10

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Филиал государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

“Уфимский государственный нефтяной технический университет” в г. Салавате

(Филиал ГОУ ВПО УГНТУ в г. Салавате)

Кафедра “Оборудование предприятий нефтехимии и нефтепереработки”

Согласовано утверждаю Зав. Кафедрой опнн, доцент Зам. Директора по учебной работе, ______________н.М. Захаров _______________г.И. Евдакимов

_______________ _______________

Методические указания к лабораторной работе № 9 испытание Материалов на выносливость

Дисциплина "Сопротивление материалов"

СОГЛАСОВАНО РАЗРАБОТАЛ

Инженер по охране труда Доцент кафедры ОПНН

____________ Г.В. Мангуткина ___________ Р.Р. Газиев

_____________ _____________

Салават 2008

Методические указания предназначены для студентов специальности 240801 “Машины и аппараты химических производств” очной, очно-заочной и заочной форм обучения к применению при выполнении лабораторных работ по дисциплине “Сопротивление материалов”. Указания могут быть также полезны студентам других специальностей, а также студентам старших курсов, выполняющим курсовые и дипломные работы с экспериментально-исследовательской частью.

© Филиал ГОУ ВПО “Уфимский государственный нефтяной технический университет” в г. Салавате , 2008

Лабораторная работа № 9

Испытание материалов на выносливость

Цель работы – ознакомление с методикой усталостных испытаний при деформации чистого изгиба и определение предела выносливости материала при циклических напряжениях.

1 Теоретическая часть

Практика показывает, что многие детали машин и элементы аппаратов и части конструкций и сооружений в процессе эксплуатации подвергаются циклическим нагрузкам, т.е. нагрузкам изменяющимся по величине и направлению (например, коленчатые валы, поршневые пальцы, шатуны, валы и оси машин и механизмов, лопатки турбин и т.д.). При таких повторно-переменных напряжениях металл постепенно разрушается от усталости.

В общем случае усталостью материалов называется явление разрушения в результате постепенного накопления в них повреждений, приводящих к возникновению и развитию трещины при многократном повторении нагружений. Свойство материала сопротивляться усталости называется выносливостью. Усталостное разрушение наступает без заметных признаков пластической деформации и происходит при напряжениях, не только меньших предела прочности и текучести, но и даже меньших предела упругости. Причиной этого является то, что микроскопические трещины развиваются в зонах концентрации местных напряжений, т.е. местах резкого изменения размеров деталей, около отверстий, шпоночных канавок, выточек, надрезов, царапин, шлаковых и прочих включений в объеме материала. Таким образом, при усталости пластическая деформация появляется в определенных слабых местах металла, т.е. носит избирательный характер и этим отличается от обычной деформации. Местом образования и развития усталостного излома является наружная зона, где в связи с наличием объемного напряженного состояния и появляются первоначальные микроскопические трещины. В течение длительного действия переменных нагрузок микроскопические трещины развиваются в макроскопическую – магистральную трещину.

Вследствие взаимного смещения поверхностей, ограничивающих макроскопическую трещину, и трения, шероховатости между ними исчезают, и возникает гладкая притертая зона излома (зона 1 рисунок 1) с гладкой, мелкозернистой, фарфоровидной поверхностью – зона усталости (зона развития усталостной трещины). Появившиеся микроскопические трещины усталости, представляющие собой многочисленные острые надрезы и вызывающие объемное напряженное состояние, затрудняют пластическую деформацию и обеспечивают переход к хрупкому состоянию разрушения.

В результате ослабления поперечного сечения детали и интенсивного разрыхления материала происходит хрупкое разрушение, характеризуемое крупнозернистой зоной 2 – зоной остаточного долома (рисунок 1). Эта зона имеет у хрупких материалов грубое, крупнокристаллическое, а у вязких – волокнистое строение.

На рисунке 2 представлен синусоидальный график изменения напряжений (нормальных  или касательных ) во времени, для характеристики которого используются максимальное - _max и минимальное - _min, амплитудное - _а и среднее - _m напряжения цикла. Удвоенная величина амплитуды колебаний напряжений представляет размах цикла.

 ()

Отношение минимального напряжения цикла к максимальному с учетом знаков этих напряжений называется коэффициентом асимметрии цикла, т.е.

r = _min / _max . (1)

Коэффициент асимметрии цикла может изменяться от  до +. В зависимости от действующих напряжений и величины коэффициента асимметрии цикла все реально существующие циклы напряжений можно свести к следующим основным видам: постоянному (r = +1); пульсирующему (r = 0 или r =  ); симметричному (r = 1 ); асимметричному (  r  +). Циклы, имеющие одинаковые коэффициенты r называются подобными циклами. Наиболее опасным считается симметричный цикл, поэтому испытание на усталостную прочность обычно выполняют для него.

Для разрушения от усталости недостаточно повторности и переменности напряжений. Необходимо также, чтобы напряжения имели определенную величину. Поэтому для оценки усталостной прочности определяют предел выносливости или предел усталости – максимальное напряжение, при котором материал способен сопротивляться, не разрушаясь, при любом произвольно большом числе повторений переменных напряжений. Обозначается предел выносливости как _r или _r, где индекс r показывает коэффициент асимметрии заданного цикла нагружения.

Чтобы определить предел выносливости исследуемого материала согласно ГОСТ 25.502 – 83 необходимо подвергнуть испытанию серию образцов диаметром 7…10 мм в количестве не менее 6…12 шт. В зависимости от целей испытания устанавливают вид цикла напряжений и схему деформации, при котором необходимо провести испытание, например, переменное растяжение – сжатие, кручение, изгиб или сложное напряженное состояние. Наиболее распространенным являются испытания по симметричному циклу напряжений при изгибе вращающегося образца – ротационном изгибе.

Испытание проводят на специальных, гладких образцах (или образцах с надрезами), которые имеют шлифованную или полированную рабочую поверхность (рисунок 3). Применяемые при этом испытательные машины позволяют создавать либо консольный изгиб, либо чистый изгиб, обеспечивающий постоянство изгибающего момента по длине образца и исключающий влияние касательных напряжений (рисунок 4).

Машина для усталостных испытаний МУИ- 6000 обеспечивает скорость вращения образца - 6000 об/мин и максимальный изгибающий момент - 50 Нм. Образец устанавливается в захватах двух опорных подшипников, к которым крепятся тяги балки, создающей его нагружение по схеме чистого изгиба. При включении электродвигателя изогнутый образец начинает вращаться и в каждой его точке создается повторно-переменное напряжение изгиба. Количество оборотов образца и соответственно число циклов его нагружения фиксируется счетчиком оборотов, который связан с валом электродвигателя. При разрушении образца по счетчику определяется его циклическая долговечность (N).

По результатам испытания серии образцов при различных величинах напряжений строится кривая усталости или кривая Веллера, представляющая собой график зависимости напряжений  от числа циклов до разрушения N (рисунок 5).

Первый образец нагружают до напряжения ₍₁₎=0,8_В, проводят испытание и фиксируют число циклов до разрушения N₁. Для второго образца выбирают напряжение ₍₂₎ ₍₁₎ и определяют долговечность N₂, которая будет больше N₁.

а – консольного типа, б – то же, с надрезом, в – для испытания при

постоянном изгибающем моменте, г – то же, с надрезами

Рисунок 3 - Образцы для испытаний на усталость

а – на консольный изгиб; б – на чистый изгиб

Рисунок 4 - Испытание вращающегося образца

Уменьшая для каждого последующего образца напряжение, определяют такое напряжение, при котором не произойдет разрушения при базовом числе циклов N_б (N_б =10⁷ циклов - для черных металлов и N_б =10⁸ циклов - для цветных металлов). Такое напряжение и представляет собой искомый предел выносливости, ордината которого определяется по асимптоте, проведенной к кривой усталости (см. стрелки на рисунке 5).

Рисунок 5 - Кривая усталости (Веллера )

Поскольку для испытания всей серии образцов требуется длительное время, т.е. требуется непрерывная работа испытательной машины в течение нескольких суток, настоящая работа сводится к получению лишь одной промежуточной точки кривой выносливости. Для получения этой точки рабочее напряжение в образце подбирают равным пределу текучести материала

 = _Т = 0,6_В . (2)

В некоторых случаях можно использовать приближенный способ определения предела выносливости при по результатам испытания трех – четырех образцов. Для этого при построении кривой усталости вместо числа циклов N_i по оси абсцисс откладывают обратную величину 1/N_i. При таком построении ординаты кривой уменьшаются к началу координат. Экстраполируя кривую усталости до пересечения с осью ординат, получают предел выносливости, соответствующий величине 1/N_i=0. Как показывают эксперименты, предел выносливости связан с пределом прочности и для большинства марок сталей при симметричном цикле приближенно может быть принят:

– при осевом растяжении – сжатии _-1 = 0,28_В;

– при кручении _-1 = 0,22_В;

– при чистом изгибе _-1 = 0,28_В,

или по одной из следующих зависимостей:

_-1=0,27_В + 185 МПа, (3)

_-1=0,24_Т + 275 МПа. (4)