Lucrarea 1 Încercări de oboseală 1

LUCRAREA 1

ÎNCERCĂRI DE OBOSEALĂ.DETERMINAREA COEFICIENTULUI DE

CONCENTRARE A TENSIUNILOR

1. Scopul lucrăriia) Cunoaşterea metodei de determinare a rezistenţei la oboseală a materialelor.b) Aprecierea experimentală a coeficientului de concentrare a tensiunilor.

2. Elemente teoreticeCea mai frecventă cauză de deteriorare şi ieşire din funcţiune a organelor de maşini este legată de apariţia fenomenului de oboseală a materialului. Numărul foarte mare de încercări şi date practice acumulate până în prezent au permis să se constate că oboseală se produce ca urmare a unor solicitări variabile repetate, chiar dacă tensiunile corespunzătoare acestor solicitări sunt mai mici decât tensiunile care produc deteriorarea prin rupere statică.

Deteriorarea prin oboseală începe odată cu formarea unor microfisuri care coincid, în general cu o discontinuitate de material sau cu o zonă de neomogenitate structurală. Sub acţiunea solicitărilor variabile repetate, microfisura se propagă continuu, micşorând secţiunea şi determinând în final o rupere bruscă, fără microdeformaţii cu caracter plastic.Tensiunea maximă pe care un punct al unei secţiuni date supus unei solicitări variabile cu caracteristica , în condiţii ideale de încercare, o poate suporta fără apariţia fenomenului de deteriorare prin oboseală se

2 Laborator Organe de maşini

numeşte rezistenţa la oboseală, notată cu sau şi depinde de numărul N de cicluri de solicitare. Caracteristica ciclului de solicitare exterioară poate lua valori trecând de la R 1 , prin R 0 şi R 1 corespunzătoare ciclului alternant simetric, pulsant, respectiv constant (solicitarea statică fiind privită ca un caz particular al solicitării variabile). Prin reprezentarea grafică a numărului N de cicluri de solicitare şi rezistenţa la oboseală corespunzătoare, se obţine curba caracteristică de oboseală sau curba Wőhler ca în fig. 1.

Fig. 1

Pe reprezentarea din fig. 1 se pot face următoarele observaţii cu privire la rezistenţa la oboseală în funcţie de natura materialului:- la materialele feroase scade cu creşterea numărului de cicluri pentru N N 0 , N0 fiind

denumit număr de cicluri de bază; se poate considera practic constantă pentru N N 0 - fiind denumită

obişnuit limita de oboseală, simbolizată sau ;- la materialele neferoase şi la cele plastice

scade continuu cu creşterea numărului de cicluri de solicitare; limita de oboseală se referă la un anumit număr de cicluri de bază stabilit convenţional.

Dependenţa dintre rezistenţa la oboseală şi numărul de cicluri de solicitare se poate exprima analitic astfel:

Lucrarea 1 Încercări de oboseală 3

- pentru toate tipurile de materiale - sub formă exponenţială:

(1)

- pentru materiale feroase - scădere exponenţială pentru N N 0 , după relaţia (1)

- palier cu RN R pentru N N 0 (2) 3. Instalaţia experimentală şi modul de lucruÎncercările de oboseală se efectuează pe o maşină pentru încercări la oboseală la încovoiere rotatorică - marca MEFETRM (Ungaria).Schema maşinii este prezentată în fig. 2 cu următoarele elemente constructive: 1 - epruveta, 2 - cuplaj elastic, care face legătura cu motorul electric de acţionare, 3 - rulment oscilant de încărcare, 4 - contragreutate, 5 - mandrina pentru prinderea epruvetei, 6 - greutăţi de încărcare. Maşina este prevăzută cu un contor de ture - nefigurat pe desen.

Fig. 2

Pentru obţinerea unor rezultate corecte (precizia maşinilor trebuie să se încadreze în clasa de precizie 1%) este necesar ca la montarea epruvetei să nu se depăşească:

ω

4 Laborator Organe de maşini - abaterea maximă de la orizontalitate de 5 mm/m; - bătaia radială maximă de 0.013 mm în două puncte pe lungimea părţii calibrate a epruvetei; - abaterea maximă de la coaxialitatea epruvetei cu arborele motor de 0.025 mm .Fixarea epruvetei pe toată durata încercării trebuie să fie fără alunecări.Numărarea ciclurilor de solicitare trebuie făcută cu o precizie de 200 cicluri şi trebuie oprită automat în momentul ruperii epruvetei.Epruvetele utilizate la încercări au forma şi dimensiunile din fig. 3, iar abaterile limită sunt date în tabelul 1.

Fig. 3

Tabelul 1 Mărimea măsurată Valoarea Toleranţa, mm Diametrul d 10 mm 0.050 Raza de racordare r 3 d 0.5 Ovalitatea în zona de solicitare maximă 0.040

Metoda de determinare a rezistenţei la oboseală constă în trasarea, pe bază experimentală, a curbei Wőhler , unde: - tensiunea maximă la care se rupe epruveta; N - numărul de cicluri de solicitare corespunzător ruperii. Pentru încercare sunt necesare un număr minim de 6-8 epruvete, din acelaşi material, obţinute prin acelaşi procedeu tehnologic, cu aceleaşi

Lucrarea 1 Încercări de oboseală 5dimensiuni. Încercările trebuie efectuate pe aceeaşi maşină cu păstrarea condiţiilor de încercare (sarcină, turaţie).Prima treaptă de solicitare se recomandă să fie: - pentru oţeluri max . 0 6 Rm (3) - pentru aliaje neferoase max . 0 4 Rm (4)în care: Rm este rezistenţa de rupere statică a materialului. Repartizarea următoarelor trepte de solicitare se recomandă să se facă astfel:- în zona solicitărilor mari - treptele de tensiune să difere cu 30 - 60 MPa;- în zona limitei de oboseală - treptele de tensiune să fie 10 - 20 MPa.Se păstrează una sau două epruvete ca rezervă pentru eventualele repetări ale încercărilor care au condus la puncte prea îndepărtate de curba medie.Se continuă încercările la oboseală până când se ajunge ca cel puţin o epruvetă să nu se rupă. Numărul de cicluri N0 după care epruvetele nu se mai rup poate avea valori între 2106 - 2107 - pentru oţeluri;

2107 - 2 108 - pentru aliaje uşoare.În funcţie de numărul de epruvete disponibile se pot încerca, la fiecare treaptă de tensiune, una sau mai multe epruvete.

4. Prelucrarea şi interpretarea rezultatelor experimentaleÎntrucât încercările la oboseală sunt de durată şi nu pot fi terminate în cadrul unei şedinţe de laborator, se vor folosi pentru prelucrare şi interpretare date experimentale obţinute prealabil.Modul de lucru cuprinde urmatoarele etape:a) Se trasează curba de oboseală în coordonate rectangulare

şi se determină limita de oboseală (în cazul în care s-au încercat mai multe epruvete la aceeaşi solicitare şi dispersia numărului de cicluri este relativ mare se va lua în calcule media).b) Se trasează curba de oboseală în coordonate dublu logaritmice

şi se determină exponentul m din relaţia (1).c) În cazul în care s-au încercat şi loturi de epruvete cu diverşi concentratori de tensiuni se determină coeficientul efectiv de concentrare a tensiunilor k cu relaţia:

k

k

1

1 (5)

6 Laborator Organe de maşini

unde: - limita de oboseală a epruvetei fără concentrator de tensiuni; - limita de oboseală a epruvetei având un concentrator de tensiuni.d) Se formulează concluzii asupra comportării la oboseală pentru diverse tipuri de epruvete (fără sau cu diferiţi concentratori de tensiuni) şi materiale din care sunt confecţionate.

5. AplicaţieSă se traseze curba Wőhler (în coordonate rectangulare şi dublu logaritmice) – folosind programul Matlab 6.5 - pentru un lot de 15 epruvete, fără concentratori de tensiune, confecţionate din OL 60 la care s-au determinat experimental tensiunile de rupere şi numărul de cicluri de solicitare variabilă corespunzător tabelul 2 (din Anexa 1, tabelul 1.1). Să se determine:a) din grafic tensiunea limită de oboseală a materialului epruvetei şi numărul de cicluri de baza ; b) prin calcul şi din grafic exponentul al curbei de oboseală (caracteristica de material).Dacă la încercarea de oboseală au fost utilizate epruvete care au prelucrate trei tipuri de concentratori de tensiune (ex.: canal de pană, caneluri dreptunghiulare, filet metric) s-au obţinut valorile pentru limita de oboseală alternant simetrică indicate în tabelul 3. Să se calculeze coeficientul efectiv de concentrare a tensiunilor .

Tabelul 2360 350 340 330 320 310 300 290 280 270 270

N/106 0.68

1.07

1.15

1.7 2.1 2.9 3.8 5.3 7.4 9.8 11.

Tabelul 3

Tip concentrator Canal de pana Caneluri dreptunghiulare

Filet metric

[MPa] 179 114 135

Rezolvare numerică

Lucrarea 1 Încercări de oboseală 7a) Se scriu datele experimentale din tabelul 2 în programul Matlab 6.5 şi se trasează cele două tipuri de grafice ca în fig. 1.1, respectiv fig. 1.2 din Anexa 1.Din fig. 1.1 se determină [MPa] şi [cicluri] pentru materialul epruvetei (OL 60).b) Din relaţia (1) se determină exponentul:

(6)

în care: şi au fost determinate anterior, iar pentru , respectiv se iau valorile corespunzătoare ale unui punct aflat pe curba de

oboseală.Din calcul rezultă Valoarea calculată se compară cu cea determinată direct de pe graficul din fig. A 1.1.c) Se calculează în Matlab coeficientul , pentru fiecare din cele trei tipuri de concentratori de tensiuni, folosind datele experimentale din tabelul 3 si relaţia (5).d) Pe baza determinărilor anterioare se pot formula următoarele concluzii:- limita de oboseală la oţeluri este aproximativ = 107 MPa, iar numărul de cicluri de baza variază funcţie de material;- exponentul al curbelor de oboseală rezultă aproximativ 9, atât din calcul cât şi din grafic, pentru toate oţelurile;- comportarea la oboseală este diferită funcţie de tipul concentratorului de tensiuni şi materialul epruvetei (valori diverse pentru coeficientul );- se pot formula măsuri pentru creşterea rezistenţei la oboseală a pieselor (funcţie de material, concentratori de tensiuni).

ANEXA 1

8 Laborator Organe de maşini

REZULTATE EXPERIMENTALE ALE ÎNCERCĂRILOR DE OBOSEALĂ

Tabelul 1.1

Material

Tip concentratorfără canal de pană Filet

[MPa]

[cicluri]

[MPa] [cicluri]

[MPa] [cicluri]

OL 60

OLC 20

Lucrarea 1 Încercări de oboseală 9

Tabelul 1.1 (continuare)

Material

Tip concentratorfără canal de pană Filet

[MPa]

[cicluri]

[MPa] [cicluri]

[MPa] [cicluri]

OLC 45

OLC

10 Laborator Organe de maşini

Tabelul 1.1 (continuare)

MaterialTip concentrator

fără canal de pană Filet [MPa]

[cicluri]

[MPa] [cicluri]

[MPa] [cicluri]

Lucrarea 1 Încercări de oboseală 11

REPREZENTĂRI GRAFICE ÎN MATLAB 6.5

Fig. 1.1

Fig. 1.2