Образец для испытания материалов на термомеханическую усталость

 

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. Цель изобретения - повышение точности путем уменьшения контактных напряжений при постоянном изгибающем моменте. Образец выполнен в виде кольца, торцовые поверхности которого выполнены в виде параболлоида вращения, описываемого уравнением B = K <SP POS="POST">.</SP> R<SP POS="POST">N</SP>, где B - текущая координата

R - расстояние от центра кольца

K, N - постоянные коэффициенты. Образцу придают вращательное движение, прикладывают нагрузку и подают высокотемпературный поток. Форма образца позволяет упростить расчет прочностных характеристик. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 N 3/60

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ъ = k r", ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР

1 (21) 4360678/25-28 (22) 07.01.88 (46) 30.01.90. Бюл. У 4 (71) Институт проблем прочности

АН УССР (72) Г.Н. Третьяченко и В.Г. Барило (53) 620. 178(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1381372, кл. G 01 N 3/60, 1986. (54) ОБРАЗЕЦ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ

НА TEPMOMEXAHH×ÅCÊÓÞ УСТАЛОСТЬ (57) Изобретение относится. к испытательной технике, к испытаниям на прочность. Цель изобретения - повышение

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к испытаниям на прочность.

Цель изобретения — повышение точности путем уменьшения контактных напряжений при постоянном изгибающем моменте.

На чертеже показана схема нагружения предлагаемого образца.

Образец 1, выполненный в виде кольца с цилиндрической боковой наружной поверхностью имеет рабочую кромку 2 и торцовые поверхности 3, выполненные в виде параболлоида вращениа, образующие которого описываются уравнением где Ь вЂ” текущая координата;

r — расстояние от центра кольца;

k и и — постоянные коэффициенты.

Нагружение ведут с помощью приводного 4 и нажимного 5 роликов. Переме„„SU„„1539590 А1

2 точности путем уменьшения контактных напряжений при постоянном изгибающем моменте. Образец выполнен в виде кольца, торцовые поверхности которого выполнены в виде параболлоида вращения, описываемого уравнением Ь =

= k r ", где Ь вЂ” текущая координата;

r — - расстояние от центра кольца; k, и — постоянные коэффициенты. Образцу придают вращательное движение, прикладывают нагрузку и подают высокотемпературный поток. Форма образца позволяет упростить расчет прочностных характеристик. 1 ил. щение образца 1 ограничивается ограничителями 6.

На чертеже изображен также двигатель 7 вращения роликов 4 и 5 и грузы

8 усилия прижатия.

На чертеже приняты. следующие обозначения:

R — внутренний радиус образца;,, R — наружный радиус образца;

r — текущий радиус образца;

b — текущая. координата торцовой поверхности образца.

Испытания образца осуществляют .ледующим образом.

Образец 1 размещают между приводным

4 и нажимным 5 роликами и ограничителями 6 и с помощью двигателя 7 придают ему вращательное движение. Образец

1 нагружают механически с помощью гру- зов 8 посредством нажимного ролика 5.

При этом на рабочей кромке образца поa(6r r ) г" аг

3 1539590 вляются изгибающие циклические мехаНические напряжения, а на наружной циЛиндрической поверхности образца воз-. никают контактные напряжения. Одновре- 5 менно с механическим нагружением че. рез внутреннее отверстие продувают образец 1 высокотемпературным газовым

Потоком, который получают, например, в камере сгорания (не показана). Тем- 10

Пературу .газового потока изменяют по аданной программе. В результате возействия газового потока на рабочую ромку образца в ней одновременно с еханическими возникают и термические 15 1апряжения, величина которых зависит от геометрических параметров образ ца и термодинамических параметров га зового потока. Под действием циклиеских термических и механических 20 напряжений в испытуемом образце на его рабочей кромке появляются трещины.

Термомеханическую усталость материала определяют по количеству теп- 25 посмен и циклов механического нагру жения до появления трещин на рабочей ромке 2.

Программа изменения температуры газового потока, величина грузов 8, 30 ,а также размеры к .и,R образца и.па раметры k и и торцовой параболической поверхности образца задают необ:ходимый режим изменения теплового и напряженного состояния материала.

Предлагаемая форма образца обеспе- чивает возможность использования простых дифференциальных уравнений для расчета теплового с остояния материала: 40 а ат ЗТ вЂ” -(— ) = y—

r h+1 дг ar at где r - текущий радиус: п — параметр параболической поверхности образца; — коэффициент температуропроводности материала;

Т вЂ ., температура материала образца;

t — время, и для расчета термонапряженного состояния материала: где ܄— радиальные термические напряжения; тангенциальные термические напряжения.

Интегрирование этих уравнений с учетом дополнительных условий дает расчетные формулы для определения температур и напряжений в образце, т ° е. предлагаемая форма образца относится к простейшим формам вращения типа цилиндр, шар, диск и т.д., имею-, щим простые решение теплового и напряженного состояния материала в аналитическом виде.

Возможность точного определения теплового и напряженного состояния материала в образце предлагаемой формы сочетается с возможностью получения трещин термомеханической усталости на рабочей кромке образца при режимах эксплуатации, характерных для лопаток газовых турбин, до разрушения образца от контактных напряжений на наружной цилиндрической поверхности.

Например, при использовании образца-прототипа, изготовленного из стали 30 при отношении внутреннего радиуса образца к наружному, равном

0,5, и отношении наружного радиуса образца к радиусу нажимного ролика, равном единице, контактные напряжения достигают разрушающей величины, равной 6„= 850 MIIa, при очень небольших изгибающих напряжениях на кромке, равных й„„= 35 MIIa. Разрушающие изгибающие напряжения для стали 30 значительно больше и соответственно равны 6„,„, = 600 MIIa (при малом числе циклов (10-100) и 2„

200 MIIa (при большом числе циклов (10 ) .

Следует отметить, что увеличение изгибающих напряжений на кромке кольцевого образца путем изменения его размеров, т.е. высоты кольца и его наружного радиуса, при неизменном соотношении внутреннего и наружного радиусов вызывает увеличение контактных напряжений. Если при этом уменьшить сжимающее усилие, чтобы контактные напряжения не увеличились, изгибающие напряжения также не увеличатся. Это следует из известных формул для расчета контактных и изгибающих напряжений в кольце.

В образце предлагаемой формы, увеличивая параметр п>задающий форму торцовой поверхности, можно в десятки и сотни раз увеличить изгибающие напряжения на рабочей кромке образца, 1539590 не изменяя соотношение внутреннего и наружного радиусов кольца, сжимающие усилия и контактные напряжения на наружной цилиндрической поверхности . кольца. При этом трещины термомеха5 нической усталости можно получить при реальных уровнях термических и механических напряжений и при малой величине контактных напряжений. 10

Например, для стали 30 максимально допустимые значения контактных напряжений, равных 6,„ = 850 MIIa, досR) тигаются при — = 0 5 изгибающие напр У У 15 ряжения при тех же условиях будут равны: при и, равном 2, — Ь|, = 92 MIIa, при п, равном 4, — 6,= 330 МПа, при п, равном 10, — Ь„з,= 2800 MIIa ° Уменьшив в семь раз сжимающее усилие, по- 20лучим, что при и, равном 10, -6„=

= 321 MIIa, а „,= 400 МПа.

Таким образом, предлагаемая форма образца позволяет осуществлять исследования на термомеханическую усталость материалов в широком диапазоне свойств в том числе и материалов,имйющих контактную прочность существенно ниже чем у стали.

Формула изобретения

Образец для испытания материалов на термомеханическую усталость, выполненный в виде кольца с цилиндри- ческой боковой наружной поверхностью, отличающийся тем, что, с целью повышения точности путем уменьшения контактных напряжений при постоянном изгибающем моменте, торцовые поверхности кольца выполнены в виде параболлоида вращения, образующие которого описываются уравнением вида

Ь = 1."г" где Ь вЂ” текущая координата;

r — расстояние от центра кольца;

k и — постоянные коэффициенты.