Образец для испытания материалов на термомеханическую усталость

3 1539590 вляются изгибающие циклические мехаНические напряжения, а на наружной циЛиндрической поверхности образца воз-, никают контактные напряжения. Одновре менно с механическим нагружением че рез внутреннее отверстие продувают образец 1 высокотемпературным газовым Нотоком, который получают, например, в камере сгорания (не показана). Тем Нературу,газового потока изменяют по аданной программе. В результате возействия газового потока на рабочую ромку образца в ней одновременно с еханическими возникают и термические 15 апряжения, величина которых зависит от геометрических параметров образ" ца и термодинамических параметров газового 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 посмен и циклов механического нагружения до появления трещин на рабочей ромке 2.Программа изменения температуры газового потока, величина грузов 8, 30 ,а также размеры к .И,Е образца и.па" раметры К и и торцовой параболической поверхности образца задают необходимый режим изменения теплового и напряженного сОстОяния материала. 35Предлагаемая форма образца обеспе-чивает возможность использования простых дифференциальных уравнений для расчета теплового с остояния материала: 40 1 3 ю 1 дТ ЗТ - . (г - )г "+" аг аггде г - текущий радиус; п - параметр параболической поверхности образца;- коэффициент температуропроводности материала; Т в , температура материала образца; С - время, и для расчета термонапряженного состояния материала:(6 г г )55 т г". аг где Ь - радиальные термические напряжения; 6 - тангенциальные термическиенапряжения.Интегрирование этих уравненийс учетом дополнительных условий дает расчетные формулы для определения температур и напряжений в образце, те. 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 Ь= 850 МПа, при очень неболь" ших изгибающих напряжениях на кромке, равных й= 35 МПа. Разрушающие изгибающие напряжения для стали 30 значительно больше и соответственно равны 6 ц, = 600 МПа (при малом числе циклов (10-100) и Ьщ200 МПа (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 уменЬ- шить 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, 1539590не изменяя соотношение внутреннегои наружного радиусов кольца, сжимающие усилия и контактные напряжения нанаружной цилиндрической поверхности,кольца. При этом трещины термомеха 5нической усталости можно получить приреальных уровнях термических и механических напряжений и при малой величине контактных напряжений. 10Например, для стали 30 максимально допустимые значения контактныхнапряжений, равных 4 = 850 МПа, досВ.,тигаются при - = 0,5, изгибающие напр У У 15ряжения при тех же условиях будут равны: при и, равном 2, - визг = 92 МПа,при п, равном 4, - 6,=- 330 МПа, прии, равном 10, - Ьрз,= 2800 МПаУменьшив в семь раз сжимающее усилие, получим, что при и, равном 10, -6== 321 МПа, а Б,= 400 МПа.Таким образом, предлагаемая формаобразца позволяет осуществлять исследования на термомеханическую уста лость материалов в широком диапазоне свойств в том числе и материалов,имйощих контактную прочность существенно ниже чем у стали.Формула изобретенияОбразец для испытания материалов на термомеханическую усталость, выполненный в виде кольца с цилиндри- ческой боковой наружной поверхностью, о т л и ч а ю щ и й с я 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 видаЬ=1 г"где Ь - текущая координата; г - расстояние от центра кольца; Е и ч - постоянные коэффициенты.