SU1718027A1 - Способ испытани образцов материалов на трещиностойкость при циклическом нагружении - Google Patents

Abstract

Изобретение касаетс  исследовани  процессов усталостного разрушени  материалов . Цель изобретени  - повышение точности и информативности испытаний на циклическую трещиностойкость. Указанна  цель достигаетс  тем. что в способе испытаний образцов материалов на трещиностойИзобретение относитс  к исследовани м процессов усталостного разрушени  материалов , а именно к способам экспериментальной оценки сопротивлени  материалов возникновению и распространению в них трещин под действием периодически измен ющихс  по величине (циклических) напр жений, различно ориентированных относительно плоскости трещины .. кость при циклическом нагружении, заключающемс  в том, что в образце материала выполн ют надрез, циклически нагружают его по схеме трехточечного изгиба силой, расположенной посредине между опорами, и определ ют количество циклов до зарождени  трещины в вершине надреза, а также скорость распространени  трещины, с учетом которых суд т о трещиностойкости, нагружают серию дополнительных образцов из основного материала при различных рассто ни х между опорами надрез в каждом образце выполн ют V-образным глубиной t и радиусом р вершины, которые выбирают из следующего соотношени  Ј L/I - 2, где L - рассто ние между опорами; I - рассто ние от точки приложени  силы до вершины надреза, и определ ют требуемые параметры. Кроме того, образец устанавливают надрезом в сторону .нагружающего упора w удал ют надрез от упора на рассто ние I, величину которого выбирают из диапазона от нол  до половины рассто ни  L между опорами. 1 з.п.ф-лы, 7 ил. сл С Известен образец дл  испытани  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 составл ет 0,1-0,4 от толщины плиты исследуемого материала , при этом высота Н образца соответствует толщине плиты исследуемого 4 00 О ю XI

Description

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

Основной недостаток способа испытаний данного образца заключаетс  в том, что он предусматривает реализацию в материале обоазца только одноосного напр женного состо ни .

Известен способ испытаний образцов на циклическую трещиностойкость при трехточечном изгибе. Согласно этому способу образец исследуемого материала, содержащий концентратор напр жений в виде надреза произвольной формы и размеров , располагают на двух опорах, нагружают посредством упора и определ ют исследуемые параметры. При этом вертикальные оси симметрии нагружающего упора и надреза совпадают, причем надрез расположен со стороны опор. По данным испытаний суд т о трещиностойкости материала в услови х нормального отрыва.

Недостатком известного способа  вл етс  неправомерность использовани  полученных результатов дл  расчета подавл ющего большинства изделий, подверженных в процессе эксплуатации одновременному воздействию нормальных и касательных циклических напр жений,

Цель изобретени  - повышение точности и информативности испытаний путем реализации различного соотношени  между величинами нормальных и касательных, напр жений в вершине надреза (трещины),

Указанна  цель достигаетс  тем, что согласно способу испытаний образцом материалов на трещиностойкость при циклическом нагружении, заключающемус  в том, что в образце материала выполн ют надрез, циклически нагружают его по схеме трехточечного изгиба силой, расположенной посредине между опорами, и определ ют количество циклов до зарождени  трещины в вершине надреза, а также скорость распространени  трещины, с учетом ко торых суд т о трещиностойкости, нагружают серию дополнительных образцов из материала основного при различных рассто ни х между опорами, надрез в каждом образце выполн ют V-образным глуби- ной t радиусом р вершины, которые выбирают из следующего соотношени .

И-2

где L - рассто ние между опорами;

I - рассто ние от точки приложени  силы до вершины.надреза, и определ ют требуемые параметры. Кроме того, образец устанавливают надрезом в. сторону нагружающего упора и удал ют надрез от упора на рассто ние , величину которого выбирают из диапазона от нол  до половины рассто ни  L между опорами.

На фиг.1 приведена графическа  иллюстраци  разработанного способа испытаний при трехточечном нагружении образца; на фиг.2 - расчетна  схема нагружени  образца по предлагаемому способу; на фиг.3,4 - эпюры соответственно .перерезывающей силы и изгибающего моментов на фиг.5. схема испытаний образцов при четырехточечном нагружении образца; на фиг.б - 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 перерезывающа  сила Р, значени  которых определ ютс  внешней

нагрузкой F. При этом абсолютна  величина силы Р посто нна {за исключением сечени , расположенного в плоскости приложени  внешней нагрузки F), а величина изгибающего момента измен етс  вдоль длины балки . Изменение t от 0 до L/2 позвол ет реализовать в исследуемом сечении образца спектр 2 напр женных состо ний, характеризующихс  любым соотношением напр жений нормального сжати  и поперечного сдвига, включа  экстремальные ситуации чистого сдвига (I L/2) или сжати  ( 0). В последнем случае целесообразно вместо одного упора использовать два нагружающихс  упора 3 (см.фиг.5), т.е. реализовать схему четырехточечного изгиба.

При реализации предлагаемого способа необходимо инициировать разрушение в исследуемом сечении образца 1, характеризующемс  соотношением а. Дг/До; а не в

сечении, совпадающем с осью симметрии нагружающего упора 4 (см.фиг.1), в котором (см,фиг.4) действует наибольший изгибающий момент М.

Необходимо дополнительно обеспечить

определенную минимальную концентрацию напр жений в вершине надреза. Этого можно достичь, св зав зависимостью геометрические параметры надреза (р, t)c рассто нием между надрезом 2 . и

нагружающим упором 4 (см.фиг.1), которое, в свою очередь, определ етс  требуемыми дл  данного эксперимента соотношением напр жений поперечного сдвига и нормального сжати  о, - .

С целью конкретизации данного усло- аи  запишем выражени  дл  изгибающих моментов, возникающих при нагружении образца силой, в исследуемом сечении (М) и сечении, совпадающем с осью симметрии

нагружающего упора 4 (Ммакс), использу  обозначени  силовых и геометрических факторов, приведенные на фиг. 1.2,3,4. М - F/2 (L/2 - I);(1)

Мтакс F/2-L/2,.(2)

Тогда выражени  дл  нормальных напр жений , действующих в рассматриваемых сечени х имеют вид

g.F/a-(L/2-i).

0макс -

W F/2 L/2

, (3) (4)

W

Ktf (7)

WMaicc

где W - момент сопротивлени  сечени  образца в плоскости надреза;

ММакс - в момент сопротивлени  сече- ни  образца без надреза;

K(f - коэффициент концентрации напр жений в вершине надреза.

Расчетное значение коэффициента кон- центрации напр жений дл  выбранного ти- па надреза составл ет

К а Омакс/СГном 1 + 2 1(5)

где t - глубина надреза;

р - радиус вершины надреза (см.фиг.7). С учетом приведенных выкладок упом нутое ранее условие инициировани  разрушени  образца в исследуемом сечении принимает вид

(/макс О,(6)

F/2 ( L/2 - I )

Л/макс

Очевидно, что момент сопротивлени  W исследуемого сечени , в котором выполнен надрез, всегда меньше момента сопротивлени  Л/макс сечени , совпадающего с осью нагружающего упора 4 (см. фиг. 1). Дл  упрощени  последующих математически выкладок целесообразно приравн ть эти значени  W Л/Макс, что, в свою очередь, позволит перейти от строгого неравенства (6) к нестрогому

7макс Ј #.(8)

Подставив в (8) выражени  (3). (4) и (5), после элементарных сокращений получаем математическую запись рассматриваемого услови  в виде

L/2 f (L/2 - I) (1 + 2 1).(9)

из которого путем несложных преобразований приходим к выражению

L/2-2.(10)

П р и м е р. Из стали 35ХНЗМФА в состо нии после закалки и среднего отпуска изготовл ют образцы сечением 9x18 мм длиной 200 мм. Глубина острого V-образно- го надреза 0,6 мм, а радиус его вершины 0,5 мм. Такие образцы циклически нагружают согласно предлагаемой схеме (фиг. 1).

10

15

20

25

30

35

40

Рассто ние I и величину F нагрузки выбирают так, чтобы обеспечивать в исследуемом нетто-сечении образца пульсирующий цикл сжимающих напр жений с размахов АЬ

О макс - СГмин Смаке - 0 260 МПа при

следующих соотношени х размахов напр жений , вызывающих поперечный сдвиг и нормальное сжатие а - ДТУДо: 0,02; 0,03; 0,04; 0,05. Фиксируют количество циклов нагрузки до зарождени  усталостной трещины у вершины надреза (N3), а также скорость распространени  усталостной трещины (V) в интервале ее длины 0,61 - 1,00 мм.

Исходные данные; длина образца 200 мм, высота образца Н 18 мм, ширина образца В 9 мм. Рассто ние между опорами L/2 0,09 м. Размах нормальных напр жений Дст 260 МПа, соотношени  размахов касательных и нормальных а 0,02,0,03,0,04,0,05.

Дл  значени  а 0,5 определим требуемое рассто ние а также геометрические параметры надреза р и t.

Размах касательных напр жений

Дг Да -« 260-0,05 13 МПа.

Реакции опор

13«0.090,01 2106Н.

Максимальна  нагрузка

F 2 F/2 4212 H.

Размах напр жений в сечении, совпадающем с осью симметрии нагружающего упора

Ммакс F/2 L/2 12

Омакс 2106

W 0,09

В ЬГ 390 МПа,

0,09 0,018 Изгибающий момент, действующий в сечении, совпадающем с осью надреза М э2

- X

0,09 -0,018

126,4 Н-м.

45

Рассто ние от правой опоры до сечени , совпадающего с осью надреза

0

5

V -

,4 600

М.

F4212

Рассто ние i между ос ми нагружающего упора и надреза

I 42 - х 0,09 - 0,06 0,03 М.

Дл  определенного таким образом значени  I, рассчитываем геометрически параметры надреза

U о.оз 2

Из технологических соображений принимаем /э 0 0,5 мм, тогда

tЈ 0,25 мм.

Следовательно, геометрические пара- метры надреза удовлетвор ют требовани м зарождени  разрушени  в исследуемом сечении при максимальном значении а 0,05. Дл  остальных значений а это требование заведомо выполн етс , поскольку уменьшение соотношени  А г/Д приводит к уменьшению рассто ни  I и, следовательно, к уменьшению необходимой глубины надреза.

Результаты испытаний, приведенные в таблице, свидетельствуют о незначительном вли нии соотношени  а на сопротивле- ние исследуемой стали зарождению усталостной трещины у надреза, и существенном (в 10 раз) ускорении последующего роста трещины.

Количество циклов нагрузки до зарождени  трещины и скорость ее распространени  при различных значени х коэффициента а.

Следовательно, предлагаемый способ позвол ет без дополнительных затрат оценить вли ние сложного напр женного состо ни  (сжатие + сдвиг) на циклическую трещиностойкость материала на стадии возникновени  и роста усталостной трещины , вследствие чего становитс  возможным повысить точность получаемых результатов.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   1, Способ испытани  образцов матери- алов на трещиностойкость при циклическом

   нагружении, заключающийс  в том, что в образце материала выполн ют надрез, циклически нагружают его по схеме трехточеч- иого изгиба силой, расположенной посередине между опорами, и определ ют количество циклов до зарождени  трещины в вершине надреза, а также скорость распространени  трещины, с учетом которых суд т о трещиностойкости, отличающий- с   тем, что, с целью повышени  точности и информативности путем реализации различного соотношени  между величинами нормальных и касательных напр жений в вершине надреза, нагружают серию дополнительных образцов из материала основного при различных рассто ни х между опорами, надрез в каждом образце выполн ют V-образным глубиной t и радиусом р вершины, которые выбирают из следующего соотношени 

   И 2где L - рассто ние между опорами;

   I - рассто ние от точки приложени  силы до вершины надреза, определ ют количество циклов до зарождени  усталостной трещины и скорость распространени  трещины дл  каждого образца, с учетом которых суд т о трещиностойкости .

   2, Способ по п.1. отличающийс  тем, что образцы устанавливают на опоры так, чтоб надрезы были обращены к прикладываемой силе.

   4 I

   Фиг. i

   /frwfrrf

   Фиг, 2

   / J

   ZW. 5

   Фиг. 6

   t P

   Фиг.З

   Фиг 4

   Уплачено

   Фиг. 7