Способ испытания образца на малоцикловую усталость в условиях плоского напряженного состояния

Изобретение относится к механическим испытаниям различных материалов. Сущность: устанавливают образец в виде плоской пластины в захватах испытательной машины с помощью рычагов Z-образной формы. Один конец пластины жестко соединяют через рычаг с верхним захватом испытательной машины, а другой с нижним захватом. Осуществляют нагружение образца поперечными силами путем осевого перемещения нижнего захвата относительно верхнего, создавая плоское напряженное состояние в образце. В зависимости от перемещения захвата вверх или вниз относительно пластины создают непрерывно меняющийся положительный или отрицательный пульсирующий цикл. Технический результат: расширение функциональных возможностей испытательной техники за счет реализации различных схем распространения трещин. 2 ил.

 

Изобретение относится к механическим испытаниям различных материалов, в частности к малоцикловым испытаниям на усталость при плоском напряженном состоянии.

Известен способ механического испытания (Патент №2040786), по которому образец устанавливают между двумя оправками и нагружают с помощью двух других оправок, расположенных по краям образца, отличающийся тем, что оправки размещают с противоположных сторон относительно продольной оси образца, а нагружение производят одновременно силами, направленными перпендикулярно оси образца. В результате возникает напряженное состояние, близкое к чистому сдвигу.

Недостатком указанного способа является то, что этот способ не позволяет проводить исследования малоцикловой усталости при плоском напряженном состоянии.

Известен также патент №2089875, на основании которого разработан образец для усталостных испытаний при сложном напряженном состоянии и способ усталостных испытаний образца при сложном напряженном состоянии, отличающийся тем, что, с целью повышения точности путем одновременного испытания двух образцов при одной истории напряженного состояния в их рабочих частях, испытывают установленный коаксиально первому второй образец, который жестко связывают торцами с соответствующими торцами первого образца.

Известным способом можно проводить испытания только трубчатых образцов, но он не может использоваться для плоских образцов.

Техническая задача - расширение функциональных возможностей испытательной техники за счет реализации различных схем распространения трещин.

Поставленная задача решается предложенным способом испытаний образца на малоцикловую усталость в условиях плоского напряженного состояния, заключающимся в установке образца в виде плоской пластины в захватах испытательной машины с помощью двух рычагов Z-образной формы, при этом один конец пластины жестко соединяют через рычаг с верхним захватом испытательной машины, а другой с нижним захватом, затем осуществляют нагружение образца поперечными силами путем осевого перемещения нижнего захвата относительно верхнего, создавая плоское напряженное состояние в образце, причем в зависимости от перемещения нижнего захвата вверх или вниз относительно пластины создают непрерывно меняющийся положительный или отрицательный пульсирующий цикл.

Предложенный способ иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 представлена схема расположения плоского образца в испытательной машине. На фиг. 2 показана схема напряженного состояния в области созданной трещины.

Схема содержит плоский образец 1, соединенный через рычаги 2 и 3 с испытательной машиной (машина не показана). Для соединения образца 1 с рычагами служат стальные накладки 4. На свободном конце рычага 2 выполнены отверстия 5 для крепления к неподвижному динамометру испытательной машины УМЭ-10-ТМ (машина не показана), а рычаг 3 на свободном конце имеет отверстие 6 для крепления к подвижному захвату испытательной машины.

Способ осуществляется следующим образом. Плоский образец 1 соединяется с рычагами 2 и 3 при помощи стальных накладок 4. Для крепления верхнего Z -образного рычага к динамометру испытательной машины служит отверстие 5, а для крепления нижнего Z -образного рычага к подвижной тяге машины отверстие 6. Крепление образца к нижнему и верхнему Z -образным рычагам осуществляется с помощью болтов 7.

При движении нижнего захвата вверх в рабочей части образца 1 за счет Z -образной формы рычагов возникает плоское напряженное состояние чистого сдвига, при котором по граням выделенного элемента действуют только касательные напряжения, равные по абсолютной величине. В зависимости от направления движения захвата, а следовательно, и знака действующих напряжений реализуется положительный или отрицательный пульсирующий цикл и в процессе испытаний определяются усталостные характеристики и оценивается кинетика роста трещин при различных схемах их распространения.

Пример 1. Пусть сила F изменяется в пределах от 0 до (-F), тогда главное напряжение σ₁ будет изменяться от 0 до σ₁, а второе главное напряжение от 0 до (-σ₃) (фиг. 1). Если нагрузка F непрерывно меняется от 0 до (-F), то получается положительный пульсирующий цикл малоциклового нагружения.

Если начальная трещина расположена по диагонали к рассматриваемому элементу и перпендикулярна главному напряжению σ₁ (фиг. 1), то имеет место случай плоского напряженного состояния, при котором трещина будет развиваться с максимальной скоростью.

Пример 2. Пусть сила F изменяется в пределах от 0 до (+F), тогда главное

напряжение σ₁ будет изменяться от 0 до σ₁, а второе главное напряжение от 0 до (-σ₃) (фиг. 2). Если нагрузка F непрерывно меняется от 0 до (+F), то имеет место положительный пульсирующий цикл малоциклового нагружения, при котором главное напряжение расположено вдоль трещины, и поэтому она увеличиваться не будет.

Пример 3. Пусть сила F изменяется от 0 до (-F), а затем непрерывно меняется от (-F) до (+F). Тогда получим комбинацию двух предыдущих примеров, при которых устье трещины будет циклически растягиваться и сжиматься. При этом скорость роста трещины будет несколько заторможена по сравнению с первым примером.

Способ испытаний образца на малоцикловую усталость в условиях плоского напряженного состояния, заключающийся в установке образца в виде плоской пластины в захватах испытательной машины с помощью рычагов Z-образной формы, при этом один конец пластины жестко соединяют через рычаг с верхним захватом испытательной машины, а другой - с нижним захватом, затем осуществляют нагружение образца поперечными силами путем осевого перемещения нижнего захвата относительно верхнего, создавая плоское напряженное состояние в образце, причем в зависимости от перемещения захвата вверх или вниз относительно пластины создают непрерывно меняющийся положительный или отрицательный пульсирующий цикл.