МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ НАДЕЖНОСТЬ В ТЕХНИКЕ МЕТОДЫ
УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ НА УСТАЛОСТЬ
РД 50-686-89
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
КОМИТЕТ СССР ПО УПРАВЛЕНИЮ Москва
РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ
Дата введения 01.01.90 Настоящие методические указания распространяются на образцы и детали машин из металлических материалов, кривая усталости которых имеет горизонтальный участок, и устанавливают методы ускоренных испытаний для определения предела выносливости. Методические указания не распространяются на методы ускоренных испытаний для определения предела ограниченной выносливости и характеристик эксплуатационной прочности. Термины, применяемые в настоящих методических указаниях, - по ГОСТ 23207. Обозначения и определения величин, применяемых в настоящих методических указаниях, приведены в приложении 1. Примеры применения различных методов ускоренных испытаний приведены в приложении 2. Настоящие методические указания унифицированы со стандартом ГДР ТГЛ 19338. 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ1.1. При планировании испытаний обеспечивают: случайный отбор объектов испытаний из генеральной совокупности; исследование всех влияний на результаты испытаний; исключение нежелательных воздействий. 1.2. Устанавливают возможности ограничения объема испытаний с последующим уточнением (при необходимости) постановки вопроса. 1.3. При обработке результатов испытаний принимают во внимание все опытные данные, которые могут быть использованы в дальнейшем (например для оценки вида функции распределения). 1.4. Критерий отказа должен быть установлен перед испытаниями. В качестве критериев отказов принимают: полное разрушение; возникновение трещины; достижение трещиной определенной длины; недопустимые изменения формы или другие критерии. 1.5. Предел выносливости sR определяют на базе испытаний Nd (что соответствует также абсциссе точки перелома кривой усталости NG при ее аппроксимации (черт. 1) двумя отрезками прямых в двойных логарифмических или полулогарифмических координатах). Схематическое представление кривых усталости в двойных логарифмических и полулогарифмических координатах 1.6. Предел выносливости - случайная величина, которая находится в переходной области кривой усталости. Переходная область - зона, в которой при испытании до базового числа циклов либо происходит отказ, либо не происходит. От вероятности наступления одного из этих двух событий зависит распределение предела выносливости (п. 3.2). Вероятность того, что при напряжении sа произойдет отказ, равна вероятности того, что предел выносливости меньше, чем sа. 1.7. При ускоренных испытаниях по пп. 2.1 - 2.3 возможно определение только медианы выносливости. Метод Про (п. 3.1) позволяет дополнительно оценить рассеяние предела выносливости. Значения предела выносливости для высокой вероятности безотказной работы могут быть определены методом ограничения Мэннига (п. 3.2). 1.8. Границы переходной области
соответствуют вероятности безотказной работы 1.9. В большинстве случаев (при отсутствии специальных указаний относительно вида распределения) целесообразно принимать распределение пределов выносливости нормальным. 2. МЕТОДЫ УСКОРЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАЧЕНИЯ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ2.1. Определение предела выносливости экстраполяцией левой ветви кривой усталостиМетод основан на принятой линеаризации левой ветви кривой усталости в полулогарифмических или двойных логарифмических координатах и предназначен для определения значения предела выносливости. Предпосылкой метода является то, что левая ветвь кривой усталости известна, или может быть получена из предварительных экспериментов по ГОСТ 25.502. Предел
выносливости вычисляют графически или аналитически экстраполяцией левой ветви
до базового числа циклов (ND), при этом
получают значение около 0,9sr, или до абсциссы точки перелома кривой усталости (NG). Значение
ND составляет для
черных металлов и сплавов 107 циклов, a Таблица 1 Ориентировочные значения абсциссы точки перелома кривых усталости для объектов испытании из стали
Когда имеются
экспериментальные данные в переходной области, то можно параметр sR рассматривать
как медиану предела выносливости, если при испытании как минимум трех образцов
в области (0,95 - 1,05) sR примерно половина достигла числа
циклов 2.2. Определение предела выносливости методом Локати2.2.1. Метод основан на известной гипотезе линейного суммирования повреждений и предназначен для ускоренного определения среднего значения предела выносливости. 2.2.2. Предпосылкой метода является то, что левая ветвь кривой усталости определена в вероятностном аспекте для изделий-аналогов или одной из предшествующих партий исследуемых объектов. В этом случае необходимо испытание как минимум одного изделия (образца). Испытание проводят при ступенчато-возрастающей нагрузке до разрушения образца (черт. 2). Испытания по методу Локати 2.2.3. Путем экстраполяции до
Приращение
напряжений
Число циклов ni, где i = 1, ..., k - 1 (k - номер ступени, на которой происходит разрушение), также принимают постоянным и вычисляют по уравнению (3)
2.2.4. Для оценки Приближенно для
Приближенно
значения
Далее по уравнению (8) вычисляют три суммы накопленных повреждений
где
2.2.5. Оценку медианы предела выносливости ( Определение При повторном
проведении опытов методом Локати можно определить дополнительные оценки 2.3. Определение предела выносливости по методу Субраманьяна2.3.1. Метод основан на предпосылке о пересечении линий повреждения в одной точке, которая одновременно является точкой перелома кривой усталости образцов материалов. 2.3.2. Для использования метода необходимо
знать координаты двух точек на левой ветви кривой усталости ( Если таких
данных нет, то проводят испытания двух групп образцов на уровнях напряжения Проводят
двухступенчатые испытания не менее трех идентичных образцов сначала в течение n1 циклов на
уровне напряжения Предел выносливости определяют по уравнению
При этом целесообразно соблюдать условия:
2.4. Определение предела выносливости при помощи метода ступенчато повышаемых деформаций (Dst - метод)2.4.1. Метод основан на соотношении циклических напряжений и деформаций материала в области многоцикловой усталости и предназначен для определения 10 %-го квантильного значения предела выносливости при растяжении - сжатии. Используемые величины напряжений - деформаций пояснены на черт. 4 при помощи диаграммы циклического деформирования (петли гистерезиса). Параметры диаграммы циклического деформирования Из условия eа,р ® 0 получают характеристическое
значение амплитуды переменных напряжений для материала, которое определяетcя как
циклический предел упругости Эта величина, которая не зависит от влияния поверхности, поперечного сечения или масштабного фактора, соответствует также пределу выносливости при растяжении - сжатии для вероятности разрушения 10 %. При проведении
испытаний с управлением по деформациям можно заменить условие eа,р ® 0 условием Dsа ® 0. Падение напряжений Dsа характеризует падение амплитуды
напряжений вследствие разупрочнения материала. Значение 2.4.2. Предпосылками реализации метода являются наличие: управляемой от ЭВМ сервогидравлической испытательной машины; устройств для измерения сил и деформаций (например экстензометров). Метод применим для: нелегированных или низколегированных углеродистых сталей; ненадрезанных (гладких) образцов; незначительного числа образцов (n ³ 5). 2.4.3. Испытания начинают согласно черт. 5 с уровня нагружения ниже предела
выносливости при растяжении - сжатии Предварительные испытания с управлением по деформациям для определения начала разупрочнения
Для конструкционных сталей действительно соотношение
2.4.4. Если на уровне Испытания
продолжают таким образом до тех пор, пока не будет зафиксировано (доказано)
падение напряжений Dsа (например Значение 2.4.5. Дальнейшие испытания проводят как двухступенчатые опыты на следующих уровнях деформаций: 1-я ступень 2-я ступень Значение В качестве Проводить испытания целесообразно при частоте нагружения 0,5 - 1,0 Гц. 3. МЕТОДЫ УСКОРЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАЧЕНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИК РАССЕЯНИЯ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ3.1. Метод прогрессивного повышения нагрузки для определения медианы и среднего квадратического отклонения предела выносливости (метод Про)3.1.1. Метод основан на принятой зависимости между sR и разрушающим напряжением sр в экспериментах с прогрессивно возрастающей нагрузкой, имеющей вид
где К и с - постоянные, а a - средняя скорость возрастания напряжений (Dsа/Dn). 3.1.2. Начиная с начального напряжения Значение
начального напряжения 3.1.3. Испытания проводят для l = 2 - 4 различных скоростей роста напряжений ai по тi испытуемых объектов на каждой скорости ai. Целесообразно придерживаться следующих рекомендаций: a1 = 2,5 × 10-5 МПа/цикл, al » 3,5 × 10-4 МПа/цикл. Для повышения
точности статистической обработки результатов испытаний наибольшее число
образцов должно быть испытано при минимальном и максимальном значениях ai, а при
промежуточных значениях ai может быть
испытано меньшее число образцов, т.е. m1 = ml, m2 = ml-1 < т1
(при l > 2). Общее
число образцов 3.1.4. Уравнение (17) описывает линейную зависимость между sр и ас так, что результаты испытаний могут обрабатываться с применением методов линейного регрессионного анализа. 3.1.5. По уравнениям (18) и (19) получают К
и
где Постоянная с лежит чаще всего в интервале между значениями 0,3 и 0,5 и может быть определена минимизацией меры отклонения экспериментальных точек от теоретической прямой Q, определяемой по формуле
В качестве первого приближения можно принять с = 0,3. 3.1.6. Оценку
3.1.7. Для контроля полученного по формуле (19) значения 3.2. Метод ограничения Мэннига3.2.1. Метод предназначен для определения всей переходной области кривой усталости. 3.2.2. На первом уровне На этом уровне
проводят еще п - 1 эксперимент, т.е. общее число испытанных на уровне В заключение
проводят п испытаний на уровне напряжения
где Величина S определяет
ширину переходной области (в долях При помощи i2 (частота
отказов при Таблица 2 Рекомендуемые значения параметра s
где Таблица 3 Квантиль ( Необходимо стремиться, чтобы i1 и i2 принимали значения 1 и п - 1 и не принимали значений 0 и п. 3.2.3. Если имеются результаты экспериментов
в области ограниченной выносливости, то в качестве 3.2.4. Число объектов испытаний выбирают с учетом рекомендаций: минимальное n = 4; для п
< 8 возможно только определение если ошибка в
оценке если ошибка для 99 %-ного значения предела выносливости (нижняя граница рассеяния) должна быть меньше 5 %, то n ³ 20. Таблица 4 Значения
позиционных квантилей
ui,n = -un-i+1,n; u0,n = ui,2n. Оба последние требования основаны на предположении, что d, как минимум, равно половине переходной области, а i1, i2 - отличны от нуля и п. 4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫБОРУ МЕТОДОВ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ4.1. Схема выбора метода ускоренных испытаний приведена в табл. 5. В схеме перечислены некоторые из условий, необходимых для практической реализации методов. 4.2. В зависимости от того, требуется
получить оценку лишь одного значения предела выносливости, соответствующего
вероятности 4.3. Учитывают имеющуюся априорную
информацию о левой ветви кривой усталости. Если такая информация имеется, то
испытания не проводят. В этом случае проводят оценку методом экстраполяции
предела выносливости для вероятности 4.4. При полном отсутствии априорной информации о левой ветви кривой усталости могут использоваться данные о материале и характере объекта испытаний. Если образцы
изготовлены из нелегированной или низколегированной углеродистой стали, то
целесообразно применять метод ступенчато повышаемых деформаций (Dst - метод) (n ³ 5), который
позволяет определять Если же объект
испытаний является образцом другого класса материалов, может применяться метод
Субраманьяна (n ³ 3(9)), который позволяет определить медиану предела
выносливости Таблица 5 Схема выбора метода ускоренных испытаний В случае, если объектами испытаний являются детали машин и элементы конструкций и, кроме того, требуется определить характеристики рассеяния предела выносливости, то переходят к п. 4.5, либо применяют неускоренный метод испытаний по ГОСТ 25.502. 4.5. При наличии априорной информации об
относительной ширине переходной области кривой усталости применяют метод
ограничения Мэннига (n ³ 16), который
позволяет определить При отсутствии
априорной информации об относительной ширине переходной области кривой
усталости целесообразно применять метод прогрессивного повышения нагрузки
(метод Про) (n ³ 20) для определения медианы 4.6. В табл. 5 методы расположены слева направо в порядке возрастания необходимого числа образцов. ПРИЛОЖЕНИЕ 1Обязательное ОБОЗНАЧЕНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В НАСТОЯЩИХ МЕТОДИЧЕСКИХ УКАЗАНИЯХс - постоянная при оценке предела выносливости методом возрастающей нагрузки (по методу Про); d - вспомогательная величина, используемая в методе ограничения Мэннига; i, j - текущие индексы; k - номер ступени отказа при испытаниях с возрастающей нагрузкой по методу Локати; К - постоянная в уравнении Про;
l - число различных скоростей роста напряжений в методе Про; п - число объектов испытаний; ni - число циклов нагружения, пройденное объектом испытаний на i-м уровне напряжения; тi - число объектов, испытанных методом Про на i-й скорости роста напряжений (ai); N - число циклов до разрушения при одноступенчатом нагружении (долговечность);
ND - базовое число циклов; Ni - число циклов до разрушения при напряжении; Q - мера отклонения экспериментальных точек от прямой линии регрессии при испытаниях с возрастающей нагрузкой по методу Про;
s - параметр ширины переходной области для метода ограничения Мэннига;
ui,n - позиционная квантиль нормированного нормального распределения;
q - вспомогательная величина в методе Субраманьяна; a - средняя скорость роста напряжений при испытаниях методом Про; sa - амплитуда напряжений; Ds - ступень приращения напряжений;
sR - предел выносливости - по ГОСТ 23207;
sР - разрушающее напряжение (при котором произошел отказ);
т* - показатель наклона левой ветви средней кривой усталости в двойных логарифмических координатах; ти, m0 - показатели
наклона левой ветви кривых усталости для Dsа - разность амплитуд напряжений;
eа - амплитуда относительной деформации; eар - амплитуда пластической деформации. ПРИЛОЖЕНИЕ 2Справочное ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ1. Испытания методом Локати при статистически заданной кривой усталости (п. 2.2) Задано: сварной
образец; m* = 3,75; mи = 3,5; n0 = 4,0; Найти: Решение. Испытание
методом Локати дало k = 10 и nk = 42500. Для
вычисления
Получаем: Графическая
оценка дает значения 2. Ускоренная оценка среднего значения предела выносливости методом Субраманьяна (п. 2.3) Задано:
Цилиндрические образцы из арматурной стали марки 12Г2С типа VIII по ГОСТ
25.502 (ТГЛ 36766) диаметром 10 мм с кольцевым надрезом радиусом 1 мм;
известны две точки на левой ветви кривой усталости (в области ограниченной
выносливости) с координатами: Найти: Решение: 1)
Проводим двухступенчатый эксперимент по схеме В итоге
испытаний на уровне Вычислим значение q по формуле (11) Искомую оценку среднего значения предела выносливости вычисляют по формуле (10) Среднее значение
предела выносливости, полученное методом «лестницы» для контроля точности
метода Субраманьяна, составило Таким образом, относительная погрешность в оценке предела выносливости методом Субраманьяна При тех же
уровнях напряжений Остаточный
ресурс образца на второй ступени ( При этих условиях Примечание. Имея две точки на кривой усталости в
области ограниченной выносливости и полученное ускоренным методом Субраманьяна,
значение 3. Оценка медианы и среднего квадратического отклонения предела выносливости по методу Про (п. 3.1) Задано: Значения скорости роста напряжений a1 = 2,5 × 10-5 МПа/цикл, a2 = 25 × 10-5 МПа/цикл. Испытано по семь образцов на каждой скорости роста напряжений (см. табл. 6). Постоянная с принята равной 1/3. Таблица 6 МПа
Найти: Решение. Для l = 2, mi =
При этом
получают 4. Способ ограничения Мэннига (п. 3.2) Задано: Гладкие
образцы, Найти: предел
выносливости для Решение. При sа = При sа = 110 МПа
наступает в первый раз прохождение базового числа циклов без разрушения, таким
образом здесь останавливаемся и проводим еще четыре испытания, которые дают по
два отказа и неразрушения (итак n = 5, Приняв s = 0,2 по табл. 2, обращаемся к уравнению (22)
Уровень выбирают
равным 1-й случай Четыре эксперимента дали один случай неразрушения и три отказа. Следовательно, i2 = 4 (с учетом ранее полученного отказа). Если u2;5 = -0,495, то u4;5 = 0,495 (табл. 4) и u0;5 = 0, то u0;1 = -1,2816 (табл. 3), тогда получим по формуле (23): 2-й случай Четыре эксперимента дали два случая неразрушения и два отказа. Итак, i2 = 3 (с учетом ранее полученного на этом уровне напряжения отказа). Для u3;5 = 0 получим по формуле (23):
1. РАЗРАБОТАН Государственным комитетом СССР по стандартам, Министерством высшего и среднего специального образования СССР ИСПОЛНИТЕЛИ В.Л. Соболев, канд. техн. наук; Б.В. Бойцов, д-р техн. наук (руководители темы); А.И. Кубарев, канд. техн. наук; А.А. Фортунин; А.В. Плутоловский; Г.Н. Кравченко, канд. техн. наук; А.Л. Иванов; Н.С. Костин ВНЕСЕН Государственным комитетом СССР по стандартам 2. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 26.04.89 № 1126 3. Срок первой проверки 2000 г., периодичность проверки 5 лет. 4. Настоящие методические указания полностью унифицированы со стандартом ГДР ТГЛ 19338 «Сопротивление усталости. Ускоренные испытания для оценки пределов выносливости» 5. ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ 6. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ
СОДЕРЖАНИЕ
|