Способ испытаний материалов на трещиностойкость при циклическом кручении

 

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для испытания материалов на трещиностойкость с определением коэффициента интенсивности по моде Ш при циклическом кручении. Способ включает операции приложения к образцу крутящего момента и регистрацию поврежденности материала, по которой определяют крутящий момент и коэффициент интенсивности напряжений K_III. Новым в способе является то, что нагружение образца осуществляют при постоянном угле закручивания закрепленного в активном захвате конца образца и определяют параметр его сопротивления воздействию нагрузки путем измерения в период нагружения углов перемещений закрепленного в пассивном захвате конца образца, а о поврежденности судят по указанному параметру, определенному из приведенного соотношения. 2ил.

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для испытания материалов на трещиностойкость с определением коэффициента интенсивности по моде III при циклическом кручении.

Известен способ определения параметров трещиностойкости, включающий операции циклического нагружения образца материала с выращенной усталостной трещиной, вызывающего скачки трещины, и регистрируют параметры, при которых происходит скачок и рассчитывают вязкость разрушения при циклическом нагружении [1] .

К недостаткам этого способа следует относить необходимость выполнения инициирующего надреза, выращивание из надреза исходной трещины, что позволяет оценивать трещиностойкость материалов при развитии одной строго направленной трещины, поэтому он имеет ограниченные функциональные возможности.

Известен способ определения усталостного повреждения материала, заключающийся в том, что образец подвергают знакопеременному циклическому нагружению при заданной амплитуде нагрузки, измеряют в процессе нагружения деформацию образца в соседних полуциклах и по отношению деформаций судят об усталостном повреждении [2] .

К недостаткам данного способа следует относить сложность определения деформаций в соседних полуциклах, невозможность применения в случае нагружения образца с постоянной деформацией и использование сложной специальной аппаратуры.

В качестве прототипа выбран способ испытаний материалов на трещиностойкость при циклическом кручении, заключающийся в том, что концы образца материала закрепляют соответственно на активном и пассивном захватах, через активный захват нагружают его крутящей нагрузкой и определяют поврежденность и коэффициент интенсивности напряжений, по которым судят о трещиностойкости материала [3] .

К недостаткам этого способа относятся использование в качестве объекта испытаний цилиндрических образцов с кольцевым надрезом, что исключает возможность исследования развития трещин в других направлениях; применение специального оборудования для регистрации смещения берегов надреза, невозможность применения образцов, имеющих другую форму поперечного сечения.

Целью изобретения является расширение номенклатуры используемых образцов путем обеспечения испытаний образцов с различными формами рабочих сечений.

Это достигается тем, что в известном способе испытаний материалов на трещиностойкость при циклическом кручении, заключается в том, что концы образца материала закрепляют соответственно на активном и пассивном захватах, через активный захват нагружают его крутящей нагрузкой и определяют поврежденность и коэффициент интенсивности напряжений, по которым судят о трещиностойкости материала, согласно изобретению нагружение образца осуществляют при постоянном угле закручивания закрепленного активном захвате конца образца и определяют параметр его сопротивления воздействию нагрузки путем измерения в период нагружения углов перемещения закрепленного в пассивном захвате конца образца, а о поврежденности судят по указанному параметру, определенному из следующего соотношения: Ψ = n_i/n_о, где Ψ - параметра сопротивления воздействию нагрузки образца; n_i - показатель угла перемещения закрепленного в пассивном захвате конца образца в i-й момент времени нагружения; n_о - показатель угла перемещения закрепленного в пассивном захвате конца образца в начале нагружения.

При размещении динамометра на пассивном захвате образца изменение сигнала с динамометра пропорционально изменению поврежденности, т. е. чем ниже величина Ψ, тем меньше сигнал с динамометра. При развитии поврежденности перемещение пассивного захвата пропорционально уменьшается, тогда как перемещение активного захвата остается постоянными.

Что касается фактора n, то речь идет об эквивалентном показателе сопротивления воздействию нагрузки, определяемому в неявном виде.

Абсолютный показатель сопротивления воздействию нагрузки в явном виде трудно определим. Поэтому определяют не абсолютные значения, а их эквиваленты, т. е. n_о - эквивалентно показателю сопротивления воздействию нагрузки в начальный момент, а n_i - эквивалентно показателю сопротивления воздействию нагрузки в i - момент времени, тогда отношение n_i/n_о эквивалентно отношению показателей сопротивления воздействию нагрузки в абсолютных значениях.

Зная относительный показатель сопротивления воздействию нагрузки (поврежденность), определяют коэффициент интенсивности напряжений К_III и скорость развития поврежденности d Ψ /dN.

На фиг. 1 приведена установка, на которой реализуется способ; на фиг. 2 - кинетические диаграммы усталостного разрушения стали 18Х1Т, где (1 - цилиндрический образец с кольцевой трещиной; 2 - цилиндрический образец с ансамблем трещин; 3 - призматический образец с боковым надрезом).

Установка (фиг. 1), на которой реализуется предлагаемый способ, содержит станину 1 и размещенные на ней пассивный 2 и активный 3 захваты. К пассивному захвату жестко прикреплен динамометр 4. Установка снабжена механизмом 5 осевого перемещения захвата 3 и механизмом 6 поворота захвата 3, а также регистрирующей аппаратурой 7, включающей тензосистему и регистрирующий прибор - осциллограф (на чертеже не показаны), а также оптическую систему, содержащую пару объективов 8, жестко закрепленных на кронштейне 9 для визуального контроля и источника света (на чертеже не показано). Образец 10 размещен в захвате 2 и 3.

П р и м е р 1. Испытаниям подвергали гладкий цилиндрический образец 10 с радиусом рабочей части R= 16 мм из стали 18ХГТ. Образец 10 устанавливали в пассивный 2 и активный 3 захваты. Механизмом 6 поворота активного захвата задавали угол поворота активного захвата 3, который поддерживали постоянным в ходе всего испытания. За развитием кольцевой трещины (фиг. 1) следили с помощью оптической системы 8 динамометра 4 по ширине светящейся полосы.

Экспериментальные значения определенных параметров представлены на фиг. 2. При этом К_IIIfc= 43,1 МПа.

П р и м е р 2. Испытаниям подвергали гладкий цилиндрический образец с радиусом рабочей части R= 16 мм из стали 18ХГТ. Образец 10 устанавливали в пассивный 2 и активный 3 захваты. Механизмом поворота активного захвата 3 задавали угол поворота активного захвата, который поддерживали постоянным в ходе всего испытаний. За развитием ансамбля радиальных и кольцевых трещин следили с помощью оптической системы 8 динамометра 4 по ширине светящейся полосы. Экспериментальные значения определенных параметров представлены на фиг. 2. При этом К_IIIfc= 41,18 МПа .

П р и м е р 3. Испытаниям подвергали образец из стали 18ХГТ с рабочим участком, имеющим квадратное сечение со стороной квадрата 5,0 мм. Испытания проводили, как в примере 1. При этом К_IIIfc= 42,75 МПа .

Результаты испытаний сравнивались с результатами, полученными по известному способу (3) для кольцевых трещин. Для стали 18ХГТ значение К_IIIfc= 42,5 МПа.

Таким образом, предложенный способ испытания материалов на трещиностойкость при циклическом кручении дает результаты, удовлетворительно совпадающие с известным, в то же время этот результат получен значительно проще без дополнительного специального оборудования и позволяет определять К_III в случае развития ансамбля радиальных и кольцевых трещин.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет исследовать образцы с различной формой сечения рабочего участка, получая при этом сопоставимые результаты.

(56) Кудряшов В. Г. и Смоленцев В. И. Вязкость разрушения алюминиевых сплавов. М. : Металлургия, 1976, с. 56-68.

Авторское свидетельство СССР N 879383, кл. G 01 N 3/32, 1979.

Метод испытания металлов на циклическую трещиностойкость при продольном сдвиге. Андрейкив А. Е. , Гординский И. П. , Зазуляк В. А. , Иваницкий Я. Л. //Препринт N 142 Физико-механического института им. Г. В. Карпенко АН УССР. Львов, 1987, с. 22.

Формула изобретения

СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ НА ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ КРУЧЕНИИ , заключающийся в том, что концы обpазца матеpиала закpепляют соответственно на активном и пассивном захватах, чеpез активный захват нагpужают его кpутящей нагpузкой и опpеделяют повpежденность и коэффициент интенсивности напpяжений, по котоpым судят о тpещиностойкости матеpиала, отличающийся тем, что, с целью pасшиpения номенклатуpы используемых обpазцов путем обеспечения испытаний обpазцов с pазличными фоpмами pабочих сечений, нагpужение обpазца осуществляют пpи постоянном угле закpучивания закpепленного в активном захвате конца обpазца и опpеделяют паpаметp его сопpотивления воздействию нагpузки путем измеpения в пеpиод нагpужения углов пеpемещения закpепленного в пассивном захвате конца обpазца, а о повpежденности судят по указанному паpаметpу, опpеделенному из следующего соотношения: Ψ = n_i / n_o , где Ψ - параметр сопротивления воздействию нагрузки образца; n_i - показатель угла перемещения закрепленного в пассивном захвате конца образца в i-й момент времени нагружения; n₀ - показатель угла перемещения закрепленного в пассивном захвате конца образца в начале нагружения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2