Испытание стали на выносливость

ПРИ ДЕФОРМАЦИИ ИЗГИБА

Цель работы:

Ознакомление с методикой определения предела выносливости материала при симметричном цикле изменения напряжений.

Общие сведения

Прочность материала при переменных напряжениях характеризуется пределами выносливости при соответствующих видах деформации.

Пределом выносливости называется наибольшее значение максимального (по модулю) напряжения цикла, которое он может выдержать без разрушения при неограниченно большом числе циклов. Предел выносливости обозначается s_R - для нормальных напряжений и t_R - для касательных напряжения, где индекс R - коэффициент асимметрии цикла. При симметричном цикле изменения нормальных напряжении предел выносливости обозначается s_-1. Для каждого материала предел выносливости при симметричном цикле имеет наименьшее значение, поэтому такой цикл является самым опасным.

Предел выносливости материала определяется опытным путем. Наиболее простым и распространенным видом испытания на выносливость является испытание на изгиб при симметричном цикле изменения напряжений.

Испытанию подвергается серия стандартных образцов в количестве не менее 8-10 штук. Рабочая часть образца делается суженной (рис. 1). Поверхность образцов тщательно полируется.

Испытания образцов производятся на специальной машине.

Образец при испытании работает как консольная балка, нагруженная через шарикоподшипник силой P (рис.2, а). На практике, кроме того, могут применят
ься машины, где образец работает как двухопорная балка на чистый изгиб. При вращении образца создается симметричный цикл напряжений, график которого показан на рис.2, б.

Нормальные напряжения в произвольной точке А контура поперечного сечения образца изменяется во времени по синусоидальному закону

.

Так как угловая скорость вращения образца постоянна (ω = const), то φ = ωt. Окончательно формула нормальных напряжений принимает вид

t. (1)

Максимальное напряжение в сечении 1-1 образца в месте, где происходит разрушение, определяется по формуле

s_max= (2)

где M – изгибающий момент в сечении излома; Р – сила, действующая на образец; l – расстояние от точки подвеса груза Р до опасного сечения, где происходит разрушение (см. рис. 2, а); d – диаметр образца в сечении 1–1.

Величина груза Р для каждого образца берется различной. Наибольшую нагрузку принимают для первого образца, для последующих ее уменьшают. Каждый образец испытывается до разрушения, при этом с помощью счетчика оборотов замечают, сколько оборотов (циклов напряжений – N) проработал данный образец. Определив максимальное напряжение s₁в первом образце по формуле (2) и зная число циклов N₁, которое он проработал до разрушения, наносят на графике «s – N»точку 1. По результатам испытания второго образца на том же графике наносят точку 2 и так далее. По этим точкам строится кривая выносливости Вёллера, дающая зависимость между величиной максимального напряжения s_max и количеством циклов напряжений, необходимых для разрушения каждого из образцов. Кривая выносливости показана на рис. 3.

Для стали и многих других материалов кривая выносливости в своей левой части круто спускается вниз, а затем переходит в очень пологую, почти горизонтальную линию, асимптотически приближающуюся к горизонтальной прямой. Ордината этой асимптоты дает максимальное напряжение, при котором образец выдерживает, не разрушаясь, неограниченное число циклов. Это максимальное напряжение и является пределом выносливости s_R материала (при симметричном цикле - s_-1).

Как показывают результаты экспериментальных исследований, образцы большинства черных металлов, перенесшие N = 10⁷ циклов изменения напряжений, обычно не разрушаются при дальнейших испытаниях. Испытание на выносливость заканчивается, если очередной образец выдерживает базовое число циклов N_d для данного материала. Наибольшее (по абсолютной величине) напряжение цикла, при котором материал образца выдерживает без разрушения базовое число циклов, называют пределом выносливости.

Таким образом, для черных металлов за предел выносливости условно принимают напряжение, соответствующее базовому числу циклов N_d = 10⁷, а для цветных металлов - соответствующее числу циклов N_d = 10⁸.

В настоящей работе предусматривается построение лишь одной первой точки на графике кривой выносливости. При этом нагрузка выбирается завышенной с тем, чтобы разрушение образца наступало за 1/2 - 3/4 часа работы машины.

Описание машины

Образец 1 зажимается одним концом в цанговом патроне 2, укрепленном на шпинделе 3 (рис. 4). На другом конце образца устанавливается специальная обойма 4, имеющая шариковый подшипник 5. К обойме подвешивается тяга 7 и далее, через пружину 6, стержень, на конце которого имеется диск. На этот диск устанавливается необходимое количество гирь 8. Величина силы Р, действующей на образец, определяется как сумма веса гирь и веса тяги с пружиной. Вес тяги с пружиной равен 10 Н. Вращение образца (n = 3000 об/мин) через обойму 4 передается на счетчик оборотов 10. Счетчик показывает число оборотов, уменьшенное в 10 раз. Для того чтобы исключить возможность изгиба при статическом действии груза Р, перед испытанием тягу 7 закрепляют в специальной гайке 9. После пуска машины гайку 9 вывинчивают вниз и вес груза P передается на образец.

Порядок выполнения работы

1. Закрепить образец в патроне машины.

2.Установить обойму на конце образца так, чтобы расстояние от оси обоймы до наиболее тонкого сечения стержня составляло l =15 мм.

3. Подсоединить тягу к обойме.

4. Установить счетчик оборотов.

5. Убедиться, что тяга 7 опирается на опорную гайку 9. В противном случае подвернуть гайку 9 так, чтобы рукой ощущать свободное движение обоймы.

6. Замерить диаметр наиболее тонкой части образца.

7. Нагрузить тягу грузами так, чтобы общий вес (вместе с тягой и пружиной) составлял 110-130 Н. Это соответствует напряжению в месте разрушения s_max @ (0,8¸0,9) s_в.

8. Сбросить предыдущие показания счетчика оборотов.

9. Включить мотор машины.

10. Плавно поворачивая гайку 9, нагрузить образец грузом Р.

11. Записать показания счетчика поcлe разрушения образца.

12. Выполнить расчеты и построить точку 1 на графике «s - N» (см. рис. 3).

Примечание. Пункты 1 - 4 выполняются лаборантом.

ОТЧЕТ 18

Цель работы:…………………………………………..…………………………..

…………………………………………………………….…………………………

Испытательная машина…………………………………………………………….

Измерительные приборы…………………………………………………………

Схема установки

Размеры образца:

Наименьший диаметр d =………мм;

Длина плеча l =………мм;

Вес груза P =……….Н.

Число циклов нагружения N₁ =………..оборотов.

Осевой момент сопротивления сечения образца в месте излома

W_z= =………………=………. см .

Изгибающий момент в опасном сечении образца

M = Pl =(Q₁+Q₂) l =........................=.......... H,

где Q₁ - вес гирь; Q₂= 10 Н – вес тяги с пружиной.

Наибольшее напряжение цикла

s_max= ……………….=………..Па.

Выводы по работе…………………………………………………………..

………………………………………………………………………………………

Отчет принял

……………………………..

Учебное пособие

Гончаров Константин Алексеевич

Еремеев Алексей Леонидович

ЕремееваИрина Владимировна

Житков Виктор Васильевич

Зайцева Ольга Эдуардовна

Ковалев Олег Сергеевич

Лялина Фарида Галиевна

Никулина Римма Ивановна

Поляков Алексей Афанасьевич

Сатаев Виталий Радикович

Черногубов Дмитрий Евгеньевич

Чупин Владимир Васильевич

СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

Редактор О. В. Протасова

Компьютерная версткаО. С. Ковалева

ИД № 06263 от 12.11.2001 г.

Подписано в печать 11.08.2008 Формат 60х84 1/16 Бумага писчая Плоская печать Усл. печ. л 8,60. Уч.-изд. л. 6,8 Тираж 500 экз. Заказ ___________

Редакционно-издательский отдел УГТУ-УПИ