Образец для испытания материалов на термомеханическую усталость Советский патент 1990 года по МПК G01N3/60 

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к испытаниям на прочность.

Цель изобретения - повышение точности путем уменьшения контактных напряжений при постоянном изгибающем моменте.

На чертеже показана схема нагруже- ния предлагаемого образца.

Образец 1, выполненный в виде кольца с цилиндрической боковой наружной поверхностью;имеет рабочую кромку 2 и торцовые поверхности 3, выполненные в виде параболлоида вращение, образующие которого описываются уравнением

b k.r,

где b - текущая координата;

г - расстояние от центра кольца; , Кип- постоянные коэффициенты.

Нагружение ведут с помощью приводного 4 и нажимного 5 роликов. Перемещение образца 1 ограничивается огра- ничителями 6.

На чертеже изображен также двигатель 7 вращения роликов 4 и 5 и грузы 8 усилия прижатия.

На чертеже приняты следующие обозначения:

1Ц - внутренний радиус образца;, , ВЦ - наружный радиус образца;

г - текущий радиус образца;

b - текущая координата торцовой

поверхности образца.

Испытания образца осуществляют следующим образом.

Образец 1 размещают между приводным 4 и нажимным 5 роликами и ограничителями бис помощью двигателя 7 придают ему вращательное движение. Образец 1 нагружают механически с помощью гру- зов 8 посредством нажимного ролика 5. При этом на рабочей кромке образца поел

со

со ел

со

являются изгибающие циклические механические напряжения, а на наружной цилиндрической поверхности образца возникают контактные напряжения, Одновре менно с механическим нагружением че- рез внутреннее отверстие продувают образец 1 высокотемпературным газовым потоком, который получают, например, с камере сгорания (не показана). Тем- пературу .газового потока изменяют по заданной программе. В результате воздействия газового потока на рабочую кромку образца в ней одновременно с механическими возникают и термические напряжения, величина которых зависит от геометрических параметров образца и термодинамических параметров газового потока. Под действием циклических термических и механических напряжений в испытуемом образце на его рабочей кромке появляются трещины.

Термомеханическую усталость материала определяют по количеству теп- лосмен и циклов механического нагру- жёния до появления трещин на рабочей кромке 2.

Программа изменения температуры газового потока, величина грузов 8, а также размеры R1 и.В. образца и параметры k и п торцовой параболической поверхности образца задают необходимый режим изменения теплового и напряженного состояния материала.

Предлагаемая форма образца обеспечивает возможность использования простых дифференциальных уравнений для расчета теплового состояния материала:

1

h+1

де г - п .т т - t 3 , пи ЭТ ЭТ 3г Г 3r 3t

текущий радиус; параметр параболической поверхности образца; коэффициент температуропроводности материала; температура материала образ-1 ца; время,

и для расчета термонапряженного тояния материала:

tit s

«ч3(6,

3 г

где &г- радиальные термические напряжения ;

0

5

5

0

5

0

5

0

5

тангенциальные термические напряжения.

Интегрирование этих уравнений с учетом дополнительных условий дает расчетные формулы для определения температур и напряжений в образце, т.е. предлагаемая форма образца относится к простейшим формам вращения типа цилиндр, шар, диск и т.д., имеющим 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 6К 850 МПа, при очень небольших изгибающих напряжениях на кромке равных эц3г 35 МПа. Разрушающие изгибающие напряжения для стали 30 значительно больше и соответственно равны &иэг.раз,р 600 МПа (при малом числе циклов (10-100) и &изг. разр 200 МПа (при большом числе циклов (Ю 7).

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 уменьшить 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,

К.

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям на прочность. Цель изобретения - повышение точности путем уменьшения контактных напряжений при постоянном изгибающем моменте. Образец выполнен в виде кольца, торцовые поверхности которого выполнены в виде параболлоида вращения, описываемого уравнением B = K ^. R^N, где B - текущая координата

R - расстояние от центра кольца

K, N - постоянные коэффициенты. Образцу придают вращательное движение, прикладывают нагрузку и подают высокотемпературный поток. Форма образца позволяет упростить расчет прочностных характеристик. 1 ил.