Incercari la solicitari ciclice

Incercari la solicitari ciclice

Scopul lucrarii

Conoasterea metodologiei, a utilajelor si a calculului de determinare a rezistentei la oboseala a materialelor. In acelasi timp, se urmareste precizarea si insusirea ciclurilor specifice de solicitare variabila, a caracteristicilor acestora si a principalilor factorilor care influenteaza comportarea la oboseala.

Notiuni teoretice

Majoritatea pieselor ce alcatuiesc masinile, instalatiile si alte categorii de constructii metalice, in timpul functionarii, sunt supuse unor solicitari variabile in timp. Aceste solicitari conduc la distrugerea pieselor in conditiile unei tensiuni mult mai mici decat cea necesara distrugerii lor in conditii de solicitare statica. Ruperea in conditiile aplicarii unei sarcini variabile se numeste rupere la oboseala. Ea este deosebit de periculoasa deoarece are un caracter fragil si apare fara un avertisment prealabil.

Cicluri de solicitare variabila

In cazul solicitarilor variabile se admite ca tensiunea este o functie periodica de timp. Ansamblul valorilor tensiunilor din timpul unei perioade se numeste ciclu de solicitare si poate fi definit prin (fig. 2.26):

tensiunea maxima, σ_max.;

tensiunea minima, σ_min.;

tensiunea medie, σ_med.=( σ_max+ σ_min)/2;

amplitudinea tensiunii, σ_a=( σ_max- σ_min)/2;

durata ciclului sau perioada t;

coeficientul de asimetrie a ciclului, R= _{min max}

Cifrei care indica rezistenta la oboseala a materialului pentru un anumit ciclu de solicitare i se ataseaza de obicei valoarea coeficientului de asimetrie. Pentru solicitarea axiala se adauga ca indice semnul si litera t (tractiune). In functie de valorile coeficientului de asimetrie "R" se deosebesc diferite cicluri de solicitare, tabelul 2.9.

Tabelul 2.9.

2.2 Metode de determinare a rezistentei la oboseala

Producerea ruperii la oboseala a unui material este determinata de trei factori de baza:

o tensiune normala maxima mai mare decat limita rezistentei la oboseala presupusa;

o variatie suficient de mare a tensiunii aplicate;

un numar suficient de mare al ciclurilor tensiunii aplicate.

Metodele de determinare a rezistentei la oboseala prezinta unele dificultati la aplicarea lor in comparatie cu incercarile mecanice statice:

sunt incercari de lunga durata;

necesita un utilaj complex;

interpretarea rezultatelor obtinute in urma incercarii este dificila. Dificultatile de interpretare a rezultatelor sunt legate de urmatoarele aspecte:

distrugerea epruvetei incepe inainte de a putea fi observata;

rezultatele incercarii la oboseala prezinta o dispersie mai mare decat rezultatele celorlalte incercari;

se resimpte, intr-o masura, mai mare influenta unor factori interni si externi asupra rezultatelor incercarii.

Determinarea rezistentei la oboseala se poate face dupa urmatoarele metode:

A.    Metode directe:

metoda clasica, cu sarcina constanta in timpul incercarii (metoda Wöhler);

metoda cu sarcina progresiva in cursul incercarii (metoda Prot si metoda Locati);

metoda Ivanovna, bazata pe rezultatele altor incercari.

B.  Metode indirecte bazate pe modificarea unor parametri fizici in cursul procesului de incercare la oboseala a materialului. Asemenea parametri sunt: sageata, limita de elasticitate, coeficientul de dilatare termica, permeabilitatea magnetica.

C.  Metode indirecte bazate pe relatiile de legatura dintre rezistenta la oboseala si alte caracteristici de rezistenta a materialului.

2.2.1. Metoda de determinare a rezistentei la oboseala cu sarcina constanta in timpul incercarii (metoda Wöhler)

Aceasta metoda se foloseste de curba incercarii la oboseala construita in coordonate N- sau logN- , pe baza datelor experimentale obtinute. reprezinta tensiunea la care se produce ruperea probei dupa un numar N de cicluri. Pentru trasarea curbei este necesar a fi supuse incercarii un numar minim de 6-8 epruvete din acelasi material, avand aceleasi dimensiuni, sunt obtinute in aceleasi conditii si prin acelasi procedeu tehnologic. Incercarile se vor efectua pe aceeasi masina, in aceleasi conditii si pastrand acelasi coeficient de asimetrie. Ordinea incercarii la care sunt supuse probele este de la solicitari mari catre solicitari mici, realizate cu scopul evitarii incercarilor sub limita la oboseala. Prima treapta de solicitare se recomanda sa fie:

pentru oteluri, _{max r}

pentru aliaje neferoase, _{max r}

constatandu-se ca ruperea apare dupa un numar N₁ cicluri de solicitare. Epruvetele urmatoare se incarca cu o sarcina _max -1.2 daN/mm², rupandu-se dupa un numar N₂>N₁ cicluri de solicitare. Incercarea se repeta in acelasi mod pana cand se ajunge ca una din epruvete sa nu se rupa oricat ar dura incercarea, teoretic infinit. Numarul conventional de cicluri N pana la care se efectueaza incercarile, pentru epruvetele care nu se rup, se noteaza cu N₀ si are urmatoarele valori:

pentru oteluri N₀=2∙10⁶.2∙10⁷ cicluri;

pentru aliaje usoare N₀=2∙10⁷.2∙10⁸ cicluri.

Cu valorile obtinute in urma determinarilor experimentale se construieste curba de rezistenta la oboseala (curba Wöhler) in coordonate N- (fig. 2.27a) sau mai    avantajos in coordonate semilogaritmice logN- (fig. 2.27b). In cazul reprezentarii semilogaritmice ramura descrescatoare a curbei de rezistenta la oboseala este o dreapta racordata la ramura asimptotica in jurul valorii de 1∙10⁶.3∙10⁶ cicluri, dupa caz.

Rezistenta la oboseala a unui material este valoarea maxima a tensiunii variabile la care ruperea nu se produce, oricat ar dura incercarea.

Avantajele metodei clasice sunt legate in special de simplitatea utilajului, iar ca dezavantaje pot fi amintite durata incercarilor si numarul relativ mare a epruvetelor consumate.

2.2.2. Metoda cu sarcina progresiva in cursul incercarii (metoda Locati)

Aceasta metoda permite determinarea, destul de precisa, a rezistentei la oboseala a materialelor prin incercarea unei singure epruvete. Incercarea consta in incarcarea unei epruvete in trepte constante , fiecare incarcare fiind mentinuta un numar constant de cicluri " n" (curba 2 din figura 2.28a). Numarul de cicluri corespunzator unei trepte " n" se poate alege arbitrar, recomandandu-se folosirea intervalului 0,5∙10⁵.2∙10⁵, iar treptele de solicitare =12 daN/mm², prima treapta luandu-se obligatoriu sub limita de oboseala presupusa.

Determinarea rezistentei la oboseala conform acestei metode se bazeaza pe conditiile admise de Locati, cum ar fi:

valabilitatea ipotezei lui Miner privind vatamarea cumulativa, adica n/N)=1;

cunoasterea curbei Wöhler =f(N) pentru un material asemanator cu cel supus incercarii.

Se reprezinta o familie de curbe =f(N) care sa cuprinda aproximativ curba presupusa a materialului de incercat (curbele 1 din figura 2.28a). Daca N este numarul ciclurilor corespunzator ruperii epruvetei pentru solicitarea respectiva, luat de pe curba Wöhler presupusa, atunci pe o trepta oarecare se consuma din rezerva de energie a epruvetei Δn/N. Reprezentand, printr-o diagrama, consumul cumulativ de energie Σ Δn/N), calculat pentru fiecare curba de oboseala presupusa in functie de valorile limitei la oboseala (fig. 2.28b) atunci, rezistenta la oboseala a materialului se obtine, prin interpolare, in jurul valorii Σ Δn/N)=1 si corespude consumului intregii rezerve de energie.

Determinarea rezistentei la oboseala

Rezistenta la oboseala a materialelor este influentata in mod diferit de o serie de factori care pot fi grupati astfel:

Factori constructivi: forma si dimensiunile piesei;

Factori tehnologici: materialul si calitatea suprafetei acestuia;

Conditiile de exploatare: felul solicitarii, gradul de asimetrie a ciclului, frecventa solicitarii si temperatura la care se desfasoara incercarea.

Daca factorii constructivi si tehnologici sunt legati de forma si procedeul de prelucrare a epruvetei, conditiile de exploatare sunt asigurate de masinile de incercare la oboseala. Acestea difera din punct de vedere constructiv in functie de felul solicitarii, de coeficientul de asimetrie pe care il asigura si de modul de functionare.

Masinile de incercat trebuie sa indeplineasca anumite conditii legate de frecventa solicitarii, pentru desfasurarea incercarii in anumite limite de timp si de cost, de precizia de incercare si de redare, care trebuie sa se pastreze constante in timp.

Indiferent de schema cinematica si forma constructiva, masinile de incercat la oboseala au urmatoarele parti principale:

sistemul de actionare;

sistemul de inregistrare a fortei;

sistemul de pretensionare, care permite si asigurarea unui anumit grad de asimetrie a ciclului;

sistemul de prindere a epruvetei sau a piesei;

sistemul electric de deconectare a masinii de incercat in momentul ruperii probei;

contorul de inregistrare a numarului ciclurilor de solicitare.

Toate subansamblurile amintite sunt fixate pe batiul masinii care trebuie sa fie suficient de rigid pentru a putea prelua si amortiza vibratiile ce apar fara a necesita fundatii speciale.

O importanta deosebita privind determinarea rezistentei la oboseala o are natura solicitarii. Din acest punct de vedere se disting urmatoarele tipuri de incercari:

incercarea la oboseala cu sarcini axiale;

incercarea la oboseala prin rasucire;

incercarea la oboseala prin incovoiere plana;

incercarea la oboseala prin solicitari compuse;

incercarea la oboseala prin solicitari speciale.

3.1. Incercarea la oboseala axiala prin intindere-compresiune

Incercarea la oboseala prin solicitari axiale consta in aplicarea unei sarcini ciclice, orientate dupa axa longitudinala a probei, pana la ruperea acesteia sau pana la atingerea unui numar dat al ciclurilor de solicitare. Directia de aplicare a sarcinii trebuie sa treca prin centrul geometric al sectiunii transversale a epruvetei, in asa fel, incat sa nu se produca momente de incovoiere in zona calibrata. In functie de obiectivul urmarit, prin incercare se realizeaza solicitarea epruvetei cu sarcini oscilante sau alternante.

Epruvete

Epruvetele destinate incercarii la oboseala cu sarcini axiale au sectiunea transversala de forma circulara (fig. 2.29a si b) sau rectangulara (fig. 2.30a si b) cu portiunea calibrata de forma prezentata in aceste figuri. Dimensiunile efective ale epruvetei sunt determinate de produsul din care acestea sunt prelucrate, de tipul de otel supus incercarii, de tratamentul termic aplicat, de modul de fixare in masina de incercat si de forta maxima dezvoltata de aceasta. Se recomanda utilizarea epruvetelor de sectiune circulara, avand diametrul portiunii calibrate cuprins intre 6.12,5 mm. Lungimea calibrata L_c, pentru epruvete cu ciclul de solicitare oscilant, este de minimum 3d, iar la cele pentru care ciclul de solicitare alternant, acesta lungime este de 3d≤L_c≤4d.

Epruvetele cu sectiunea rectangulara se folosesc la incercarea produselor plate (table, benzi) si trebuie sa aiba aria sectiunii transversale in zona tensiunii maxime de minimum 30mm² si maximum 650mm², iar raportul laturilor b/a fiind de 1:1 sau de 4:1.

Tabelul 2.10.

Forma si dimensiunile capetelor de prindere a epruvetelor se aleg in functie de dispozitivul de prindere al masinii de incercat si trebuie sa asigure solicitarea axiala a epruvetei. Abaterile dimensionale ale epruvetei sunt date in tabelul 2.10.

Utilaj

Utilajul destinat incercarii la oboseala prin solicitari axiale este asemanator cu masina de incercat universala. El are dispozitivul de prindere a epruvetei adaptat dublei solicitari de intindere-compresiune, iar, suplimentar, in componenta sa este inglobat un pulsator mecanic, electromagnetic sau hidraulic si un dispozitiv pentru inregistrarea numarului ciclurilor de solicitare realizate de pulsator.

Un pulsator hidraulic este prezentat schematic in figura 2.31. Uleiul, sub presiune, ce trece prin ventilul V si regulatorul de presiune R ajunge in cilindrul C al masinii. El actioneaza asupra pistonului si produce o solicitare statica a epruvetei E. Componenta alternanta a solicitarii este produsa de cilindrii A si B prin actiunea a doua biele antrenate de aceeasi manivela. Cilindrul A este fix, iar cilindrul B poate fi rotit cu 180^o astfel incat bielele sa poata fi decalate cu orice unghi intre 0^o si 180^o. Cand decalajul este de 180^o uleiul circula intre cilindrii A si B, iar solicitarea epruvetei devine pur statica. Cand decalajul este de 0^o, cilindrii A si B produce oscilatia maxima a presiunii din cilindrul principal C si prin aceasta o solicitare pulsanta a epruvetei.

3.2. Incercarea la oboseala prin incovoiere rotativa

Incercarea la oboseala prin incovoiere rotativa este cea mai frecvent utilizata incercare, motiv pentru care este si standardizata in STAS 5878-77. Incercarea se executa in conditiile atmosferei ambiante si consta in aplicarea unei forte care produce un moment de incovoiere. Aceasta forta se aplica in general pana la ruperea epruvetei in mod continuu, fara socuri, frecventa stabilita si perpendicular pe axa epruvetei aflate in rotatie. Sarcina de incercare se aplica dupa ce epruveta a fost pusa in miscare la turatia stabilita. In cazul in care epruveta se roteste solicitarea este alternant simetrica, de amplitudine constanta, fiecare fibra fiind solicitata alternativ la intindere si compresiune. Incercarea se executa astfel:

pana la ruperea epruvetei si separarea celor doua elemente;

pana la aparitia, pe suprafata probei, a primei fisuri care poate fi pusa in evidenta prin metode optice sau electrice uzuale;

la un numar determinat de cicluri.

3.2.1. Epruvete

Epruvetele destinate incercarii la incovoiere rotativa sunt supuse unei incercari similare cu cea prezentata in figura 2.32.

Forma epruvetelor utilizate pot fi (fig. 2.33):

toroidala, forma cea mai des utilizata (fig. 2.33a);

cilindrica (fig. 2.33b);

tronconica (fig. 2.33c).

Dimensiunile epruvetei sunt date in tabelul 2.11.

Tabelul 2.11.

Procedeul de prelucrare a epruvetelor se indica in standardul sau documentatia tehnica a produsului si trebuie sa fie astfel ales incat sa nu influenteze structura si caracteristicile mecanice ale materialului, sa fie reduse la minim tensiunile remanente la nivelul suprafetei epruvetei. Suprafata calibrata se va prelucra succesiv prin finisare si suprafinisare in asa fel incat sa se elimine orice concentrator de tensiune.

3.2.2. Utilaj

Masina de incercat la incovoiere rotativa are o constructie simpla, avand in componenta sa trei posturi la care se poate lucra simultan.

Epruveta prinsa in bucsa 2 a axului principal 1 al unui post de lucru (fig. 2.34.) este rotita de un motor electric M, prin intermediul curelelor de transmisie 3. Incarcarea epruvetei se face, indirect, prin suspendarea unor greutati 4 de parghia de incarcare 5, avand intercalat in sistem un arc 6, care are rolul de a amortiza solicitarile inertiale ce se produc datorita excentricitatii inevitabile a capatului liber al epruvetei. Ciclurile de solicitare sunt inregistrate de un contor 7 care deconecteaza automat masina de incercat in momentul ruperii epruvetei sau in momentul in care numarul planificat al ciclurilor de solicitare s-a epuizat. Aceasta permite, fie incercarea epruvetelor pana la rupere, fie la un numar dat de cicluri.

Pe baza rezultatelor obtinute la etalonarea masinii, in functie de greutatea utilizata, pozitia ei pe parghia de incarcare si postul de lucru utilizat s-au stabilit momentele incovoietoare prezentate in tabelul 2.12.

Tabelul 2.12.

3.3. Incercarea la oboseala prin incovoiere plana

Incercarea la oboseala prin incovoiere plana se aplica epruvetelor confectionate din tabla de grosime 1.18 mm, cu ciclu de solicitare alternant simetric sau pulsator. Incercarea se executa pana la rupere, cand masina destinata incercarii se opreste automat sau la un numar dat de cicluri.

3.3.1. Epruvete

Epruvetele destinate incercarii prin incovoiere plana au forma si dimensiunile prezentate in figura 2.35 si tabelul 2.13. Ele trebuie prelucrate in asa fel incat sa respecte aceleasi conditii care sunt impuse epruvetelor destinate incercarii prin incovoiere rotativa.

Tabelul 2.13.

3.3.3. Utilaj

Masina de incercat la incovoiere plana (fig. 2.36.) are o constructie simpla. Ea prezinta urmatoarele parti componente: Epruveta 1 este fixata cu un capat pe bratul de incarcare 2, care se poate roti in jurul axului 3 ce se afla in dreptul axei de simetrie a epruvetei. In situatia in care grosimea epruvetei nu are valoarea maxima, cu ajutorul unor adaosuri epruveta poate fi inaltata pana ce axa de simetrie va ajunge in dreptul axei de rotatie 3. Incarcarea epruvetei se face prin biela 8, cu ajutorul discului excentric 4, care permite, in acelasi timp, si reglarea amplitudinii ciclului de solicitare. Pozitia motorului care antreneaza discul excentric poate fi reglat astfel incat sa se obtina cicluri cu o asimetrie dorita. Celalalt capat al epruvetei este fixat de bratul de masurare 6, legat de arcul etalonat 7. Comparatoarele 8 masoara deplasarea capatului bratului de masurare la incarcarea epruvetei. Inregistrarea ciclurilor de solicitare se face cu ajutorul contorului 10.

Masina de incercat prin incovoiere plana dispune de 5 arcuri etalonate care permit incarcarea diferita a materialului, astfel:

arcul I pentru solicitari de 0.1 N∙m;

arcul II pentru solicitari de 1-10 N∙m;

arcul III pentru solicitari de 10.40 N∙m;

arcul IV pentru solicitari de 40.90 N∙m;

arcul V pentru solicitari de 90.150 N∙m.

Etalonarea arcurilor se face prin montarea lor pe masina de incercat, montarea unei piese de proba rigide in locul epruvetei, decuplarea bielei 5 de la bratul de incarcare 2, iar in articulatia 9 se monteaza un taler pe care se aseaza greutati etalonate. Se calculeaza pentru fiecare greutate momentul fata de articulatia 3 si se citeste deplasarea capatului bratului de masurare 6 la comparatoarele 8. Diagrama de etalonare pentru arcul numarul IV este prezentata in figura 2.37.

3.4. Incercarea la oboseala prin rasucire

Incercarea consta in aplicarea, in general pana la rupere, intr-un plan perpendicular pe axa longitudinala a unui cuplu de rasucure in vederea determinarii anumitor caracteristici variabile. Aceasta incercare este standardizata in STAS 11399-80 unde este stabilita metoda incercarii cu cicluri alternant simetrice de amplitudine constanta, fara a introduce concentratori de tensiune, pentru epruvete cu diametrul cuprins intre 5.12,5 mm.

Pe durata incercarii se recomanda verificarea cuplului de rasucire la intervale de timp aproximativ apropiate, pentru a se asigura ca nu s-au schimbat conditiile cuplului. Incercarea se executa astfel:

pana la ruperea epruvetei si separarea sectiunilor;

pana la aparitia primei fisuri superficiale ce poate fi pusa in evidenta prin metode optice sau electronice uzuale;

la un numar determinat de cicluri.

Epruvete

Pentru incercarea la oboseala prin rasucire se folosesc epruvete cu sectiunea circulara, de forma toroidala (fig 2.38) si cu dimensiunile prezentate in tabelul 2.14.

Lungimea si forma capetelor de prindere a epruvetelor se aleg corespunzator dispozitivelor de fixare si de aplicare a sarcinilor, incat montarea in masina de incercat sa asigure:

evitarea oricarei solicitari suplimentare celei impuse de sarcina de incarcare;

fixarea fara joc a epruvetei pe toata durata incercarii;

R

asigurarea concentricitatii axei epruvetei cu axa de torsiune a masinii de incercat.

Tabelul 2.14.

Lungimea epruvetei pe portiunea calibrata L_c trebuie sa fie de maximum 5∙d si o abatere maxima de la cilindricitate de ±0,02.

Procedeele recomandate de prelucrare a epruvetei sunt acelasi cu cele destinate incercarii la oboseala prin incovoiere rotativa.

Utilaj

Utilajul destinat incercarii la oboseala prin rasucire este acelasi cu cel prezentat la punctul 3.3.3 la care, in locul epruvetei destinate incercarii la incovoiere plana, se monteaza doua bacuri speciale de prindere a epruvetei destinate incercarii la oboseala prin rasucire.

Desfasurarea incercarilor

Valabilitatea rezultatelor incercarilor la oboseala este conditionata in primul rand de modul si corectitudinea executarii incercarilor, deci se impune respectarea urmatoarelor etape:

Se masoara diametrul d pentru epruvetele cilindrice si, respectiv, latimea si grosimea epruvetelor plate in dreptul sectiunii critice.

Se stabileste, pentru incercarea la oboseala prin intindere-compresiune, incovoiere plana si rasucire tipul de solicitare in functie de coeficientul de asimetrie, regland corespunzator pulsatorul sau pozitia motorului pe batiul masinii de incercat;

Se determina sarcina necesara incercarii. Aceasta se obtine din solicitarea fixata conform planului de incercare stabilit dinainte, folosind urmatoarele relatii de calcul:

Pentru incercarea la oboseala prin solicitari axiale tractiune-compresiune, forta si se citeste pe cadranul aparatului;

Pentru incercarea la oboseala prin incovoiere rotativa momentul incovoietor se rotunjeste la o valoare data in tabelul 4 si se incarca utilajul corespunzator acestui moment;

Pentru incercarea la oboseala prin incovoiere plana, momentul incovoietor se obtine prin reglarea excentricului pana se inregistreaza o indicatie a ceasului comparator corespunzatoare momentului calculat. Indicatia ceasului comparator se alege din diagrama de etalonare;

Pentru incercarea prin incovoiere prin rasucire, momentul de torsiune si se obtine asemenea momentului incovoietor de la incercarea la oboseala prin incovoiere plana.

Se fixeaza epruveta pe masina de incercat;

Se porneste masina;

Pentru ultimele doua metode de incercare la oboseala se regleaza dispozitivul de decuplare a masinii incat acesta sa actioneze in momentul in care sageata epruvetei creste peste cea cauzata de aplicarea sarcinii;

Incarcarea masinii cu sarcina stabilita se face dupa pornirea masinii de incercat;

In timpul incercarii se controleaza daca prinderea nu cedeaza si daca bataia epruvetei nu creste peste cea initiala;

La deconectarea masinii se inregistreaza indicatiile contorului.

Inregistrarea si prelucrarea datelor

Conditiile in care au fost facute determinarile prcum si rezultatele incercarii vor fi consemnate in fise ale incercarii la oboseala. Pe baza fisei de incercare se traseaza curba de durabilitate (curba Wöhler), daca determinarile s-au facut pe un numar mai mare de epruvete sau se traseaza curba de solicitare in trepte, daca incercarea s-a facut in acest mod. Dupa metoda Wöhler, ducand asimptota orizontala la curba de durabilitate se obtine rezistenta la oboseala _R. In cazul incercarii unei singure epruvete rezultatele se vor prelucra dupa metoda Locati pentru care rezistenta la oboseala _R se obtine in dreptul valorii Σ(Δn/N)=1.

Rezultatele obtinute, datorita multitudinii factorilor care le influenteaza au un caracter aproximativ. Un sens mai precis al curbei de durabilitate si al rezistentei la oboseala _R se obtine facand o analiza statistica a rezultatelor incercarii.

Rezultatele incercariila oboseala stau la baza dimensionarii si aprecierii modului de comportare a pieselor supuse la acest tip de solicitare, cat si la stabilirea caracterului ruperii si al cauzelor care au generat-o.

In buletinul de analiza se vor indica:

forma si dimensiunile epruvetei;

caracteristicile determinate;

conditiile de prelevare a probelor;

eventualele defecte identificate (informativ);

caracteristicile materialului;

frecventa ciclurilor de solicitare;

numarul STAS daca incercarea este standardizata;

observatii privind modul de desfasurare a incercarii.