Способ испытания образцов материалов на трещиностойкость при циклическом нагружении

 

Изобретение касается исследования процессов усталостного разрушения материалов . Цель изобретения - повышение точности и информативности испытаний на циклическую трещиностойкость. Указанная цель достигается тем. что в способе испытаний образцов материалов на трещиностойИзобретение относится к исследованиям процессов усталостного разрушения материалов , а именно к способам экспериментальной оценки сопротивления материалов возникновению и распространению в них трещин под действием периодически изменяющихся по величине (циклических) напряжений, различно ориентированных относительно плоскости трещины .. кость при циклическом нагружении, заключающемся в том, что в образце материала выполняют надрез, циклически нагружают его по схеме трехточечного изгиба силой, расположенной посредине между опорами, и определяют количество циклов до зарождения трещины в вершине надреза, а также скорость распространения трещины, с учетом которых судят о трещиностойкости, нагружают серию дополнительных образцов из основного материала при различных расстояниях между опорами надрез в каждом образце выполняют V-образным глубиной t и радиусом р вершины, которые выбирают из следующего соотношения Ј L/I - 2, где L - расстояние между опорами; I - расстояние от точки приложения силы до вершины надреза, и определяют требуемые параметры. Кроме того, образец устанавливают надрезом в сторону .нагружающего упора w удаляют надрез от упора на расстояние I, величину которого выбирают из диапазона от ноля до половины расстояния L между опорами. 1 з.п.ф-лы, 7 ил. сл С Известен образец для испытания на межслойный сдвиг, содержащий в центральной части вдоль длинных боковых граней две симметричные щелевые прорези, ширина в рабочей зоны между которыми соответствует толщине плиты исследуемого материала, а высота н прорези составляет 0,1-0,4 от толщины плиты исследуемого материала , при этом высота Н образца соответствует толщине плиты исследуемого 4 00 О ю XI

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РеспуБлик (я)з G 01 N 3/32

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4822416/28 (22) 30.03.90 (46) 07.03.92. Бюл. М 9 (71) Львовский политехнический институт им. Ленинского комсомола (72) Ю.Н. Ленец, И.С. Керницкий и И,В. Панасюк (53) 620.174 (088.8) (56) РД-50 — 345 — 82. Методические y" êçÇýèèÿ.

Расчеты и испытания на прочность, Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости вязкости разрушения при циклическом нагружении. М., Изд-во стандартов, 1983, с. 35, рис.6а. (54) СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ МАТЕРИАЛОВ НА TPЕЩИНОСТОЙКОСТЬ

ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ (57) Изобретение касается исследования процессов усталостного разрушения материалов. Цель изобретения — повышение точности и информативности испытаний на циклическую трещиностойкость. Указанная цель достигается тем, что в способе испытаний образцов материалов на трещиностойИзобретение относится к исследованиям процессов усталостного разрушения материалов, а именно к способам экспериментальной оценки сопротивления материалов возникновению и распространению в них трещин под действием периодически изменяющихся по величине (циклических) нап ряжений, различно ориентированных относительно плоскости трещи-. ны.

» Ы,, 1718027 А1 кость при циклическом нагружении, заключающемся в том, что в образце материала выполняют надрез, циклически нагружают его по схеме трехточечного изгиба силой, расположенной посредине между опорами, и определяют количество циклов до зарождения трещины в вершине..надреза, а также скорость распространения трещины, с учетом которых судят о трещиностойкости, нагружают серию дополнительных образцов иэ основного материала при различных расстояниях между опорами надрез в каждом образце выполняют Ч-образным глубиной t и радиусом р вершины, которые выбирают из следующего соотношения рот а I /I — 2, где — расстояние между опорами; I — расстояние от точки приложения силы до вершины надреза, и определяют требуемые параметры. Кроме того, образец устанавливают надрезом в сторону нагружающего упора и удаляют надрез от упора на расстояние 1, величину которого выбирают из диапазона от ноля до половины расстояния L между опорами. 1 з.п,ф-лы, 7 ил.

Известен образец для испытания на межслойный сдвиг, содержащий в центральной части вдоль длинных боковых граней две симметричные щелевые прорези, ширина в рабочей эоны между которыми соответствует толщине плиты исследуемого материала, а высота н прорези составляет

0.1 — 0,4 от толщины плиты исследуемого материала, при этом высота Н образца соответствует толщине плиты исследуемого

1718027 материала, а ширина В образца в 1,5 — 2 раза превышает ширину рабочей зоны.

Основной недостаток способа испытаний данного образца заключается в том, что он предусматривает реализацию в материале обоазца только одноосного напряженно о состояния.

Известен способ испытаний образцов на циклическую трещиностойкость при трехточечном изгибе. Согласно этому способу образец исследуемого материала, содержащий концентратор напряжений в виде надреза произвольной формы и размеров, располагают на двух опорах, нагружают посредством упора и определяют исследуемые параметры. При этом вертикальные оси симметрии нагружающего упора и надреза совпадают, причем надрез расположен со стороны опор, По данным испытаний судят о трещиностойкости материала в условиях нормального отрь!ва.

Недостатком известного способа является неправомерность использования полученных результатов для расчета подавляющего большинства изделий; подверженных в процессе эксплуатации одновременному воздействию нормальных и касательных циклических напряжений, Цель изобретения — повышение точности и информативности испытаний путем реализации различного соотношения между величинами нормальных и касательных напряжений в вершине надреза (трещины), Укаэанная цель достигается тем, что согласно способу испытаний образцом материалов на трещиностойкость при циклическом нагру>кении, заключающемуся в том, что в образце материала выполняют надрез, циклически нагружают его по схеме трехточечного изгиба силой, расположенной посредине между опорами, и определяют количество циклов до зарождения трещины в вершине надреза, а также скорость распространения тре!цины, с учетом Ко торых судят о трещиностойкости, нагружают серию доп!олнительных образцов иэ материала основного при различных расстояниях между опорами, надрез в каждом образце выполняют t/-образным глубиной t радиу" îì р вершины, которые выбирают из следующего соотношения, Q L

1 где L — расстояние между опорами;

I — расстояние от точки приложения силы до вершины. надреза, и определяют требуемые параметры. Кроме того, образец устанавливают надрезом в сторону нагружающего упора и удаляют надрез от упора на расстояние 1, величину которого выбира15

25 >0

55 ют иэ диапазона от ноля до половины расстояния 1 между опорами.

На фиг.1 приведена графическая иллюстрация разработанного способа испытаний при трехточечном нагру>кении образца; на фиг.2 - расчетная схема нагружения образца по предлагаемому способу; на фиг.3,4— эпюры соответственно . перереэывающей силы и изгибающего моментов на фиг,5— схема испытаний образцов при четырехточечном нагружении образца; на фиг.6 — схема испытаний образцов на циклическую трещиностойкость; на фиг.7 — узел I на фиг, 1.

Предлагаемый способ основан на том. что на балку 1, подверженную трехточечному изгибу, действуют как изгибающий момент М, так и перерезывающая сила Р, значения которых определяются внешней нагрузкой F. При этом абсолютная величина силы Р постоянна (эа исключением сечения, расположенного в плоскости приложения внешней нагрузки F), а величина изгибающе ro момента изменяется вдол ь лл и н ы балки. Изменение 1 от 0 до /2 позволяет реализовать в исследуемом сечении образца спектр 2 напряженных состояний, характеризующихся любым соотношением напряжений нормального сжатия и поперечного сдвига, включая экстремальные ситуации "чистого сдвига" (i = L/2) или сжатия (I = О). B последнем случае целесообразно вместо одного упора использовать два нагружающихся упора 3 (см,фиг.5), т.е. реализовать схему четырехточечного изгиба.

При реализации предлагаемого способа необходимо инициировать разрушение в исследуемом сечении образца 1, характеризующемся соотношением а = Л г/h,o, а не в сечении, совпадающем с осью симметрии нагружающего упора 4 (см.фиг,1), в котором (см,фиг.4} действует наибольший изгибающий момент M.

Необходимо дополнительно обеспечить определенную минимальную концентрацию напряжений в вершине надреза, Этого можно достичь, связав зависимостью геометрические параметры надреза (p, с) с расстоянием между надрезом 2 . и нагружающим упором 4 (см.фиг,1), которое, в свою очередь, определяется требуемыми для данного эксперимента соотношением напряжений поперечного сдвига и нормального сжатия a = Ьт./Лп.

С целью конкретизации данного условия запишем выражения для изгибающих моментов, возникающих при нагружении образца силой, в исследуемом сечении (M) и сечении, совпадающем с осью симметрии

1718027 нагружающего упора 4 (Ммакс), используя обозначения силовых и геометрических факторов, приведенные на фиг.1.2,3,4. M = F/2 (! /2 — !); C1)

М(аакс = Е/2 1 /2, (2)

Тогда выражения для нормальных напряжений, действующих в рассматриваемых сечениях имеют вид (3) О

F/2 /2

Гтмакс (4)

Пмакс где W — момент сопротивления сечения образца в плоскости надреза;

В/макс — в момент сопротивления сечения образца без надреза;

Кб — коэффициент концентрации напряжений в вершине надреза.

Расчетное значение коэффициента концентрации напряжений для выбранного типа надреза составляет

= » = стмакс/»тном = 1 + 2 —, (5) р где t — глубина надреза; р — радиус вершины надреза (см.фиг.7), С учетом приведенных выкладок упомянутое ранее условие инициирования разрушения образца в исследуемом сечении принимает вид

Сгмакс < 0; (6)

/2 /2 !/2 — К

1/чмакс W

Очевидно, что момент сопротивления W исследуемого сечения, в котором выполнен надрез, всегда меньше момента сопротивления Э/макс сечения, совпадающего с осью нагружающего упора 4 (см. фиг.1), Для упрощения последующих математически выкладок целесообразно приравнять эти значения W = М/макс, что, в свою очередь, позволит перейти от строгого неравенства (6) к нестрогому

Омакс » (У. (8)

Подставив в (B) выражения (3), (4) и (5), после элементарных сокращений получаем математическую запись рассматриваемого условия в виде

L/2 < ((./2 — I) (1 + 2 ф. (9) из которого путем несложных преобразований приходим к выражению < /г — 2.

T. (10)

Пример, Из стали 35ХНЗМОА в состоянии после закалки и среднего отпуска изготовляют образцы сечением 9х18 мм длиной 200 мм, Глубина острого V-образного надреза 0,6 мм, а радиус его вершины

0,5 мм. Такие образцы циклически нагружают согласно предлагаемой схеме(фиг.1).

Расстояние и величину F нагрузки выбирают так, чтобы обеспечивать в исследуемом нетто-сечении образца пульсирующий цикл сжима(ощих напряжений с размахов Л(/ == Жлакс Стмин = Омакс 0 = 260 Мпа при следующих соотношениях размахов на.пряжений, вызывающих поперечный сдвиг и нормальное сжатие Q = ЛТ/Ло: 0,02; 0;03;

0,04; 0,05. Фиксируют количество циклов

10 нагрузки до зарождения усталостной трещины у вершины надреза (Na), а также скорость распространения усталостной трещины (Ч) в интервале ее длины 0 61—

1,00 мм.

15 Исходные данные: длина образца 200 мм, высота образца Н = 18 мм, ширина образца В = 9 мм. Расстояние между опорами

L/2 = 0,09 м. Размах нормальных напряжений Ao= 260 МПа, соотношения размахов

20 касательных и нормальных a =. Az /Ло=

= 0,02, О 03, 0,04, 0,05, Для значения а= 0,5 определим требуемое расстояние а также геометрические параметры надреза р и t.

Размах касательных напряжений

Лх =Лo ex=260 0,05=13 МПа.

Реакции опор

F/2 = hr S = 13 0,09 "0,01 = 2106 Н, Максимальная нагрузка

ЗО F =2 F/2 =4212 Н.

Размах напряжений в сечении, совпадающем с осью симметрии нагружающего упо.ра

Ммакс F/2 /2 12

35 Ой- — Я 2

B.Н

З9О мп, =З9ОМПа, 0,09 0,018

Изгибающий момент, действующий в сечении, совпадающем с осью надреза

М = Л (./ W = 260 ° 0 х

0,09 0,018 — 126,4 Н м.

Расстояние от правой опоры до сечения, совпадающего с осью надреза х — 2 М вЂ” г "264 — 6 00.10-2 М

F 4212

Расстояние между осями нагружаюшего упора и надреза

50 = 42 — х = 0,09 — 0,06 =- 0,03 M.

Для определенного таким образом значения !, рассчитываем геометрически параметры надреза

0,03

< 4; < 2, t

1718027

0,03

0,04

0,02

0,05

1150

1200

Из икл

3,1 ° 10

1,5.10

6,3.10

2,5 10

V,м/ икл

Из технологических соображений принимаем р- О 0 5 мм, тогда с, t >, 0,25 ìì.

0,5

Следовательно, геометрические параметры надреза удовлетворяют требованиям зарождения разрушения в исследуемом сечении при максимальном значении а = Ьт/Ьо- 0,05. Для остальных значений а это требование заведомо выполняется, поскольку уменьшение соотношения

Л г/Лоприводит к уменьшению расстояния

1и, следовательно, к уменьшению необходимой глубины надреза.

Результаты испытаний, приведенные в таблице, свидетельствуют о незначительном влиянии соотношения и на сопротивление исследуемой стали зарождению усталостной трещины у надреза, и существенном (в 10 раз) ускорении последующего роста трещины.

Количество циклов нагрузки до зарождения трещины и скорость ее распространения при различных значениях коэффициента а.

Следовательно, предлагаемый способ позволяет беэ дополнительных затрат оценить влияние сложного напряженного состояния (сжатие + сдвиг) на циклическую трещиностойкость материала на стадии возникновения и роста усталостной трещины, вследствие чего становится возможным повысит6 точность получаемых результатов.

Формула изобретения

1. Способ испытания образцов материалов на трещиностойкость при циклическом нагружении, заключающийся в том, что в образце материала выполняют надрез, циклически нагружают его по схеме трехточечного изгиба силой, расположенной

5 посередине между опорами, и определяют количество циклов до зарождения трещины в вершине надреза, а также скорость распространения трещины, с учетом которых судят о трещиностойкости, о т л и ч а ю щ и й10 с я тем, что, с целью повышения точности и информативности путем реализации различного соотношения между величинами нормальных и касательных напряжений в вершине надреза, нагружают серию допол15 нительных образцов из материала основного при различных расстояниях между опорами,.надрез в каждом образце выполняют V-образным глубиной т и радиусом р вершины, которые выбирают иэ следующе20 го соотношения

25 где L — расстояние между опорами;

1 — расстояние от точки приложения силы до вершины надреза, определяют количество циклов до зарождения усталостной трещины и скорость рас30 пространения трещины для каждого образца, с учетом которых судят о трещиностой кости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что образцы устанавливают на опоры

35 так, чтоб надрезы были обращены к прикладываемой силе.

1718027

Фиг. б

@418. 7

Составитель Ю.Ленец

Редактор C.Ïàòðóøåâà Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор M.Ïàæî

Заказ 873 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101