Образец для испытания прочности материалов с концентраторами механических напряжений и его варианты Российский патент 2024 года по МПК G01N1/28 G01N3/08 G01N3/20 G01N3/22 

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к исследованию прочностных свойств материалов на усталость при сложном напряженно-деформированном состоянии.

Образец предназначен для определения прочности материалов с концентраторами механических напряжений, например, в условиях хрупкого и усталостного разрушения сосудов давления, котлов, реакторов, строительных конструкций, деталей и узлов авиационной техники, машиностроения, транспорта из металлических и неметаллических, в том числе, композитных материалов.

Известно, что в условиях сжатия и одноосного растяжения, кручения или сдвига, а также при различных видах нагружения, которые являются их комбинацией, критерии прочности материала в очаге возможного разрушения могут существенно отличаться от нормативных, поэтому, напряжения в зоне концентраторов механических напряжений соответствуют определенному виду напряженно-деформированного состояния [Махутов Н.А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность. Новосибирск: Наука, 2005. - 610 с.], который характеризуется коэффициентом вида НДС. Тензометрия, а также численное моделирование полей напряжений образцов показало, что значения величины коэффициента вида напряженно-деформированного состояния находится в пределах от -2 до +2.

Из курса «Сопротивление материалов» широко известно, что нормальные напряжения в образце определяются отношением действующей нагрузки при растяжении-сжатии и устойчивости при сжатии вдоль оси х. При изгибе нормальные и касательные напряжения в образце определяются отношением изгибающего момента к осевому моменту инерции поперечного сечения относительно оси х. осей у, z. При кручении касательные напряжения в образце определяются отношением крутящего момента к полярному моменту инерции поперечного сечения относительно осей у, z. Напряженное состояние, как в самом образце, так и в зонах механических концентраторов напряжений определяется совокупностью нормальных и касательных напряжений, действующих в каждой точке образца.

Известно [ГОСТ 33783-2016. Колесные пары железнодорожного подвижного состава. Методы определения показателей прочности: межгосударственный стандарт: дата введения 2017-05-01 / разраб. ОАО «Научно-исследовательский конструкторско-технологический институт подвижного состава». - Москва: Стандартинформ, 2016. - III, 57 с.], что при оценке прочности вид напряженного состояния определяют, как на стадии лабораторных испытаний материала, так и на стадии длительных натурных исследований прочности конструкций.

Известны образцы для определения характеристик трещиностойкости при статическом нагружении [ГОСТ 25.506-85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определения характеристик трещиностойкости при статическом нагружении. Сб. стандартов. - М.: Стандартинформ, 2005 год] в форме пластин с концентраторами в виде U- или V-образных надрезов, с концевыми опорными поверхностями и поверхностями для приложения испытательной нагрузки в поперечном направлении относительно оси образца. Однако известные образцы не позволяют осуществлять расчетно-экспериментальную оценку прочности материала образцов во всем диапазоне измерения коэффициента вида напряженно-деформированного состояния в пределах от -2 до +2 и не обладают возможностью получения двухосного вида напряженно-деформированного состояния в зоне концентраторов механических напряжений различной формы и конфигурации, так как главные напряжения в образцах не создают напряженно-деформированного состояние в зоне U- или V-образного надреза.

Известен образец для оценки прочности материала [Патент РФ №1288539 «Призматический образец для оценки прочности материала» МПК G01N 3/00. Опубл. 07.02.1987 г.], имеющий по два концентратора напряжений в виде надрезов или сварных швов и сквозные прорези, которые расположены симметрично на противоположных гранях, однако, призматический образец испытывается на растяжение, что не дает возможности получения двухосного напряженно-деформированного состояния.

Известен образец для оценки прочности полимерных композитов [ГОСТ Р 57569-2017. Композиты полимерные. Метод испытания на усталость образцов с открытым отверстием] в виде пластины с открытым отверстием, что не дает расширение возможности получения двухосного вида напряженно-деформированного состояния в зоне концентраторов механических напряжений различной формы и конфигурации.

Известен образец для оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии [ГОСТ 25.504-82. Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета характеристик сопротивления усталости. - М., ИКП Издательство стандартов, 2004], имеющий форму пластины с концентраторами механических напряжений в виде U- или V-образных вырезов одинакового размера и конфигурации, расположенных на узких противоположных сторонах (ребрах) пластины. Однако использование таких образцов, в материале которых возникает сложное напряженное состояние, не обеспечивает моделирования напряженно-деформированного состояния в диапазоне измерения величины коэффициента вида напряженно-деформированного состояния в пределах от -2 до +2, что также не дает расширение возможности получения двухосного вида напряженно-деформированного состояния в зоне концентраторов механических напряжений различной формы и конфигурации.

Известен образец для оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии [ГОСТ Р 56785-2015 Национальный стандарт российской федерации. Композиты полимерные. Метод испытания на растяжение плоских образцов], изготовленный в виде полосы прямоугольного сечения с закрепленными на концах накладками, которыми образец крепят в захваты испытательного приспособления через наждачную бумагу. Однако, известный образец предназначен для испытания композитного материала на растяжение и не применяется при сложном напряженном состоянии, поэтому образец не обеспечивает моделирования напряженно-деформированного состояния в диапазоне измерения величины коэффициента вида напряженно-деформированного состояния в пределах от -2 до +2, что также не дает расширение возможности получения напряженно-деформированного состояния в зоне концентраторов механических напряжений различной формы и конфигурации.

Известен образец для оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии [Патент РФ №2091748 «Способ испытания металла трубы на усталость при двухосном напряженном состоянии (варианты)». МПК G01N 3/32. Опубл. 27.09.1997 г.], который представляет часть цилиндрической оболочки крестообразной формы с двумя взаимно перпендикулярными плоскостями симметрии, образец испытывают на усталость сочетанием кольцевых и продольных напряжений в центральной части образца путем одновременного циклического нагружения так, чтобы двухосное напряженное состояние достигалось одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, для создания кольцевых и продольных напряжений переменное усилие прилагается только к окружным консольным участкам, а внецентренное сжатие продольных консольных участков осуществляется постоянным усилием. Недостаток такого образца состоит в том, что он не дает возможности получения двухосного вида напряженно-деформированного состояния в зоне концентраторов механических напряжений различной формы и конфигурации.

Известен образец для оценки прочности материала [Патент РФ №2516599 «Призматический образец для оценки прочности материала». МПК G01N 1/28. Опубл. 20.05.2014 г., Бюл. №14] в виде призмы, содержащей продольную и поперечную плоскости симметрии, два боковых выступа, расположенных продольно, в поперечном сечении образец имеет L - или V-образную форму с наружным радиусным переходом, по концам призмы, двухопорное базирование в опорных элементах образца с боковыми призматическими опорами и с концевыми опорами, однако, повышенные требования к точности изготовления и качеству контактирующих поверхностей, необходимых для создания двухосного напряженно-деформированного состояния и отсутствие концентраторов механических напряжений различной формы и конфигурации не дают возможности широкого применения образца

Известен образец для оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии [Патент РФ №2734276 «Образец для оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии». МПК G01N 1/28. Опубл. 14.20.2020 г., Бюл. №29] в форме части круглого диска с опорной и нагружаемой поверхностями, U- или V-образные надрезы, в зоне которых при испытании создается напряженно-деформированное состояние, однако, изменение размеров канавок не является достаточно чувствительным к изменению его геометрических параметров и не приводит к необходимому изменению величины коэффициента вида напряженно-деформированного состояния во всем диапазоне заданных значений. Недостатками образца являются наличие геометрического центра диска, на который оказывается механическое контактное воздействие, влияющее на характер распределения напряжений в зоне концентратора механических напряжений, повышенные требования к точности изготовления и качеству контактирующих поверхностей образца, необходимых для создания двухосного напряженно-деформированного состояния, а также отсутствие в известном образце концентраторов механических напряжений различной формы и конфигурации.

Известен образец для оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии [Патент РФ №1427228 «Трубчатый образец для оценки прочности материала». МПК G01N 3/32. Опубл. 30.09.1988 г., Бюл. №36], выполненный в форме цилиндра, содержащего захватные части, расположенную между ними испытываемую цилиндрическую часть с прорезями в плоскостях, перпендикулярных оси образца и симметричные поперечные надрезы, расположенные в одной плоскости и дополнительные прорези, расположенные осесимметрично основным, концы каждого надреза соединены с другими концами соответствующих прорезей, к захватной части прикладывают только радиальные усилия и создают в сечениях, проходящих через надрезы, напряженное состояние, только близкое к чистому сдвигу. Недостаток такого образца состоит в том, что он не дает возможности получения двухосного вида напряженно-деформированного состояния в зоне концентраторов механических напряжений различной формы и конфигурации.

Анализ известных образцов показал, что их недостатками являются сложность, повышенные требования к точности изготовления и качеству поверхностей и отсутствие в образцах концентраторов механических напряжений различной формы и конфигурации, наиболее приближенные которые необходимы для создания напряженно-деформированного состояния при статических и знакопеременных нагрузках растяжения-сжатия, изгиба, кручения и устойчивости при сжатии.

В качестве прототипа принят образец для оценки прочности материала при сложном напряженном состоянии [Патент РФ №1464065 «Образец для оценки прочности материала». МПК G01N 3/08. Опубл. 07.03.1989 г., Бюл. №9], состоящий из рабочего участка прямоугольного сечения и двух концевых частей для контактирования с зажимным приспособлением испытательной машины, предназначенный для испытания в статическом и знакопеременном режимах нагружения при совместном действии изгиба, кручения и растяжения рабочего участка образца. Недостатками данного образца для создания двухосного напряженно-деформированного состояния при статических и знакопеременных нагрузках растяжения, изгиба и кручения также являются сложность, повышенные требования к точности изготовления и качеству поверхностей при наличии в образцах концентраторов механических напряжений различной формы и конфигурации.

Целью изобретения является создание образца для оценки прочности материалов при нагружении статическими и знакопеременными нагрузками растяжения-сжатия, изгиба, кручения и устойчивости при сжатии, который позволяет расширить диапазон измерения коэффициента вида напряженно-деформированного состояния путем создания напряженно-деформированного состояния без смены положения образца в испытательной машине.

Образец для испытания прочности материалов с концентраторами механических напряжений выполнен в виде пластины постоянной толщины, изогнутой в форме желоба с поверхностями, ориентированными относительно осей х, у, z, при этом продольная ось образца ориентирована относительно оси х.

По первому варианту образец для испытания прочности материалов с концентраторами механических напряжений выполнен в виде пластины постоянной толщины, изогнутой в форме желоба с поверхностями, ориентированными относительно осей х, у, z, при этом продольная ось образца ориентирована относительно оси х, поперечное сечение желоба имеет основание, сопряженное с боковыми стенками радиусными переходами, и полки, сопряженные радиусными переходами с боковыми стенками, при этом основание, боковые стенки и полки направлены вдоль оси х, основание и полки направлены параллельно оси z, боковые стенки направлены параллельно оси у, боковые стенки и полки расположены симметрично относительно оси х, а ширина полок одинакова.

По второму варианту образец для испытания прочности материалов с концентраторами механических напряжений выполнен в виде пластины постоянной толщины, изогнутой в форме желоба с поверхностями, ориентированными относительно осей х, у, z, при этом продольная ось образца ориентирована относительно оси х, в поперечном сечении желоб имеет наклонные боковые стенки, основание в виде радиусного перехода между наклонными боковыми стенками, при этом наклонные боковые стенки и полки направлены вдоль оси х, каждая наклонная боковая стенка направлена под острым углом к оси у, боковые стенки, радиусные переходы и полки расположены симметрично относительно оси х и оси у, полки направлены параллельно оси z, а радиусный переход, соединяющий наклонные боковые стенки отстоит от плоскости z на расстоянии катета наклонных боковых стенок, сами наклонные боковые стенки расположены от оси х на расстоянии, равном расстоянию между полками, а ширина полок одинакова.

По третьему варианту образец для испытания материалов с концентраторами механических напряжений выполнен в виде пластины постоянной толщины, изогнутой в форме желоба с закругленной стенкой и полками, ориентированными относительно осей х, у, z, при этом продольная ось образца ориентирована относительно оси х, в поперечном сечении желоб имеет закругленную стенку, сопряженную радиусными переходами с полками, при этом закругленная стенка и полки направлены вдоль оси х, закругленная стенка и полки расположены симметрично относительно оси х и оси у, полки направлены параллельно оси z, а ширина полок одинакова.

Как в первом, так во втором и в третьем вариантах образца для испытания прочности материалов, образец содержит концентраторы механических напряжений, которые выполнены, например, в виде U-образных, или V-образных, или Т-образных надрезов, или канавок, или пуклевок, или сквозных отверстий с круглой, или овальной, или прямоугольной конфигурацией, или сквозных, или несквозных трещин и им подобных дефектов, и расположены относительно осей х, у, z, в рабочей зоне на всех элементах образца, включая основание, боковые стенки, наклонные стенки, закругленную стенку, полки и радиусные переходы; причем допускается сочетание различных конфигураций концентраторов механических напряжений в образце.

Технический результат изобретения достигается выполнением формы образца как в первом, так во втором и в третьем вариантах, ориентацией основания, параллельных или наклонных боковых стенок, полок, радиусных переходов образца относительно осей х, у, z, наличием концентраторов механических напряжений различных конфигураций, или их сочетаний, например, в виде U-образных, или V-образных, или Т-образных надрезов, или канавок, или пуклевок, или сквозных отверстий с круглой, или овальной, или прямоугольной конфигурацией, или сквозных, или несквозных трещин и им подобных дефектов, располагаемых в рабочей зоне на всех элементах образца, включая основание, прямые стенки, наклонные стенки и закругленную стенку, полки и радиусные переходы. Образец выполнен с возможностью испытываться статическими и знакопеременными нагрузками, включая растяжение-сжатие, изгиб, кручение и устойчивость при сжатии, с определением коэффициента жесткости в диапазоне 0,2<k<0,8 и коэффициента вида напряженно-деформированного состояния в пределах от -2 до +2.

Сущность изобретения поясняется примером его конкретного выполнения.

На фиг. 1 показан образец с параллельными боковыми стенками для испытания прочности материалов с концентраторами механических напряжений.

На фиг. 2 показан поперечный разрез образца с параллельными боковыми стенками, с концентраторами в виде овальных отверстий на полках и радиусных переходах, и остроугольного отверстия на стенке.

На фиг. 3 показан поперечный разрез образца с параллельными боковыми стенками, с круглыми концентраторами в виде отверстий и трещин на полках, радиусных переходах и отверстием на нижней стенке с концентраторами в виде трещин.

На фиг. 4 показан поперечный разрез образца с наклонными боковыми стенками и концентраторами в виде пуклевок на полках, и в виде отверстий на стенках и сгибе.

На Фиг. 5 - показан поперечный разрез образца с закругленной стенкой и концентраторами в виде отверстий на полках и закругленной стенке.

По первому варианту образец для испытания материалов с концентраторами механических напряжений выполнен в виде желоба 1 постоянной толщины с продольной осью симметрии 2, как показано на фиг. 1, в сечении А-А образец имеет стенки 4 и 5, параллельные между собой. Образец содержит желоб 1 с основанием 3, по крайней мере две боковые стенки 4 и 5, полки 6 и 7. Основание 3 со стенками 4 и 5 соединены радиусными переходами 8 и 9, полки 6 и 7 соединены со стенками 4 и 5 радиусными переходами 10, 11. Концентраторы механических напряжений показаны в виде круглых отверстий 12 (Фиг. 1) и (Фиг. 3), но могут быть заменены U-образными, или V-образными, или Т-образными надрезами, или канавками, или пуклевками 19 (Фиг. 4), или сквозными отверстиями 12 с круглой (Фиг. 1), или овальной (Фиг. 3), или прямоугольной конфигурацией, или сквозными, или несквозными трещинами 15 (Фиг. 3) и им подобными дефектами, которые располагают на основании 3, боковых стенках 4 и 5, полках 6 и 7 в пределах рабочей зоны 13 образца. Рабочую зону 13 образца образует поверхность нагружения, которая находится между опорными поверхностями 14. Опорные поверхности 14 образуют опорную зону I и опорную зону II, и служат для закрепления образца в приспособлении испытательной машины (на чертеже не показана). Опорные зоны I и II с поверхностями 14 располагают на внутренней и наружной сторонах основания 3, боковых стенок 4 и 5, полок 6 и 7, радиусных переходов 8, 9, 10 и 11.

По второму варианту образец для испытания материалов с концентраторами механических напряжений выполнен в виде желоба 1 постоянной толщины с продольной осью симметрии 2, как показано на фиг. 4, в сечении А-А такого образца стенки 16 и 17 выполнены наклонными и соединены между собой основанием в виде радиусного перехода 18, полки 6 и 7 соединены с наклонными стенками 16 и 17 радиусными переходами 10, 11. Концентраторы механических напряжений, например, в виде сквозных отверстий 12 (Фиг. 1) и (Фиг. 3), и пуклевок 19 (Фиг. 4), как и в первом варианте, могут быть заменены на концентраторы в виде U-образных, или V-образных, или Т-образных надрезов, или канавок, или пуклевок 19 (Фиг. 4), или сквозных отверстий 12 (Фиг. 1) с круглой, или овальной (Фиг. 3), или прямоугольной конфигурацией, или сквозных, или несквозных трещин 15 (Фиг. 3), ориентированных относительно осей, которые на наклонных стенках 16 и 17, полках 6 и 7, радиусных переходах 10, 11 и 18, располагают, как показано на фиг. 1, в пределах рабочей зоны 13 образца, которая образует поверхность нагружения и находится между опорными поверхностями 14. Образец содержит опорные поверхности 14, которые образуют опорную зону I и опорную зону II для закрепления образца в приспособлении испытательной машины (на чертеже не показана). Опорные зоны I и II с поверхностями 14 располагают на внутренней и наружной сторонах наклонных боковых стенок 16 и 17, полок 6 и 7, радиусных переходов 10, 11 и 18.

По третьему варианту образец для испытания материалов с концентраторами механических напряжений выполнен в виде желоба 1 постоянной толщины с продольной осью симметрии 2, как показано на фиг. 5, в сечении А-А такого образца стенка 20 выполнена закругленной и соединена с полками 6 и 7 радиусными переходами 10, 11, концентраторы механических напряжений выполнены, например, в виде сквозных отверстий 12, но могут быть заменены, например, на концентраторы в виде U-образных, или V-образных, или Т-образных надрезов, или канавок, или пуклевок 19 (Фиг. 4), или сквозных отверстий 12 (Фиг. 1) с круглой, или овальной (Фиг. 3), или прямоугольной конфигурацией, или сквозных, или несквозных трещин 15 (Фиг. 3), ориентированных относительно осей, которые на закругленной стенке 20, полках 6 и 7, радиусных переходах 10 и 11, располагают, как показано на фиг. 1, в пределах рабочей зоны 13 образца, которая образует поверхность нагружения и находится между опорными поверхностями 14. Образец содержит опорные поверхности 14, которые образуют опорную зону I и опорную зону II для закрепления образца в приспособлении испытательной машины (на чертеже не показана). Опорные зоны I и II с поверхностями 14 располагают на внутренней и наружной сторонах закругленной стенки 20, полок 6, 7, радиусных переходов 10 и 11.

Как в первом, так во втором и в третьем вариантах, нагрузка на образец, форма желоба, толщина и размеры основания, стенок, полок и радиусных переходов, соотношение между размерами основания, стенок, полок и радиусных переходов образца, конфигурация, размеры, ориентация, количество, геометрическое место точек расположения концентраторов механических напряжений, длина рабочей зоны 13, расстояние между опорными зонами I и II опорных поверхностей 14 выбираются в зависимости от метода испытания образца и от вида напряженно-деформированного состояния, характеризуемого значениями коэффициента жесткости в диапазоне 0,2<k<0,8 и коэффициента вида напряженно-деформированного состояния в интервале от -2 до +2.

Наиболее простой вариант образца, по крайней мере, может иметь один из выбранных концентраторов механических напряжений, например, 12, 15, 19 или другой конфигурации, который расположен в рабочей зоне 13 на одной из поверхностей образца, например, на основании 3, одной из прямых 4, 5 или наклонных 16, 17 стенках, на одной из полок 6, 7, на закругленной стенке 20, а также на любом из радиусных переходов, как показано на фиг. 2, 3,4, 5.

Образец, как в первом, так во втором и в третьем вариантах, с заданным набором концентраторов механических напряжений, например, 12,15,19 или с концентраторами другой конфигурации, как показано на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, например, в виде U-образных, или V-образных, или Т-образных надрезов, или канавок, или пуклевок 19, или сквозных отверстий 12 с круглой, или овальной, или прямоугольной конфигурацией, или сквозных, или несквозных трещин 15. Концентраторы механических напряжений также могут выбираться различной конфигурации в зависимости от определяемого вида напряженно - деформированного состояния.

Возможно применение одновременно несколько однотипных концентраторов механических напряжений на образце, как в первом, так во втором и в третьем вариантах, например, Фиг. 1, а также сочетание нескольких конфигураций и некоторого количества концентраторов механических напряжений (Фиг. 2), (Фиг. 3), (Фиг. 4) и (Фиг. 5), выполненных, например, в виде U-образных, V-образных, Т-образных надрезов, канавок, пуклевок 19, сквозных отверстий 12 круглой, овальной, прямоугольной конфигурацией, сквозных и несквозных трещин 15. При этом концентраторы механических напряжений могут располагаться, как на основании 3, стенках 4 и 5, полках 6 и 7 (Фиг. 1), так и на радиусных переходах 8, 9, 10 11 (фиг. 2), на радиусных переходах 10 11 и 18 (Фиг. 3) и (фиг. 4), а также на закругленной стенке 20 (Фиг. 5).

В процессе механических испытаний образец, как в первом, так во втором и в третьем вариантах, опорными поверхностям 14 по внутреннему и внешнему контурам желоба 1 на длине опорных зон I и II закрепляют в приспособлении испытательной машины. Нагрузки к образцу прикладывают в зоне нагружения 13 по различным направлениям относительно осей х, у, z в зависимости от режима испытания. По мере нагружения образца испытательными усилиями, направленными вдоль осей х, у, z, в местах наибольших концентраций механических напряжений возникает сложное напряженно-деформированное состояние, которое вызывает разрушение образца. Например, центральное растяжение рабочей зоны 13 (фиг. 1) вызывает разрушение образца в зоне концентраторов механических напряжений 12, 14 вдоль оси х. Центральное сжатие вызывает потерю устойчивости рабочей зоны 13 образца, которая сопровождается ростом напряжений в зонах концентраторов 12, 14, а также разностью напряжений и разностью деформаций вдоль осей х, у, z. Внецентренное растяжение рабочей зоны 13 образца (фиг. 1) продольным усилием, направленным со смещением от оси х, вызывает на всех элементах образца, включая основание 3, стенки 4, 5, полки 6,7, радиусные переходы 8, 9, 10, 11, закругленную стенку 20 (Фиг. 5), разность напряжений относительно осей у, z. Внецентренное сжатие рабочей зоны 13 образца (фиг. 1) вызывает на всех элементах образца, включая основание 3, стенки 4, 5, полки 6, 7 и радиусные переходы 8, 9, 10, 11, разность напряжений относительно осей у, z, а также потерю устойчивости рабочей зоны 13 образца относительно оси х. Кручение рабочей зоны 13 вокруг продольной оси 2 образца вызывает касательные напряжения при повороте поперечного сечения образца относительно оси х, и напряжения изгиба полок и стенок образца относительно осей у, z. Изгиб рабочей зоны 13 (фиг. 1) относительно продольной оси 2 образца осуществляют изменением углов продольного наклона относительно оси х. Изгиб рабочей зоны 13 (фиг. 1) образца относительно осей у, z сопровождается разностью напряжений на растянутых и на сжатых волокнах всех элементов образца, включая основание 3, параллельные 4,5 или наклонные стенки 16, 17, или закругленную стенку 20, полки 6, 7, радиусные переходы 8, 9, 10, 11, 18. При изгибе наибольшие напряжения появляются, прежде всего, в зонах концентраторов 12, 14. Например, при изгибе рабочей зоны 13 образца относительно оси z, положительные главные напряжения +σ₁ появляются в стенке 3, радиусных переходах 8, 9 и в концентраторе 12, находящемся на стенке 3, которые являются растягивающими напряжениями, действующими перпендикулярно направлению концентратора, находящегося в стенке 3. В полках 6, 7, радиусных переходах 10,11 и в концентраторах 12, находящихся на полках 6, 7, отрицательные главные напряжения --σ₁ являются сжимающими напряжениями, также действующими перпендикулярно направлению концентраторов 12, находящихся в полках 6, 7. При этом в боковых стенках 4, 5 и в концентраторах 12, выше оси х отрицательные главные напряжения -σ₁ являются сжимающими напряжениями, а ниже оси х и в концентраторах 12 положительные главные напряжения +σ₁ являются растягивающими напряжениями. Аналогично главные напряжения σ₂ и σ₃ совместно с главными напряжениями σ₁ вызывают объемное напряженно-деформированное состояние рабочей зоны 13 образца с концентраторами механических напряжений, например, в виде U-образных, или V-образных, или Т-образных надрезов, или канавок, или пуклевок 19, или сквозных отверстий 12 с круглой, или овальной, или прямоугольной конфигурацией, или сквозных, или несквозных трещин 15. Расстояние между опорными поверхностями 14 опорной зоны I и опорной зоны II выбирают, исходя из прочности материала образца и его размеров. Форму образца,, как в первом, так во втором и в третьем вариантах, толщину и размеры основания 3, стенок 4, 5, полок 6, 7 или 16, 17, радиусных переходов 8, 9, 10, 18 и закругленной стенки 20 образца, соотношение между размерами основания 3, стенок 4, 5, полок 6, 7 и радиусных переходов 8, 9, 10 и закругленной стенки 20 образца, конфигурацию и размеры, ориентацию, количество и геометрическое место точек расположения концентраторов механических напряжений 12, 15, 19 выбирают в зависимости от метода испытания образца и от вида напряженно-деформированного состояния, характеризуемого значениями коэффициента жесткости в диапазоне 0,2<k<0,8 и коэффициента вида напряженно-деформированного состояния в интервале от -2 до +2.

При испытании образца, как в первом, так во втором и в третьем вариантах, на циклическую прочность или усталость изменение напряженно-деформированного состояния в зонах концентраторов механических напряжений может быть достигнуто путем нагружения образца переменным усилием, действующим одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях относительно осей у, z. Нагружением образца, как в первом, так во втором и в третьем вариантах, переменным усилием достигают деформации растяжения, сжатия, изгиба и кручения рабочей зоны 13 образца относительно осей х, у, z, или достигают разность деформаций относительно осей х, у, z при совместном действии растяжения, сжатия, изгиба и кручения рабочей зоны 13 с одновременным нагружением образца по трем главным осям х, у, z. При этом поверхности нагружения рабочей зоны 13 и опорные поверхности 14 образца местами не меняются, а сам образец для этого достаточно поворачивать относительно осей х, у, z, что упрощает проведение испытания образца без смены положения образца в испытательной машине.

Таким образом, разрушение материала образца, как в первом, так во втором и в третьем вариантах, происходит преимущественно в зонах наибольших механических напряжений, которые создаются концентраторами механических напряжений, выполненными например, в виде U-образных, или V-образных, или Т-образных надрезов, или канавок, или пуклевок, или сквозных отверстий с круглой, или овальной, или прямоугольной конфигурацией, или сквозных, или несквозных трещин, или сочетанием их различных конфигураций, а также расположением концентраторов механических напряжений на основании, параллельных или наклонных боковых стенках, полках, радиусных переходах образца и ориентацией их относительно осей х, у, z.

Наибольший эффект применения предложенного образца, как в первом, так во втором и в третьем вариантах, прочность которого оценивается коэффициентом жесткости в диапазоне 0,2<k<0,8 и коэффициентом вида напряженно-деформированного состояния в пределах от -2 до +2, достигается ориентацией концентраторов механических напряжений относительно осей х, у, z, использованием различных форм концентраторов механических напряжений при статических и знакопеременных нагрузках растяжения-сжатия, изгиба, кручения и устойчивости при сжатии без смены положения образца в испытательной машине, расположением центра тяжести сечения образца как можно ближе к пересечению осей х, у, z и выбором конфигурации образца наиболее приближенной к конфигурации идентифицируемой детали.

Группа изобретений относится к испытательной технике. Раскрыты образцы (варианты) для испытания прочности материалов с концентраторами механических напряжений при статическом и знакопеременном режимах нагружения, причем каждый образец выполнены в виде пластины постоянной толщины, изогнутой в форме желоба, ориентированного относительно осей х, у, z, продольная ось образцов ориентирована относительно оси х, поперечное сечение желоба имеет стенки и полки, сопряженные радиусными переходами со стенками, а ширина полок одинакова, концентраторы механических напряжений выполнены в виде U-образных, или V-образных, или Т-образных надрезов, или канавок, или пуклевок, или сквозных отверстий с круглой, овальной или прямоугольной конфигурацией, сквозных или несквозных трещин, или сочетаний этих концентраторов механических напряжений и расположены в рабочей зоне на всех элементах образцов, при этом образцы выполнены с возможностью испытываться статическими и знакопеременными нагрузками, включая растяжение-сжатие, изгиб, кручение и устойчивость при сжатии, с определением коэффициента жесткости в диапазоне 0,2<k<0,8 и коэффициента вида напряженно-деформированного состояния в интервале от -2 до +2. Группа изобретений обеспечивает создание образца для оценки прочности материалов при нагружении статическими и знакопеременными нагрузками растяжения-сжатия, изгиба, кручения и устойчивости при сжатии, который позволяет расширить диапазон измерения коэффициента вида напряженно-деформированного состояния путем создания напряженно-деформированного состояния без смены положения образца в испытательной машине. 3 н.п. ф-лы, 5 ил., 1 пр.

1. Образец для испытания прочности материалов с концентраторами механических напряжений при статическом и знакопеременном режимах нагружения совместным действием изгиба, кручения, растяжения-сжатия и устойчивости рабочего участка образца в условиях сложного напряженно-деформированного состояния, имеющий опорные поверхности для закрепления образца в приспособлении испытательной машины, рабочие поверхности нагружения, расположенные между опорными поверхностями, и концентраторы механических напряжений на рабочих поверхностях, отличающийся тем, что образец выполнен в виде пластины постоянной толщины, изогнутой в форме желоба, ориентированного относительно осей х, у, z, при этом продольная ось образца ориентирована относительно оси х, поперечное сечение желоба имеет основание, сопряженное с боковыми стенками радиусными переходами, и полки, сопряженные радиусными переходами с боковыми стенками, при этом основание, боковые стенки и полки направлены вдоль главной оси х, основание и полки направлены параллельно оси z, боковые стенки направлены параллельно оси у, боковые стенки и полки расположены симметрично относительно оси х, а ширина полок одинакова; концентраторы механических напряжений выполнены в виде U-образных, или V-образных, или Т-образных надрезов, или канавок, или пуклевок, или сквозных отверстий с круглой, овальной или прямоугольной конфигурацией, сквозных или несквозных трещин, или сочетаний этих концентраторов механических напряжений и расположены в рабочей зоне на всех элементах образца, включая основание, стенки, полки и радиусные переходы относительно осей х, у, z, при этом образец выполнен с возможностью испытываться статическими и знакопеременными нагрузками, включая растяжение-сжатие, изгиб, кручение и устойчивость при сжатии, с определением коэффициента жесткости в диапазоне 0,2<k<0,8 и коэффициента вида напряженно-деформированного состояния в интервале от -2 до +2.

2. Образец для испытания прочности материалов с концентраторами механических напряжений при статическом и знакопеременном режимах нагружения совместным действием изгиба, кручения, растяжения-сжатия и устойчивости рабочего участка образца в условиях сложного напряженно-деформированного состояния, имеющий опорные поверхности для закрепления образца в приспособлении испытательной машины, рабочие поверхности нагружения, расположенные между опорными поверхностями, и концентраторы механических напряжений на рабочих поверхностях, отличающийся тем, что образец выполнен в виде пластины постоянной толщины, изогнутой в форме желоба, ориентированного относительно осей х, у, z, при этом продольная ось образца ориентирована относительно оси х, в поперечном сечении желоб имеет наклонные боковые стенки, основание в виде радиусного перехода между наклонными боковыми стенками, при этом наклонные боковые стенки и полки направлены вдоль оси х, каждая наклонная боковая стенка направлена под острым углом к оси у, наклонные боковые стенки и полки расположены симметрично относительно оси у, полки направлены параллельно оси z, а ширина полок одинакова; концентраторы механических напряжений выполнены в виде U-образных, или V-образных, или Т-образных надрезов, или канавок, или пуклевок, или сквозных отверстий с круглой, овальной или прямоугольной конфигурацией, сквозных или несквозных трещин, или сочетаний этих концентраторов механических напряжений и расположены в рабочей зоне на всех элементах образца, включая наклонные боковые стенки, полки и радиусные переходы относительно осей х, у, z, при этом образец выполнен с возможностью испытываться статическими и знакопеременными нагрузками, включая растяжение-сжатие, изгиб, кручение и устойчивость при сжатии, с определением коэффициента жесткости в диапазоне 0,2<k<0,8 и коэффициента вида напряженно-деформированного состояния в интервале от -2 до +2.

3. Образец для испытания прочности материалов с концентраторами механических напряжений при статическом и знакопеременном режимах нагружения совместным действием изгиба, кручения, растяжения-сжатия и устойчивости рабочего участка образца в условиях сложного напряженно-деформированного состояния, имеющий опорные поверхности для закрепления образца в приспособлении испытательной машины, рабочие поверхности нагружения, расположенные между опорными поверхностями, и концентраторы механических напряжений на рабочих поверхностях, отличающийся тем, что образец выполнен в виде пластины постоянной толщины, изогнутой в форме желоба, ориентированного относительно осей х, у, z, при этом продольная ось образца ориентирована относительно оси х, в поперечном сечении желоб имеет закругленную стенку, сопряженную радиусными переходами с полками, при этом закругленная стенка и полки направлены вдоль оси х, закругленная стенка и полки расположены симметрично относительно главной оси х и оси у, полки направлены параллельно оси z, а ширина полок одинакова; концентраторы механических напряжений выполнены в виде U-образных, или V-образных, или Т-образных надрезов, или канавок, или пуклевок, или сквозных отверстий с круглой, овальной или прямоугольной конфигурацией, сквозных или несквозных трещин, или сочетаний этих концентраторов механических напряжений, и расположены в рабочей зоне на всех элементах образца, включая закругленную стенку, полки и радиусные переходы относительно осей х, у, z, при этом образец выполнен с возможностью испытываться статическими и знакопеременными нагрузками, включая растяжение-сжатие, изгиб, кручение и устойчивость при сжатии, с определением коэффициента жесткости в диапазоне 0,2<k<0,8 и коэффициента вида напряженно-деформированного состояния в интервале от -2 до +2.