Способ определения предела выносливости листового материала
METHOD FOR DETERMINING ENDURANCE LIMIT OF SHEET MATERIAL

Изобретение относится к области прочностных испытаний полуфабрикатов металлических материалов, в частности, к способу определения влияния предварительного пластического деформирования на предел выносливости листового материала.
Необходимость проведения подобных испытаний связана с тем, что процесс изготовления деталей и элементов конструкций летательных аппаратов состоит из длинной цепочки различных технологических операций, многие из которых связаны с пластическим деформированием материала, а это отражается на характеристиках сопротивления усталостному разрушению.
Известно, что предварительное пластическое деформирование оказывает серьезное негативное влияние на предел выносливости, количество циклов до разрушения, а, следовательно, на ресурс деталей. В этой связи актуальной задачей является возможность определять степень остаточной деформации, приводящей к наибольшему снижению предела выносливости материала детали, и уровень этого снижения.
Известен способ определения влияния предварительного пластического деформирования на предел выносливости материала детали, заключающийся в том, что из заготовки детали вырезают цилиндрический образец равного сопротивления консольному изгибу и неравномерного сопротивления растяжению и кручению, нагружают его растяжением или кручением до образования переменной по длине образца пластической деформации, нагружают консольным изгибом с вращением и определяют минимальный предел выносливости с учетом величины его предварительной деформации (Вассерман Н.Н., Гладковский В.А., Калугин В.Е., Ковалев И.Е. Авторское свидетельство СССР №1441250, МПК 6 G01N 3/32, 1988).
Недостатки этого способа в том, что он из-за формы образца не пригоден для оценки листовых материалов и позволяет реализовывать при усталостных испытаниях только симметричный цикл.
Известен способ определения предела выносливости материала, заключающийся в том, что образец материала циклически нагружают при ступенчатом увеличении уровня нагрузки и определяют характеристику рассеяния энергии на каждой ступени нагружения, а о пределе выносливости судят по точке излома зависимости характеристики рассеяния энергии от уровня нагрузки. С целью повышения точности путем уменьшения влияния на результат условий крепления образца нагружение на каждой ступени осуществляют в режиме автоколебаний на резонансной частоте, определяют на каждой ступени относительную величину рассеяния энергии, отнесенную к общей энергии установившегося колебательного движения на данной ступени, а в качестве характеристики рассеяния энергии определяют отношение относительной энергии соответствующей ступени к относительной энергии первой ступени (Шпигельбурд И.Α., Куриленко Г.Α., Атипин В.Г. Авторское свидетельство СССР №1587400, МПК 5 G01N 3/32, 1988).
Недостаток этого способа в том, что он сложен в реализации и требует дополнительных расчетов при определении предела выносливости.
Известен способ испытаний на определение предела выносливости длинномерных стержневых изделий, заключающийся в том, что закрепляют захватные части изделия в испытательной машине, прикладывают к нему циклическую нагрузку в несколько этапов, в конце каждого этапа удаляют одну из захватных частей изделия, фиксируют общее чисто циклов нагружения и по нему судят об усталостной долговечности изделия. С целью сокращения длительности испытаний каждый этап нагружения заканчивают при разрушении изделия в одной из захватных частей, а удаляют другую часть (Кондратенко В.М., Лысогор И.А. Авторское свидетельство СССР №1462156, МПК 4 G01N 3/32, 1986).
Недостатки этого способа в том, что он из-за формы и размеров изделия не подходит для оценки листовых материалов.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является изобретение Ковалева И.Е., Ерасова B.C., Никитина С.Е., Щеголева Д.В. (Патент №2298164 МПК G01N3/32, 2007). Способ определения предела выносливости предварительно деформированного листового материала заключается в том, что осуществляют циклическое нагружение образца из двух элементов, соединенных таким образом, что обеспечивается постоянство площади поперечного сечения образца в целом. Для осуществления способа из листового материала вырезают два элемента образца, симметричных относительно оси растяжения, каждый из которых имеет равную толщину и состоит из захватной, переходной и рабочей частей. Элементы жестко соединяют в захватных частях, перевернув один относительно другого на 180° так, что достигается постоянство площади поперечного сечения и нормальных напряжений по длине рабочей части объединенной конструкции (образца) при циклическом растяжении, и проводят усталостные испытания посредством циклического нагружения.
Недостатками указанного выше изобретения являются:
1) способ не позволяет определять предел выносливости материала при нагружении по схеме «плоский изгиб»,
2) способ не позволяет проводить усталостные испытания при знакопеременном цикле нагружения. Возможности способа ограничены коэффициентом асимметрии цикла нагружения в пределах 0 ≤ R ≤ 1.
Задачей и техническим результатом данного изобретения является прогнозирование ресурса элементов конструкций путем определения предела выносливости предварительно деформированного листового материала при усталостном нагружении (включая нагружение по схеме «плоский изгиб»), соответствующего критической величине деформации, для всех значений предварительной деформации в заданном интервале, с минимально возможной материало- и трудоемкостью и повышенной достоверностью данных.
Технический результат достигается тем, что в способе определения предела выносливости листового материала, из листового материала изготавливают симметричный относительно оси растяжения и имеющий равную толщину образец, состоящий из захватной, переходной и рабочей частей. Образец жестко закрепляют в захватной части и проводят усталостные испытания посредством циклического нагружения, при этом циклическое нагружение осуществляют в отношении образца, имеющего изменяющуюся по линейному закону площадь поперечного сечения рабочей части.
Технический результат также достигается тем, что циклическое нагружение проводят с предварительно заданным коэффициентом асимметрии цикла, включая знакопеременный цикл.
Технический результат также достигается тем, что циклическое нагружение проводят по схеме «плоский изгиб».
Технический результат также достигается тем, что в качестве образца используют сборные конструкции с несколькими слоями или иными элементами.
Технический результат также достигается тем, что образец предварительно нагружают статическим растяжением до образования пластической деформации по длине рабочей части образца.
Изобретение поясняется следующими фигурами.
На фигуре 1 представлен образец для испытаний по предлагаемому способу.
На фигуре 2 представлена конструктивно-силовая схема образца.
На фигуре 3 представлена схема реализации усталостного нагружения по схеме «плоский изгиб».
-1
На фигуре 4 представлен график зависимости предела выносливости σ от предварительной деформации ε.
Предложенный способ определения предела выносливости листового материала осуществляется следующим образом.
Из металлического листового материала изготавливают симметричный относительно оси растяжения и имеющего равную толщину образец для испытаний (см. фиг. 1), состоящий из захватной 1, переходной 2 и рабочей частей 3.
Определяют для образца линейный закон изменения площади поперечного сечения рабочей части 3 образца из условия постоянства нормальных напряжений σ(z)=const.
Решая систему уравнений
ИЗГ
где Μ(z) - изгибающий момент от нагрузки Ρ в сечении, удаленном от точки приложения нагрузки на расстояние z,
x
W(z) - момент сопротивления в сечении, удаленном от точки приложения нагрузки на расстояние z,
h - толщина образца,
b(z) - ширина сечения, удаленного от точки приложения нагрузки на расстояние z,
с - расстояние от точки приложения нагрузки до наименьшего сечения рабочей части,
d - ширина наименьшего сечения рабочей части, получаем зависимость  значит площадь поперечного сечения рабочей части 3 образца должна меняться по закону
Образец изготавливают в соответствии с конструктивно-силовой схемой образца, приведенной на фигуре 2, где показано, что за расчетный центр координат принимается точка Ε приложения нагрузки Р. На фигуре 2 ось z направляется вдоль оси образца перпендикулярно линии действия нагрузки, расположение осей x и y задается соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Также на фигуре 2 обозначены геометрические константы образца h, c и d, необходимые для решения системы уравнений (1).
Образец также изготавливают так, чтобы площадь его поперечного сечения рабочей части 3 соответствовала определенному выше линейному закону  изменения площади поперечного сечения рабочей части 3.
Образец может быть предварительно нагружен статическим растяжением до образования переменной (изменяющейся) по длине рабочей части 3 пластической деформации, задавая максимальную величину деформации в сечении с минимальной площадью поперечного сечения, соответствующей координате z = с.
После этого образец, имеющий изменяющуюся по линейному закону площадь поперечного сечения рабочей части, жестко закрепляют в захватной части 1 и проводят циклическое нагружение.
Усталостные испытания путем циклических нагружений проводят с любым предварительно задаваемым коэффициентом асимметрии цикла, включая знакопеременный цикл.
При циклическом нагружении применяют схему «плоский изгиб», до разрушения.
В качестве образца используют сборные конструкции с несколькими слоями или иными элементами.
Неблагоприятную величину остаточной деформации определяют по расположению места усталостного разрушения.
Приведем пример осуществления способа для определения влияния предварительного пластического деформирования на предел выносливости листового материала из алюминиевого сплава АМг6. Требование к эксперименту: схема усталостного нагружения - плоский изгиб, цикл нагружения - симметричный.
Способ реализован по предложенному изобретению. Экспериментальную работу проводили на образцах, вырезанных из листов алюминиевого сплава АМг6, широко применяемого при изготовлении элементов конструкции в аэрокосмической технике.
Ниже представлены результаты изучения влияния остаточной деформации на предел выносливости сплава.
6
Испытания проводились при знакопеременном консольном изгибе с частотой нагружения ν=13,3 Гц, база испытаний 10 циклов, коэффициент асимметрия цикла R = -1.
Схема реализации усталостного нагружения по схеме «плоский изгиб» представлена на фигуре 3, где 4 - силопередающее устройство, 5 - образец, 6 - захват. Плоский изгиб - это изгиб, при котором все усилия, изгибающие балку, лежат в одной из плоскостей симметрии балки.
Образец изготавливали фрезерованием так, чтобы его рабочая часть представляла из себя балку равного сопротивления изгибу. Для этого образцу равной толщины придавали форму, симметричную относительно оси растяжения, с переменной, изменяющейся по линейному закону по длине рабочей части образца шириной b(z)=0,24z. Толщина образца составляла 4 мм. Длина рабочей части составляла 30 мм. Площадь поперечного сечения F менялась по длине рабочей части от 32 мм до 60 мм. Определялось влияние остаточной деформации на предел выносливости в значениях деформации от 0 до 4,0%. Для испытаний потребовалось 23 образца. Образцы с переменной, изменяющейся по линейному закону по длине рабочей части образца площадью поперечного сечения нагружали растяжением до образования переменной по длине пластической деформации с максимальным значением 4,0%, достигаемом в наименьшем сечении.
-1
Затем образцы последовательно один за другим подвергались циклическому нагружению по схеме плоский изгиб. Анализ расположения мест разрушения образцов показал, что усталостные трещины образовывались в местах рабочей части с остаточной деформацией 0,5…3,4%. По результатам испытаний построен график зависимости предела выносливости σ от предварительной деформации ε, представленный на фигуре 4.
График показывает, что провала сопротивления усталости на начальной стадии пластического деформирования, имитирующего технологическое формообразование, например, на вытяжных машинах, до 0,5% нет.
-1
6
Значение предела выносливости при остаточной деформации от 3,4 до 4,0% выше, чем при деформации 0,5…3,4%, следовательно, максимальное снижение предела выносливости σ при базе испытаний 10 циклов имело место в диапазоне остаточных деформаций 0,5…3,4%. Такие значения остаточной деформации следует исключить при производстве летательных аппаратов и других изделий ответственного назначения, подвергающихся в процессе эксплуатации циклическому изгибу.
Преимуществом предлагаемого способа является то, что он позволяет определить поведение усталостных характеристик материала при периодическом плоском изгибе во всей области непрерывно возрастающих значений деформации в пределе от 0 до 4%. Способ позволяет достоверно сделать вывод о том, что в интервале деформаций от 0 до 4% неблагоприятными для сопротивления усталости являются деформации 0,5…3,4%. Такие значения остаточной деформации следует либо исключить из технологического процесса при производстве элементов конструкций, подвергающихся в процессе эксплуатации циклическому изгибу, либо найти средства устранения негативного влияния неблагоприятных деформаций на предел выносливости получаемых изделий.
Появилось знание - с какими величинами технологических деформаций надо бороться. Важным следствием этого является то, что для прогнозирования ресурса элементов конструкций, количество испытываемых образцов сокращается в десятки раз.
Таким образом, анализируя результаты испытаний по предложенному изобретению, можно сделать выводы, что предложенный способ позволяет повысить достоверность оценки качества и свойств металлических материалов с минимально возможной материало- и трудоемкостью.
Результаты этих испытаний могут быть использованы при выборе технологических и эксплуатационных решений при разработке подвергающихся циклической нагрузке изделий, применяющихся в авиационной промышленности, машиностроении, судостроении и других отраслях.
Способ позволяет определять критические, с точки зрения усталостных свойств, уровни остаточных деформаций и искать средства устранения негативного влияния технологического процесса на предел выносливости получаемых изделий.
Заявленный способ может быть рекомендован для оценки влияния технологической наследственности на ресурс изделий из листового материала.