Способ испытания образцов материалов на трещиностойкость при циклическом нагружении Советский патент 1992 года по МПК G01N3/32 

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

Основной недостаток способа испытаний данного образца заключается в том, что он предусматривает реализацию в материале обоазца только одноосного напряженного 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 отрыва.

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),

Указанная цель достигается тем, что согласно способу испытаний образцом материалов на трещиностойкость при циклическом нагружении, 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 трещиностойкости, нагружают серию дополнительных образцов из материала основного при различных расстояниях между опорами, надрез в каждом образце выполняют V-образным глуби- ной t радиусом р вершины, которые выбирают из следующего соотношения.

И-2

где L - расстояние между опорами;

I - 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 выбирают из диапазона от ноля до половины расстояния L между опорами.

На фиг.1 приведена графическая иллюстрация разработанного способа испытаний при трехточечном нагружении образца; на фиг.2 - расчетная схема нагружения 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 перерезывающая сила Р, значения которых определяются внешней

нагрузкой F. При этом абсолютная величина силы Р постоянна {за исключением сечения, расположенного в плоскости приложения внешней нагрузки F), а величина изгибающего момента изменяется вдоль длины балки. Изменение t от 0 до L/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 (I L/2) или сжатия ( 0). 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. 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 напряжений в вершине надреза. Этого можно достичь, связав зависимостью геометрические параметры надреза (р, t)c 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 о, - .

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

нагружающего упора 4 (Ммакс), используя обозначения 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 выражения для нормальных напряжений, действующих в рассматриваемых сечениях имеют вид

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

0макс -

W F/2 L/2

,(3) (4)

W

Ktf (7)

WMaicc

где W - момент сопротивления сечения образца в плоскости надреза;

ММакс - в момент сопротивления сече- ния образца без надреза;

K(f - коэффициент концентрации напряжений в вершине надреза.

Расчетное значение коэффициента кон- центрации напряжений для выбранного ти- па надреза составляет

К а Омакс/СГном 1 + 2 1(5)

где t - глубина надреза;

р - радиус вершины надреза (см.фиг.7). С учетом приведенных выкладок упомянутое ранее условие инициирования разрушения образца в исследуемом сечении принимает вид

(/макс О,(6)

F/2 ( L/2 - I )

Л/макс

Очевидно, что момент сопротивления W исследуемого сечения, в котором выполнен надрез, всегда меньше момента сопротивления Л/макс сечения, совпадающего с осью нагружающего упора 4 (см. фиг. 1). Для упрощения последующих математически выкладок целесообразно приравнять эти значения W Л/Макс, что, в свою очередь, позволит перейти от строгого неравенства (6) к нестрогому

7макс Ј #.(8)

Подставив в (8) выражения (3). (4) и (5), после элементарных сокращений получаем математическую запись рассматриваемого условия 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 состоянии после закалки и среднего отпуска изготовляют 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

Расстояние I и величину F нагрузки выбирают так, чтобы обеспечивать в исследуемом нетто-сечении образца пульсирующий цикл сжимающих напряжений с размахов АЬ

О макс - СГмин Смаке - 0 260 МПа при

следующих соотношениях размахов напряжений, вызывающих поперечный сдвиг и нормальное сжатие а - ДТУДо: 0,02; 0,03; 0,04; 0,05. Фиксируют количество циклов нагрузки до зарождения усталостной трещины у вершины надреза (N3), а также скорость распространения 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. Расстояние между опорами L/2 0,09 м. Размах нормальных напряжений Дст 260 МПа, соотношения размахов касательных и нормальных а 0,02,0,03,0,04,0,05.

Для значения а 0,5 определим требуемое расстояние а также геометрические параметры надреза р и t.

Размах касательных напряжений

Дг Да -« 260-0,05 13 МПа.

Реакции опор

13«0.090,01 2106Н.

Максимальная нагрузка

F 2 F/2 4212 H.

Размах напряжений 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

Расстояние от правой опоры до сечения, совпадающего с осью надреза

0

5

V -

,4 600

М.

F4212

Расстояние i между осями нагружающего упора и надреза

I 42 - х 0,09 - 0,06 0,03 М.

Для определенного таким образом значения 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 удовлетворяют требованиям зарождения разрушения в исследуемом сечении при максимальном значении а 0,05. Для остальных значений а это требование заведомо выполняется, поскольку уменьшение соотношения А г/Д приводит к уменьшению расстояния I и, следовательно, к уменьшению необходимой глубины надреза.

Результаты испытаний, приведенные в таблице, свидетельствуют о незначительном влиянии соотношения а на сопротивле- ние 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 без дополнительных затрат оценить влияние сложного напряженного состояния (сжатие + сдвиг) на циклическую трещиностойкость материала на стадии возникновения и роста усталостной трещины, вследствие чего становится возможным повысить точность получаемых результатов.

Формула изобретения

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

нагружении, заключающийся в том, что в образце материала выполняют надрез, циклически нагружают его по схеме трехточеч- иого изгиба силой, расположенной посередине между опорами, и определяют количество циклов до зарождения трещины в вершине надреза, а также скорость распространения трещины, с учетом которых судят о трещиностойкости, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности и информативности путем реализации различного соотношения между величинами нормальных и касательных напряжений в вершине надреза, нагружают серию дополнительных образцов из материала основного при различных расстояниях между опорами, надрез в каждом образце выполняют V-образным глубиной t и радиусом р вершины, которые выбирают из следующего соотношения

И 2где L - расстояние между опорами;

I - расстояние от точки приложения силы до вершины надреза, определяют количество циклов до зарождения усталостной трещины и скорость распространения трещины для каждого образца, с учетом которых судят о трещиностойкости.

2, Способ по п.1. отличающийся 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

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 относится к исследованиям процессов усталостного разрушения материалов, а именно к способам экспериментальной оценки сопротивления материалов возникновению и распространению в них трещин под действием периодически изменяющихся по величине (циклических) напряжений, различно ориентированных относительно плоскости трещины.. 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 вершине надреза, а также скорость распространения трещины, с учетом которых судят о трещиностойкости, нагружают серию дополнительных образцов из основного материала при различных расстояниях между опорами надрез в каждом образце выполняют V-образным глубиной t и радиусом р вершины, которые выбирают из следующего соотношения Ј L/I - 2, где L - расстояние между опорами; I - расстояние от точки приложения силы до вершины надреза, и определяют требуемые параметры. Кроме того, образец устанавливают надрезом в сторону .нагружающего упора w удаляют надрез от упора на расстояние I, величину которого выбирают из диапазона от ноля до половины расстояния L между опорами. 1 з.п.ф-лы, 7 ил. сл С Известен образец для испытания 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 составляет 0,1-0,4 от толщины плиты исследуемого материала, при этом высота Н образца соответствует толщине плиты исследуемого 4 00 О ю XI

t P

Фиг.З

Фиг 4

Уплачено

Фиг. 7