle, loading was carried out at 6 ° (200 MPa, in the third cycle - at 250 MPa, in the following cycles, the voltage amplitude "increased by 10 - 15 MPa, and the loading time decreased to 1.5

0 0

5 five

0 0

5five

00

1 мин, причем температура наблюдаемого участка первый раз фиксировалась за 20 с до окончани нагружени , а второй раз - в конце нагружени . В первом и втором циклах нагружени , т.е. при бд ё, , величина йТ Т - Т, очень мала (левые ветви соответствующих кривых на фиг, 3 практически горизонтальны и по существу 41-0), по мере приближени к пределу выносливости величину 4Т уже можно зафиксировать тепловизором (4Т 0,1 С), а при дальнейшем увеличении напр жени , т.е. при нагружении за пределом вьшосливости, величина ДТ резко возрастает и составл ет уже не сколько градусов. Это соответствует физическим представлени м о природе накоплени усталостных повреждений, так как при циклическом нагружении образца за пределом выносливости в нем происход т необратимые изменени , св занные с развитием микродефектов, увеличиваетс уровень внутреннего трени , что ведет к интенсивному росту температуры.1 min, and the temperature of the observed area was recorded for the first time 20 seconds before the end of loading, and the second time - at the end of loading. In the first and second loading cycles, i.e. at bd,, the value of yT T - T is very small (the left branches of the corresponding curves in FIG. 3 are almost horizontal and essentially 41-0), as you approach the endurance limit, the 4T value can already be fixed with a thermal imager (4T 0.1 С ), and with a further increase in voltage, i.e. when loaded beyond the limit of sufficiency, the magnitude of the DT increases dramatically and is already several degrees. This corresponds to the physical understanding of the nature of the accumulation of fatigue damage, since cyclic loading of the sample beyond the limit of endurance leads to irreversible changes associated with the development of microdefects, the level of internal friction increases, which leads to an intense increase in temperature.

Таким образом, предпоженньй способ обладает высокой точностью определени предела выносливости образцов материала .Thus, the pre-feed method has a high accuracy in determining the endurance limit of the material samples.

Фиг. 1FIG. one

Фиг.22

d.d.

Kt-tft Kt-tft

10 9 8 7 6 5 310 9 8 7 6 5 3

2 12 1

ОABOUT

тt

200 -f200 -f

фиг.зfig.z

-1-one

1I1I

300300

6a.fJo6a.fJo

Claims

THE METHOD FOR DETERMINING THE MATERIAL ENDURANCE LIMIT, which consists in subjecting the material sample to cyclic loading with a stepwise increasing voltage amplitude and loading time in each cycle of not more than 37, the durability of the sample and determining its endurance limit, which differs in that, in order to increase accuracy by taking into account changes in the entropy of the material, determine in the first loading cycle the most heated section of the sample, in each cycle determine the specific entropy of the sample in this section and change it ju judged on the limit of endurance.