RU2082146C1 - Method of determination of fatigue range of metal materials - Google Patents

Abstract

FIELD: testing technology, strength testing, evaluation of quality of metal materials. SUBSTANCE: tested sample is loaded statically, stress (σ_к) of transition from linear accumulation of residual deformation to nonlinear one with subsequent loading of another sample identical to first one with lesser stress is determined. Then value of linear relaxation is measured. After this fatigue range is evaluated by measured parameters of static loading and stress relaxation. EFFECT: increased authenticity of method. 2 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Предлагаемое изобретение относится к области исследования материалов, в частности к исследованию прочностных свойств твердых материалов путем приложения растягивающих или сжимающих статических нагрузок, и может быть использовано, например, для оценки качества металлических материалов при разработке упругих чувствительных элементов приборов и оптимальных технологических режимов их изготовления, установления влияния концентраторов напряжения, состояния поверхности, среды испытания на свойства металлических материалов, а также как экспресс-метод для аттестации новых конструкционных сплавов. The present invention relates to the field of research of materials, in particular to the study of the strength properties of solid materials by applying tensile or compressive static loads, and can be used, for example, to assess the quality of metallic materials in the development of elastic sensitive elements of devices and optimal technological modes of their manufacture, establishment the influence of stress concentrators, surface conditions, test environment on the properties of metallic materials, and also how express method for certification of new structural alloys.

Известна целая группа ускоренных методов определения предела выносливости (усталости), основанная на использовании характеристик свойств материалов, найденных по результатам статических испытаний [1] В рамках всех этих методов установлены корреляционные соотношения между пределом выносливости и одним из двух параметров кривой статического нагружения условным пределом текучести σ_0,2 или пределом прочности σ_в Однако даже условный предел текучести для металлических материалов значительно выше, чем предел выносливости [1][2] поэтому ни одна из известных корреляционных зависимостей не является достаточно точной, универсальной и не дает основания для надежного использования.A whole group of accelerated methods for determining the endurance (fatigue) limit is known, based on the use of material properties characteristics found from the results of static tests [1] Correlation relationships between the endurance limit and one of the two parameters of the static loading curve with the yield stress σ _0.2 or a tensile strength σ However, even _{in the} yield strength for metallic materials is considerably higher than the fatigue limit [1] [2] so that neither of on known correlations it is not sufficiently accurate, versatile and does not give rise to reliable use.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому и поэтому выбранным в качестве прототипа является способ определения предела выносливости, который заключается в том, что на образцах снимают кривую статического нагружения, определяют напряжение перехода от линейной стадии накопления остаточной деформации к нелинейной (σ_к) поиск предела выносливости проводят путем циклического нагружения до разрушения или базового числа циклов нагружения на различных уровнях напряжения, лежащих в интервале напряжений от 0,8 σ_к до 1 σ_к [3]
Описанный метод имеет следующие недостатки:
зависимость точности определения предела выносливости (σ_ω) от шага изменения уровня напряжения циклирования. Увеличение точности определения s_w требует уменьшения шага изменения уровня напряжения циклирования и, как следствие, приводит к увеличению длительности испытаний;
большая длительность испытаний. Циклические испытания в интервале напряжений от 0,8 s_к до 1 σ_к требуют 1,5-2 недели при непрерывной трехсменной работе. Перерывы в работе испытательной машины приводят к дополнительному увеличению времени испытания вследствие возврата свойств.The closest technical solution to the proposed one and therefore chosen as a prototype is a method for determining the endurance limit, which consists in the fact that the static load curve is taken on the samples, the transition stress from the linear stage of accumulation of residual strain to non-linear (σ _to ) is determined, the endurance limit is searched by cyclic loading to failure or the basic number of loading cycles at various stress levels lying in the stress range from 0.8 σ _to 1 σ _to [3]
The described method has the following disadvantages:
dependence of the accuracy of determining the fatigue limit (σ _ω ) on the step of changing the level of cycling stress. An increase in the accuracy of determination of s _w requires a decrease in the step of changing the level of cycling voltage and, as a result, leads to an increase in the duration of tests;
long test duration. Cyclic tests in the voltage range from 0.8 s _to 1 σ _to require 1.5-2 weeks with continuous three-shift operation. Interruptions in the operation of the test machine lead to an additional increase in test time due to the return of properties.

Изобретение направлено на создание способа измерения предела выносливости металлических материалов с повышенной экспрессностью, уменьшенной трудоемкостью при высокой точности. The invention is directed to the creation of a method for measuring the endurance limit of metallic materials with high expressivity, reduced labor intensity with high accuracy.

В соответствии с поставленной задачей способ определения предела выносливости металлических материалов, как и прототип, включает статическое нагружение испытуемого образца при заданной температуре и определение напряжения σ_к перехода от линейного накопления остаточной деформации к нелинейному. Способ отличается от прототипа тем, что другой образец, идентичный вышеуказанному, нагружают напряжением σ_o меньшим, чем вышеопределенное σ_к и измеряют величину нелинейной релаксации этого напряжения Δσ после чего о пределе выносливости (σ_ω) судят по измеренным параметрам статического нагружения и указанной релаксации напряжения.In accordance with the task, the method for determining the endurance limit of metallic materials, like the prototype, includes static loading of the test sample at a given temperature and determining the stress σ _{to the} transition from linear accumulation of residual strain to nonlinear. The method differs from the prototype in that another sample identical to the above is loaded with a voltage σ _o lower than the above defined σ _k and the non-linear relaxation of this voltage Δσ is measured and then the endurance limit (σ _ω ) is judged by the measured parameters of the static loading and the indicated voltage relaxation .

Предпочтительно значение s_w определяют по формуле:

где E модуль упругости материала,
θ′ коэффициент упрочнения линейной стадии статического нагружения, который равен тангенсу угла наклона линейной стадии этой кривой.Preferably, the value of s _w is determined by the formula:

where E is the elastic modulus of the material,
θ ′ is the hardening coefficient of the linear stage of the static loading, which is equal to the slope of the linear stage of this curve.

Релаксационное и статическое испытания проводят при том виде нагружения, для которого определяется предел выносливости. Напряжение σ_o при котором измеряют его релаксацию, должно быть меньше σ_к так как предел выносливости для металлических материалов близок к σ_к но меньше него.Relaxation and static tests are carried out with the type of loading for which the endurance limit is determined. The stress σ _o at which its relaxation is measured should be less than σ _k since the endurance limit for metallic materials is close to σ _k but less than it.

Способ, основанный на установлении физической зависимости между тремя процессами многоцикловой усталостью, поведением материала при статическом нагружении в области микропластической деформации и релаксации напряжения в этой области, позволил исключить циклические испытания, а следовательно, значительно сократить время испытаний и их трудоемкость. The method based on the establishment of a physical relationship between the three processes of multi-cycle fatigue, the behavior of the material under static loading in the field of microplastic deformation and stress relaxation in this area, eliminated cyclic tests, and therefore, significantly reduced test time and their complexity.

На фиг. 1 представлены кривые статического нагружения, построенные методом "нагрузка-разгрузка" (4) по 3 5 образцам. In FIG. Figure 1 shows the curves of static loading constructed by the load-unloading method (4) using 3–5 samples.

На фиг. 2 представлены кривые релаксации напряжения. In FIG. Figure 2 shows stress relaxation curves.

Способ осуществляют следующим образом. Для испытания были изготовлены образцы в виде пластинок размером 42 х 7 х 0,35 мм из сплавов мартенситно-стареющих 50ХФА и ЭП637 и дисперсионно-твердеющих ЛАНКМц и 36НХТЮ, широко используемых для изготовления узлов манометров на различные давления. Статические и релаксационные испытания проводили при равномерном изгибе по методу Цобкалло: огибание плоского образца по оправке. По одному образцу каждого материала при комнатной температуре нагружали до определенного уровня напряжения σ, в области микропластической деформации (e_ост <0,1%) разгружают и измеряют остаточную деформацию (ε_ост) Точность измерения остаточной деформации 2 • 10^-5% Процесс повторяли при возрастающей нагрузке. Была построена зависимость напряжение деформация для каждого образца, т. е. снимали кривую статического нагружения (фиг. 1).The method is as follows. For testing, samples were made in the form of plates 42 x 7 x 0.35 mm in size from alloys of the aging-aging 50KhFA and EP637 alloys and dispersion-hardening LANKMts and 36NKhTU, which are widely used for the manufacture of pressure gauge assemblies. Static and relaxation tests were carried out with uniform bending according to the Zobkallo method: rounding a flat sample along a mandrel. One sample of each material was loaded at room temperature to a certain voltage level σ, in microplastic deformation (e _ost <0.1%) and unloaded measured residual strain (ε _ost) residual strain measurement accuracy of 2 • 10 ^-5% The process was repeated with increasing load. A strain-strain dependence was constructed for each sample, i.e., a static loading curve was taken (Fig. 1).

По кривой статического нагружения образцов было определено напряжение (σ_к) перехода от линейного накопления остаточной деформации к нелинейному и коэффициент упрочнения на линейной стадии θ′ который равен тангенсу угла наклона этой стадии. Видно, что напряжение σ_к для образцов из сплава 50ХФА, ЭП637, ЛАНКМц, 36НХТЮ равны соответственно 1300, 1420, 520, 900 МПа, а коэффициенты упрочнения θ′ 55 • 10⁶, 70 • 10⁶, 61 • 10⁶, 40 • 10⁶ МПа.The stress (σ _k ) of the transition from linear accumulation of residual strain to non-linear and the hardening coefficient at the linear stage θ ′ which is equal to the slope of this stage were determined from the curve of the static loading of the samples. It can be seen that the stress σ _k for samples of the 50KhFA, EP637, LANKMts, 36NKhTYu alloy is 1300, 1420, 520, 900 MPa, respectively, and the hardening coefficients are θ ′ 55 • 10 ⁶ , 70 • 10 ⁶ , 61 • 10 ⁶ , 40 • 10 ⁶ MPa.

Затем на идентичных образцах проводили релаксационные испытания при начальных напряжениях σ_o≃ 0,7σ_к которые для сплавов 50ХФА, ЭП637, ЛАНКМц и 36НХТЮ соответственно равны 970, 970, 380 и 699 МПа. Образцы нагружали до начального напряжения σ_o и выдерживали определенное время при постоянной общей деформации ε_o соответствующей этому начальному напряжению σ_o, затем разгружали и измеряли текущее напряжение. Точность измерения релаксации напряжения 5 • 10^-5% Процесс повторяли при возрастающем времени выдержки при постоянной общей деформации ε_o, т.е. снимали кривые релаксации напряжения, представленные на фиг. 2, и по ним определяли величину релаксации напряжения Δσ на нелинейной стадии релаксации, которое равно разности начального напряжения s_o и напряжения, при котором устанавливается линейное изменение напряжения со временем (Δσ=σ_o-σ) Видно, что для сплавов 50ХФА, ЭП637, ЛАНКМц и 36НХТЮ Δσ соответственно равны: 0,8; 0,38; 0,13 и 0,55 МПа.Then, relaxation tests were carried out on identical samples at initial stresses σ _o ≃ 0.7σ _, which for alloys 50KhFA, EP637, LANKMts and 36NKhTU are 970, 970, 380, and 699 MPa, respectively. The samples were loaded to the initial stress σ _o and withstood a certain time at a constant total strain ε _o corresponding to this initial stress σ _o , then they were unloaded and the current stress was measured. The accuracy of measuring stress relaxation is 5 • 10 ^-5 %. The process was repeated with increasing exposure time with constant total strain ε _o , i.e. the stress relaxation curves shown in FIG. 2, and the stress relaxation Δσ at the nonlinear relaxation stage was determined from them, which is equal to the difference between the initial stress s _o and the voltage at which a linear change in voltage with time is established (Δσ = σ _o -σ). It can be seen that for alloys 50KhFA, EP637, LANKMts and 36NKhTU Δσ are respectively equal to: 0.8; 0.38; 0.13 and 0.55 MPa.

Определенные таким образом величины Ds, σ_к, θ′ и модуль упругости E приведены в таблице. По формуле (1) рассчитаны значения предела выносливости σ_ω и также введены в таблицу.The quantities Ds, σ _k , θ ′ thus determined and the elastic modulus E are given in the table. According to the formula (1), the values of the endurance limit σ _{ω are} calculated and are also entered in the table.

Затраты времени на снятие статической кривой нагружения, кривой релаксации напряжения перехода от линейной стадии накопления остаточной деформации к нелинейному и обработку результатов статических и релаксационных испытания по 3 5 образцам в соответствии с формулой составляет от 8 до 15 ч, т. е. длительность испытаний сокращается по сравнению с прототипом в десятки раз. The time taken to remove the static loading curve, the stress relaxation curve of the transition from the linear stage of accumulation of residual strain to non-linear and processing the results of static and relaxation tests on 3 to 5 samples in accordance with the formula is from 8 to 15 hours, i.e., the test duration is reduced by compared with the prototype tens of times.

Контрольные циклические испытания на этих уровнях напряжений показали, что образцы исследуемых сплавов выдерживали базовое число циклов нагружения 10⁷ без разрушения.Control cyclic tests at these stress levels showed that the samples of the studied alloys withstood the basic number of loading cycles of 10 ⁷ without destruction.

Таким образом, установлено, что полученные в соответствии с предлагаемым техническим решением значения s_w действительно соответствуют пределу выносливости на базе 10⁷ циклов нагружения. Точность определения s_w зависит от точности измерения s_к и Δσ Способ позволяет быстро установить влияние технологических операций, например механотермической обработки, чистоты обработки поверхности, времени вылеживания и т.д. на предел выносливости металлических материалов.Thus, it was found that the values of s _w obtained in accordance with the proposed technical solution really correspond to the endurance limit on the basis of 10 ⁷ loading cycles. The accuracy of determining s _w depends on the accuracy of measurement of s _to and Δσ. The method allows you to quickly establish the influence of technological operations, for example, mechanothermal treatment, surface finish, aging time, etc. the endurance limit of metallic materials.

Claims (2)

1. Способ определения предела выносливости металлических материалов, включающий статическое нагружение испытуемого образца при заданной температуре и определение напряжения (σ_к) перехода от линейного накопления остаточной деформации к нелинейному, отличающийся тем, что дополнительно определяют коэффициент упрочнения на линейной стадии статического нагружения (θ), а далее другой образец, идентичный выше указанному, нагружают создавая напряжение, меньше указанного (σ_к), измеряют величину нелинейной релаксации этого напряжения (Δσ), после чего о пределе выносливости (σ_ω) судят по измеренным параметрам указанного статического нагружения и указанной релаксации напряжения.1. The method of determining the fatigue limit of metallic materials, including static loading of the test sample at a given temperature and determining the stress (σ _to ) transition from linear accumulation of residual strain to non-linear, characterized in that it additionally determines the coefficient of hardening at the linear stage of static loading (θ), and then another sample of identical specified above, is loaded by creating a voltage less than the specified (σ _k), the nonlinear relaxation measure value of this voltage (Δσ), n follows that of the endurance limit (σ _ω) is judged by the measured parameters of said static loading and said stress relaxation. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предел выносливости (σ_ω) определяют по формуле

где Е модуль упругости материала.2. The method according to claim 1, characterized in that the endurance limit (σ _ω ) is determined by the formula

where E is the modulus of elasticity of the material.

Images