Материал: lektsia_6

2. Испытание стойкости материалов

Общие требования при испытании стойкости материалов. Испытание стойкости материалов, т.е. их сопротивляемости разрушению, износу, коррозии, кавитации и другим процессам, является исходным для суждения о надежности тех изделий, где эти процессы игра­ют основную роль в потере работоспособности. В результате этих испытаний должны быть получены данные о скорости протекания процессов при действии различных факторов или о критических зна­чениях параметров, при которых возникают нежелательные формы процесса разрушения. Основной целью испытаний стойкости мате­риала является установление зависимостей, связывающих характери­стики материала с воздействиями, приводящими к его разрушению. Наиболее ценной является аналитическая закономерность, связыва­ющая процесс разрушения материала с физическими константами. Однако такую зависимость, которая является достаточно универсаль­ной, часто трудно получить из-за сложности физико-химических процессов, и она, как правило, относится к категории физических законов. Практические цели испытаний обычно более узки и сводят­ся к получению данных о стойкости материала в заданном диапазо­не условий его работы. Эти данные могут быть выражены в виде ана­литических зависимостей, таблиц, графиков или в иной форме.

Общие требования , которые предъявляются к испытани­ям материалов на тот или иной вид разрушения, следующие:

• испытания должны проводиться в условиях, возможно ближе моде­лирующих условия эксплуатации материалов в конструкциях или машинах, и соответственно выбрать вид нагружения образцов, дей­ствующие нагрузки, скорости, температуры, условия смазки и др.;

• конструкция испытательной машины должна обеспечивать весь необходимый диапазон условий испытания;

• испытания (методы, испытательные машины, образцы) долж­ны быть стандартными и обеспечивать сопоставимость ре­зультатов, проведенных различными исследователями;

• условия и метод испытания должны обеспечить получение ха­рактеристик, оценивающих работоспособность материала и данных условиях с наименьшим влиянием конструктивных особенностей образцов. Это позволит использовать данные испытания для оценки надежности различных деталей, учетом особенности их конструктивных форм;

• длительность испытания связана как с характером протекания процесса (например, наличием периодов с различной

физикой процесса), так и с точностью измерения хода процес­са. Чем выше точность методов оценки степени повреждения, тем может быть больше сокращена длительность испытаний; • при одновременном испытании нескольких образцов могут применяться различные планы испытаний, которые определя­ют условия проведения и критерии прекращения испытания. В основу разработки методики и порядка испытания стойко­сти материала должен быть положен соответствующий физичес­кий закон, в общей форме описывающий данный процесс—-уп­ругой и пластической деформации материала, изнашивания, ус­талостного разрушения и др. Испытания должны определить параметры данного закона для выбранных условий и материа­лов или те характеристики процесса старения, которые необхо­димы для оценки надежности изделий, выполненных из исследо­ванных материалов и работающих в аналогичных условиях.

Исследовательские и контрольные испытания стойкости матери­алов. При испытании стойкости материалов могут протекать раз­личные по своей природе процессы. Поэтому разработка методов контрольных испытаний, необходимых для оценки степени пригод­ности данного материала из условия надежности, проводится на основе исследовательских испытаний по выявлению основных за­кономерностей процесса. Например, при оценке износостойкости материала необходимо не только определить скорость изнашива­ния и класс износостойкости, но и убедиться, что физическая сущ­ность процесса и вид износа соответствуют принятой концепции. Для проведения исследовательских испытаний на износ необходи­мо иметь как испытательный стенд и приборы для измерения вели­чины и интенсивности износа (что достаточно для контрольных испытаний), так и аппаратуру для исследования физики процесса.

Исследовательские испытания на износ включают обычно метал­лографические исследования тонких поверхностных слоев для оцен­ки структурных превращений под влиянием сил трения и тепла в зоне контакта. При этом применяются специальные приемы, напри­мер метод косого среза, для выявления переходных зон поверхно­стного слоя. Исследуется также микротвердость структурных со­ставляющих, механические характеристики материала, его теплофизические свойства, геометрия поверхностного слоя (шероховатость, волнистость), его напряженное состояние и другие характеристики.

Проведение контрольных испытаний материалов без предва­рительного комплекса исследовательских испытаний часто не дает желаемого результата, так как без понимания физических процессов, происходящих при работе деталей машин, нельзя сде­лать правильные выводы из формально проведенного испыта­ния. В специальной литературе имеются описания стендов и машин для испытания на трение и износ, усталостную прочность, контактную усталостную прочность, коррозионную стойкость и другие виды разрушения материалов.

ГОСТ 16504-74 предусматривает также классификацию испы­таний в зависимости от основного вида воздействий на данный образец или деталь. Различают механические, электрические, теп­ловые, гидравлические (пневматические), радиационные, электро­магнитные, магнитные, биологические, климатические и химичес­кие испытания. Такие испытания наиболее характерны для оцен­ки стойкости материалов, так как сложное изделие, как правило, подвергается нескольким видам воздействий.

Выбор режима нагружения. Поскольку сопротивление матери­ала различным воздействиям зависит от их вида и уровня, при ис­пытании стойкости материала необходимо выбрать режим нагру­жения образца, т.е. весь комплекс силовых, тепловых и иных воз­действий, влияющих на интенсивность данного процесса разруше­ния (старения). Материал изделий при работе машины в различ­ных эксплуатационных условиях подвергается, как правило, ши­рокому диапазону воздействий, что во многом определяет веро­ятностную природу протекания процесса разрушения или старе­ния и должно быть учтено при испытаниях. Обычно практику ин­тересует поведение материала в различных условиях работы с тем, чтобы оценить его стойкость и сделать прогноз о надежности изделия. Вместе с тем длительность испытания на надежность и большое число действующих факторов затрудняют получение оценок при всех возможных вариантах нагружения. Поэтому при испытании обычно применяют специально выбранные условия и режимы, которые позволят в наибольшей степени характеризо­вать стойкость изделия при эксплуатации. Возможны следую­щие варианты нагружений при оценке стойкости материалов.

1. Испытание проводится при постоянном режиме, который отражает либо типичные условия эксплуатации, либо наиболее интенсивные из допустимых воздействий.

2. Результаты испытаний позволят сделать выводы о возможно­стях материала, но не пригодны для оценки надежности изделий, для которых этот материал будет применяться, даже при высо­кой достоверности полученных данных.

3. Испытание проводится при нескольких типовых режимах, которые отражают наиболее распространенные случаи эксплуата­ции изделия. Хотя здесь информация более обширна, но она по­зволяет обычно судить лишь о возможном диапазоне применения материала и также недостаточна для расчета надежности изделия.

4. Испытания проводятся при различных сочетаниях основных факторов в диапазоне тех условий, которые характерны для рабо­ты материала при эксплуатации изделия. Объем испытаний должен быть таким, чтобы была выявлена закономерность процесса, его за­висимость от основных изменяемых параметров. Такие результа­ты, полученные при исследовательских испытаниях, хотя и весьма трудоемких, являются основой для последующего прогнозирова­ния надежности изделия. Трудоемкость испытаний может быть сни­жена, если раскрыта физическая картина процессов и если приме­няются методы планирования многофакторных экспериментов.

Таким образом, при планировании режимов нагружения для ис­пытания стойкости материалов оценивают больший или меньший ди­апазон условий работы образца и для каждого режима нагружения определяется соответствующий выходной параметр — величина по­нуждения или скорость процесса повреждения .

Хотя при большом числе вариантов нагружения и возможно получение закономерностей, учитывающих влияние основных факторов, этого может быть недостаточно для оценки надежности изделия, так как режимы работы изделия в условиях эксплу­атации неравномерны и подчиняются законам рассеивания.

Для непосредственного использования результатов испытаний при расчете надежности изделия должен быть получен закон распре-

деления скоростей процесса старения (изнашивания) для предпола­гаемых условий эксплуатации, для чего необходимо проведение спе­циальных испытаний, в которых сочетаются физические и статисти­ческие методы оценки скорости протекания процесса старения.

4. Ускоренные испытания на надежность

Актуальность ускоренных испытаний. Сокращение времени на проведение испытаний на надежность является проблемой, имею­щей первостепенное значение с точки зрения экономии средств, идущих на испытания, и сокращения сроков освоения новых из­делий. Высокие требования надежности, предъявляемые к совре­менным машинам, приводят к тому, что доведение изделия до от­каза при режимах работы, соответствующих эксплуатационным, требует весьма длительных испытаний, гораздо больших, чем ус­тановленный для изделия ресурс. Если же требуются также стати­стические данные по наработкам до отказа, то часто организация таких испытаний становится практически неосуществимой.

При ускоренных испытаниях изделий применяются такие мето­ды и условия их проведения, которые обеспечивают получение не­обходимого объема информации в более короткий срок, чем в пре­дусмотренных условиях и режимах эксплуатации (ГОСТ 16504-74). Различают форсированные испытания, основанные на интенсифика­ции процессов, вызывающих отказы или повреждения, и сокращен­ные испытания без интенсификации этих процессов.

Трудность разработки методов ускоренных испытаний заклю­чается в том, что всякая интенсификация процессов разрушения или старения приводит к искажению истинной картины потери изделием работоспособности .

Перед исследователем всегда встает вопрос—возможно ли на основании этих искаженных данных сделать суждение о по­ведении изделия в нормальных условиях эксплуатации, и если да, то как осуществить оценку надежности изделия?

Обычно положительный ответ на данный вопрос связан с объектом испытания, с его сложностью и теми задачами, кото­рые ставятся при испытании. При испытании стойкости материалов и надежности простых из­делий с одним ведущим процессом повреждения имеется, как пра­вило, больше возможностей для форсирования испытаний, чем для сложных изделий. Чем сложнее изделие, тем большее число его эле­ментов работает в различных динамических условиях и форсиро­вание процесса потери изделием работоспособности по-разному скажется на изменении состояния отдельных его частей и тем боль­ше будет искажение общей картины потери машиной работоспо­собности по сравнению с нормальными условиями эксплуатации.

Возможность проведения ускоренных испытаний осложняет­ся еще тем, что реальные условия нагружения любой машины при ее эксплуатации характеризуются спектром нагрузок веро­ятностной природы.

Поэтому при разработке методов проведения ускоренных ис­пытаний необходимо учитывать следующее:

• изменение условий испытания по сравнению с эксплуатацион­ными должно находиться в пределах, допускающих пересчет на нормальные условия работы изделия;

• при планировании режимов испытаний необходимо знать спектр эксплуатационных нагрузок и его вероятностные ха­рактеристики;

• чем сложнее изделие, тем меньше возможностей по интенси­фикации процессов, приводящих к отказам и повреждениям;

• испытание сложных изделий необходимо сочетать с расчета­ми и прогнозированием надежности, а также с использовани­ем априорной информации о надежности аналогов и комплек­тующих изделий.

Эффективность ускоренных испытаний можно охарактеризовать коэффициентом ускорения К_у, равным отношению вре­мени Т_у затраченному на получение требуемой информации о надежности при испытаниях в условиях, аналогичных эксплуатационным, ко времени Ту, в течение которого эта информация получена методом ускоренных испытаний:

Сокращенные испытания. Сокращение длительности испыта­ний без интенсификации процессов старения и разрушения мо­жет быть достигнуто различными методами.

Наиболее простой метод заключается в уплотнении испыта­ний по времени — в сокращении холостых ходов и простоев, в круглосуточной непрерывной работе изделия и т.п. Однако ис­пользовать этот простой метод ускорения испытаний можно только после анализа влияния перерывов в работе изделия на интенсивность процесса разрушения. Здесь могут встретиться различные случаи. Например, увеличение частоты циклов на­грузки при усталостных разрушениях в большинстве случаев не влияет на конечный результат, в то время как при изнашивании деталей наличие перерывов в работе может как увеличивать из­нос (например, при жидкостном трении в подшипниках сколь­жения), так и уменьшать его (например, при эксплуатации ме­таллорежущего инструмента, при перерывах в работе он охлаж­дается). Если при испытаниях ликвидированы все холостые ходы Т_х и имеет место непрерывная работа Т_р то:

Сокращение длительности испытаний будет также при одно­временном испытании возможно большего числа изделий, что до­стижимо для сравнительно простых изделий.

Для быстрейшего получения информации о надежности сложных машин без искажений условий эксплуатации часто выделяют лидера (применяемый в авиации термин) — машину, которая эксплуатиру­ется непрерывно в заданных, как правило, наиболее тяжелых усло­виях. При испытании производят измерение всех ее основных пара­метров и характеристик. В результате такого испытания данные о надежности машины-лидера накапливаются значительно быстрее, чем для аналогичных машин, находящихся в эксплуатации.

Непрерывные испытания лидера приводят к более быстрому накоплению информации об изменении выходного параметра X, чем при испытании с наличием перерыва в работе.

Трудности для суждения о надежности всей генеральной со­вокупности машин заключаются в том, что испытываются одна- две машины, которые обладают индивидуальными особенностя­ми, и методы статистики здесь неприменимы.

Уплотнение испытаний по времени не искажает в большинстве случаев процесса потери изделием работоспособности, но дает за­метный эффект лишь для тех изделий или их элементов, которые мало загружены в процессе нормальной эксплуатации. Напри­мер, механизм подъема и опускания токоприемника работает только при пусках и остановках электровоза, система управления быстродействующим выключателем — при пусках и остановках, а также при возникновении аварийных режимов, что занимает незначительную долю в балансе рабочего времени электровоза.

Все эти устройства испытываются в режиме непрерывной ра­боты, что позволяет за сравнительно короткое время получить необходимую информацию об их надежности без интенсифика­ции процессов повреждения. Поэтому такие узлы и механизмы целесообразно испытывать отдельно от машины.

Однако для многих устройств с высокой загрузкой при эксп­луатации (например, устройства СЦБ работают круглосуточно) п для механизмов, работающих в течение основного времени цикла машины — колесные пары, экипажная часть, указанный метод ускорения не пригоден.

При испытании сложных изделий сокращенные испытания проводятся только для некоторых характеристик надежности, например запаса надежности. В этом случае испытание изделия сводится к оценке его области состояний без определения ее из­менения в процессе эксплуатации. Поэтому время, затрачиваемое на испытание изделия, включает лишь оценку его работоспособ­ности при различных режимах и условиях работы и не учитыва­ет процессов старения. Для более полного суждения о надежно­сти изделия здесь необходимо прогнозирование процесса изме­нения выходных параметров или моделирование этих процессов.

Достоинство перечисленных методов — малое искажение тех явлений, которые имеют место в машине при ее эксплуатации. Однако достоверность суждений о надежности изделий в сильной степени зависит от правильности построения модели отказов и от совершенства методов прогнозирования и моделирования.

Форсирование режимов испытания. Применение при испыта­нии более высоких нагрузок, скоростей, температур и других режимов работы изделия по сравнению с эксплуатационными интенсифицирует процессы повреждения и ускоряет наступле­ние отказа.

Однако этот метод ускоренных испытаний следует применять весьма осторожно, так как работа изделия при форсированных режимах может вызвать новые явления в процессах старения и разрушения, не характерных для применяемых условий эксплу­атации, и качественно изменить картину отказов. В этом случае приведение показателей надежности к нормальным условиям ра­боты изделия будет иметь формальный характер и может выз­вать грубые ошибки.

Форсирование режимов допустимо лишь в пределах извест­ного закона старения или разрушения материала изделия .

Предельные значения факторов, ускоряющих процесс, долж­ны выбираться, в первую очередь, исходя из условия сохране­ния физической природы отказа, т.е. чтобы вид и характер раз­рушения при нормальной эксплуатации и при работе на повы­шенных режимах были идентичны. Для определения коэффици­ента ускорения надо знать функциональную зависимость процес­са разрушения от данного параметра (скорости, нагрузки).

Например, при испытании изделий, которые выходят из строя в результате износа, для форсирования испытаний можно увели­чивать нагрузку р и скорость относительного скольжения ν.

Максимально допустимые значения p_mах и v_max определяют­ся условием сохранения данного вида изнашивания.

При линейной зависимости износа от р и v коэффициент уско­рения будет:

Обычно испытание при форсированных режимах более эффек­тивно для оценки стойкости материала к тому или иному виду разрушения и при знании закономерностей этого процесса.

Так, широко применяются методы испытания образцов на вы­носливость (усталость) с использованием известного уравнения, связывающего число циклов до разрушения N с действующим на­пряжением σ(уравнение кривой Велера):

Поэтому испытание при повышенных напряжениях приводит к сокращению числа циклов до разрушения. При известной кон­станте (для контактных напряжений обычно т = 3) возможен пересчет с более тяжелого режима работы σ₁ на облегченный с более высоким значением N₂>N₁ (в пределах ниспадающей ветви кривой усталости).

Существуют различные методы ускоренной оценки пределов выносливости, например метод ступенчатого нагружения (ГОСТ 19533-74).

Различные методы форсирования нагрузок при испытании ма­териалов и изделий часто базируются на принципах линейного накопления повреждений и независимости последующего израс­ходования ресурсов от предыстории .

На этом основан, например, так называемый «метод дола­мывания», когда вначале к объекту испытания прикладывается эксплуатационная нагрузка Р_н и он работает в течение некото­рого времени Т₁. Затем образец работает при повышенной на­грузке P_mах до тех пор (в течение времени Т₂), пока не достиг­нет предельного состояния (т. е. он «доламывается» на повы­шенных нагрузках). Поэтому время Т₁ задано, а период време­ни Т₂— случайная величина с математическим ожиданием М(Т₂). Суждение о работе до предельного состояния Т_н при эксплуатационной нагрузке можно сделать из условия, что при каждом режиме работы используется какая-то доля потенциаль­ной долговечности объекта (образца). Поскольку в результате испытания объект полностью теряет свою работоспособность, можно записать:

где М(Т_тах) — средняя наработка до отказа образца при действии толь­ко повышенной нагрузки Р_mах.

Из этого равенства определяется значение Т_н (его математи­ческое ожидание), поскольку все остальные величины известны из кратковременных испытаний.

В ряде случаев применим метод экстраполяции, если предпо­ложить, что имеется функциональная (обычно линейная) зависи­мость между нагрузкой и временем работы до отказа. Тогда проводят испытания при повышенных нагрузках Р₁, Р₂, ..., Р_k, соединяют наработки на отказ при каждом уровне нагрузок и продолжают линию до пересечения с абсциссой, соответствую­щей нормальной (эксплуатационной) нагрузке Р_н. Считают, что значение Т_н соответствует наработке на отказ при эксплуатаци­онных нагрузках. На точность метода значительное влияние оказывает значение максимальной нагрузки Р₁ = Р_тах, диапазон применяемых нагрузок и близость Р_к = Р _min к значению Р_к. Чем больше точность метода за счет увеличения числа испытаний и приближения Р_к к Р_H тем меньше эффект от форсирования.

При испытании сложных изделий форсирование нагрузок и скоростей приводит к неравномерному ужесточению условий работы отдельных элементов и поэтому искажает общую карти­ну потери изделием работоспособности. В этом случае часто ориентируются лишь на отдельные узлы и детали, находящиеся в наиболее напряженных условиях работы и в основном опре­деляющие надежность изделия — так называемые критичные де тали. По процессам старения, протекающим в этих деталях, су­дят о характеристиках надежности изделия.