Способ испытания образцов материалов на трещиностойкость при циклическом нагружении

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРеспуБлик 5 О 01 К 3/ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ЕТЕЛЬСТВУ АВТОР. СКОМУ Пак исследованиразрушения мак способам сопротивленияи распрострайствием периопо величине азлично ориеноскости трещи(21) 4822416/28(71) Львовский политехнический институт им. Ленинского комсомола(56) РД- 345 - 82. Методические укззэния. 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.6 а.(54) СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ МАТЕРИАЛОВ НА ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ 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 относитсяям процессов усталостноготериалов, а именноэкспериментальной оценкиматериалов возникновениюнению в них трещин под дедически изменяющихся(циклических) нап ряжений, ртированных относительно плны. Ы 171802 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 вершиненадреза, 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 1 и радиусом Р вершины, которые выбирают из следующего соотношения р/тО - 2, где . - расстояние между опорами; - расстояние от точки приложения силы до вер шины 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 расстояниямежду 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 исследуемого10 материала, а ширина В образца в 1,5 - 2 раза превышает ширину рабочей зоны.Основной недостаток способа испыта" ний 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 1 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 испь 1 таний образцом материалов на трещиностойкость при циклическом нагрукении, 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 трещины, с учетом ко торых судят о трещин остойкости, нагружают серию дополнительных образцов иэ материала основного при различных расстояниях между опорами, надрез в каждом образце выполняют Ч-образным глубин ой т. радиусом р вершины, которые выбирают из следующего соотношения,Дь.1где- расстояние между опорами;1 - 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, величину которого выбира 2 О 25 9 О 35 4 О 45 50 55 ют иэ диапазона от ноля до половины расстояния 1 между опорами. На фиг.1 приведена графическая иллюстрация разработайного способа испытаний при трехточечном нагрукении образца; на фиг,2 - расчетная схема нагружения образца по предлагаемому способу; на фиг.3,4 - зпюры 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 - узелна 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 Г. При этом абсолютная величина силы Р постоянна (эа исключением сечения, расположенного в плоскости приложения внешней нагрузки Е), а величина изгибающего момента изменяется вдоль ллины балки. Изменение 1 от О до О 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" ( = ./2) или сжатия ( = О). В 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/Ло, 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 напряжений в вершине надреза, Этого можно достичь, связав зависимостью геометрические параметры надреза (р, т) 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 а = Ь г/Ло;С целью конкретизации данного условия запишем выражения для изгибающих моментов, возникающих при нагружении образца силой, в исследуемом сечении (М) и сечении, совпадающем с осью симметриинагружающего упора 4 (Ммакс), используя обозначения силовых и геометрических факторов, приведенные на фиг.1.2,3,4.М = Р/2 (3 /2 - 1); (1)Мвакс = Р/2 Ог (2) Тогда выражения для нормальных напряжений, действующих в рассматриваемых сечениях имеют вид(6) (7) 9) У 2 (О 2 - ) (1+ 2 ф иэ которого путем несложных иний приходим к выражению(10) Пример, Изста состоянии после закалки ска изготовляют образцы с длиной 200 мм, Глубина ос го надреза 0,6 мм, а рад 0,5 мм. Такие образцы цик ют согласно предлагаемо 35 ХНЗМОА в 55 и среднего отпуечением 9 х 18 мм трого Ч-образноиус его вершины лически нагружай схеме (фиг,1). Я 10Г/2 3 /2 Омакс (4)Ямакс где Я - момент сопротивления сечения образца в плоскости надреза;Ямакс - в момент сопротивления сече ния образца без надреза;Кб - коэффициент концентрации напряжений в вершине надреза.Расчетное значение коэффициента кон-центрации напряжений для выбранного ти па надреза составляет = С =Омакс/Оном = 1 + 2 - , (5)Р где т - глубина надреза; р - радиус вершины надреза (см.фиг.7), 25С учетом приведенных выкладок упомянутое ранее условие инициирования разрущения образца в исследуемом сечении принимает вид СгмаксО; ЗО Г/2 Е/2 Е/2 ( /2 - 1Ямакс ЯОчевидно, что момент сопротивления Я исследуемого сечения, в котором выполнен надрез, всегда меньше момента сопротив ления Ямакс сечения, совпадающего с осью нагружающего упора 4 (см. фиг,1), Для упрощения последующих математически выкладок целесообразно приравнять эти значения Я = Ямакс, что, в свою очередь, 40 позволит перейти от строгого неравенства (6) к нестрогому Омакс0 (8) Подставив в (8) выражения (3), (4) и (5) . после элементарных сокращений получаем 45 математическую запись рассматриваемого условия в виде, =390 МПа,О 09 О 018 иИзгибающий момент, действующий всечении, совпадающем с осью надрезаМ=ЛУ Я=260 10 х20,09 0,018 - 126,4 Н м.бРасстояние от правой опоры до сечения, совпадающего с осью надрезаХ --- 6,0010 М.Е 4212Расстояниемежду осями нагружаюшего упора и надреза= 42 - х = 0,09 - 0,06 =- О,ОЗ М,Для определенного таким образом значения 1, рассчитываем геометрически параметры надреза3 003 В Н 4; Расстояние и величину Р нагрузки выбирают так, чтобы обеспечивать в исследуемом нетто-сечении образца пульсирующий цикл сжимающих напряжений с размахов Лд=- Омакс Умин = Омакс О = 260 МПа при следующих соотношениях размахов на.пряжений, вызывающих поперечный сдвиг и нормальное сжатие а = ЛТ/ЛО: 0,02; 0;03;0,04; 0,05. Оиксируют количество циклов нагрузки до зарождения усталостной трещины у вершины надреза (Йа), а также скорость распространения усталостной трещины (Ч) 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, Расстояние между опорами Ог = 0,09 м. Размах нормальных напряжений Ла= 260 МПа, соотношения размахов касательных и нормальных а = Лт/Ьо= = 0,02, О 03, 0,04, 0,05,Для значения а= 0,5 определим требуемое расстояние а также геометрические параметры надреза р и т.Размах касательных напряжений Лт = Лсг а= 260 О 05 = 13 МПа, Реакции опорР/2 = Лт Б = 13 0,09 "0,01 = 2106 Н, Максимальная нагрузкаГ = 2 Р/2 = 4212 Н.Размах напряжений в сечении, совпадающем с осью симметрии нагружающего упо- ра1718027 р 1 -Т 0,03 0,04 0,02 0,05 1150 1200 Из икл 3,110 1,5.10 6,3 10 2,5 ф 10 Ч,м/ икл Из технологических соображений принимаем р - 0 0,5 мм, тогдаС, с0,25 мм.0,5Следовательно, геометрические параметры надреза удовлетворяют требованиям зарождения разрушения в исследуемом сечении при максимальном значении а = Ь/Ьо" 0,05. Для остальных значений а это требование заведомо выполняется, поскольку уменьшение соотношения Ь г/Ьоприводит к уменьшению расстояния 1 и, следовательно, к уменьшению необходимой глубины надреза.Результаты испытаний, приведенные в таблице, свидетельствуют о незначительном влиянии соотношения й 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 повыситв 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 определяютколичество 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 й с я тем, что, с целью повышения точности иинформативности путем реализации различного соотношения между величинами нормальных и касательных напряжений в вершине надреза, нагружают серию допол нительных образцов из материала основного при различных расстояниях между опорами, надрез в каждом образце выполняют Ч-образным глубиной т и радиусом р вершины, которые выбирают иэ следующе го соотношения 25 где- расстояние между опорами;1 - расстояние от точки приложения силы до вершины надреза,определяют количество циклов до зарождения усталостной трещины и скорость рас пространения трещины для каждогообразца, с учетом которых судят о трещиностойкости.2. Способ по п,1, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что образцы устанавливают на опоры 35 так, чтоб надрезы были обращены к прикладываемой силе.ж Подписноеомитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС осква,Ж, Раушская наб 4/5