Способ изготовления образца с трещиной Советский патент 1992 года по МПК G01N3/32 

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств материалов, а именно к способам изготовления образца с трещиной.

Известен способ изготовления образца с трещиной, заключающийся в том, что в образце выполняют концентратор напряжений в виде надреза, циклически нагружают образец для выращивания усталостной трещины из вершины надреза, удаляют поверхностный слой, содержащий надрез, на толщину, большую глубины надреза, но меньшую, чем суммарная длина надреза с трещиной.

Недостатком указанного способа является большая трудоемкость изготовления образца с трещиной. Для получения трещины малых размеров и постоянной глубины после циклического подращивания трещин образец снимают с испытательной машины и подвергают механической обработке на фрезерном станке с целью удаления поверхностного слоя. Вырастить трещину малой глубины сложно, так как трещина выращивается от геометрического концентратора напряжений (обычно в виде надреза), который сам уже имеет значительные размеры, а трещина зарождается в вершине концентратора. Для получения трещины малой глубины требуется удаление некоторой ширины образца, большей, чем глубина концентратора напряжении. Но при ширине детали, близкой к минимальным размерам образца в соответствии с требованием стандарта (например, ГОСТ 25506-85), уменьшение ширины образца недопустимо, В этих условиях затруднено изготовление образца с трещиной постоянной глубины вдоль ее фронта, поскольку на поверхности и внутри него условия для роста трещины характеризуются различными напряженными состояниями, Получение трещины малой глубины и любой наперед заданной ориентации по известному способу для образцов ограни(Л

С

xj

J5k

ел

xj

а

ченной толщины практически невозможно, так как опять потребуется механическое удаление концентратора напряжений, связанное со съемом поверхностного слоя металла и приводящего к уменьшению ширины об- разца,

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ изготовления образца с трещиной, заключающийся в том, что в образце выполняют концентратор напряжений в виде надреза, циклически нагружают образец для выращивания усталостной трещины из вершины надреза на толщину, большую глубины надреза, но меньшую, чем суммарная длина надреза с трещиной повторно нагружают образец после удаления поверхностного слоя до выравнивания фронта трещины и вновь удаляют поверхностный слой материала на толщину, меньшую длины трещины.

Указанный способ трудоемок, так как необходимо многократно удалять поверхностный слой, содержащий надрез. В соответствии с условиями испытаний образцов на трещиностойкость необходимо испыты- вать образцы шириной, равной толщине изделия. В этом случае нельзя удалять поверхностный слой, а следовательно, нельзя изготовить трещину постоянной малой глубины по указанному способу.

Целью изобретения является снижение трудоемкости и повышение точности выращивания не только прямолинейных, но и криволинейных на поверхности образца трещин без изменения его поперечных се- чений путем ликвидации механических приемов образования концентратора.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу изготовления трещины, заключающемуся в том, что на поверхности образца материала создают концентратор напряжений и формируют трещину циклическим нагружением его в поперечном направлении с образованием растягивающих напряжений в зоне концентратора, перед образованием концентратора в образце создают сжимающие напряжения путем нагру- жения его в области упругой деформации, образование концентратора осуществляют при этих напряжениях путем оплавления ма- териала на поверхности образца по линии, соответствующей форме трещины.

Получение поверхностной трещины по предлагаемому способу исключает удаление поверхностного слоя образца на толщи- ну, большую глубины надреза, путем механической обработки, что существенно снижает трудоемкость. Однообразность концентратора напряжений по всей длине трещины охрупченного материала на одинаковую глубину обеспечивает одновременные и при одинаковых напряженных состояниях начальные условия роста трещины. Предварительное нагружение в области упругих деформаций, до операции оплавления поверхности металла, обеспечивает дополнительный эффект создания сжимающих напряжений в оплавляемой зоне.

На фиг. 1 изображена схема нагружения образца; на фиг, 2 - схема оплавления поверхности сжатого образца по контуру будущей трещины; на фиг. 3 - схема циклического нагружения образца.

Способ осуществляют следующим образом.

Образец 1 нагружают путем сжатия в области упругой деформации в зоне создания трещины 2. Создают внутренний концентратор 3 напряжений путем локального оплавления поверхности образца 1, например, электрическим током по контуру 4, соответствующему ориентации создаваемой трещины 2. Разгружают образец 1, циклически нагружают образец 1 растягивающими напряжениями в зоне концентратора для выращивания усталостной трещины 2 от созданного внутреннего концентратора 3 напря- жений. Суммирование растягивающих напряжений в зоне концентратора с остаточными напряжениями, возникающими при предварительном упругом сжатии и оплавлении поверхности в результате проведенной обработки, обеспечивает образование начальной трещины постоянной глубины, соответствующей толщине охрупченного при оплавлении слоя сплава.

Пример. Призматический образец с сечением 15x15x75 мм изготавливают из титанового сплава ПТ-ЗВ в состоянии поставки из листа толщиной 15 мм. Нагружение осуществляют путем упругого сжатия образца на испытательной машине ГМС-50 нагрузки 131 кН вдоль геометрической оси образца. При этом достигаются напряжения, равные 0,75 предела текучести оь,2 материала образца. Создают на поверхности образца линейный концентратор напряжений путем оплавления поверхности электрическим током с помощью электродов, один из которых подключают к образцу с помощью зажима, второй с игольчатым вольфрамовым наконечником радиусом 0,2 мм используют для локального оплавления поверхности при контакте электрода с поверхностью образца.

Нагрев осуществляют от источника переменного тока промышленной частоты силой тока до 10 А.

Питание подается от сети напряжением 220 В через трансформатор на электрод с напряжением во вторичной обмотке 12 В.

Перемещая электрод, осуществляют локальный нагрев по контуру, соответствую- щему ориентации создаваемой трещины. Отключают источник питания.

Разгружают образец. Усталостную трещину выращивают на испытательной машине для циклических нагружений ГМС-50. Минимальная глубина трещин соответствует толщине охрупченного слоя при поверхностном оплавлении. Минимальная глубина трещин составляет 0,25 мм.

Преимущества предлагаемого способа по сравнению с известными приведены в таблице.

Предлагаемый способ позволяет снизить трудоемкость получения трещины в несколько раз, при этом не изменяется ширина образца, так как отпадает операция удаления поверхностных слоев металла, достигается возможность получения меньшей (в 2 раза) глубины, причем возможно задание трещины любой ориентации. В извест- ных способах это сделать практически

сложно с помощью механической обработки, где потребуется сложное и дорогостоящее оборудование.

Формула изобретения Способ изготовления образца с трещиной, заключающийся в том, что на поверхности образца материала образуют концентратор напряжений и формируют трещину циклическим нагружением его в поперечном направлении с образованием растягивающих напряжений в зоне концентратора, отличающийся тем, что, с целью снижения трудоемкости и повышения точности выращивания малых не только прямолинейных, но и криволинейных на поверхности образца трещин без изменения его поперечных сечений путем ликвидации механических приемов образования концентратора, перед образованием концентратора в образце создают сжимающие напряжения путем нагружения его в области упругой деформации, а образование концентратора осуществляют при этих напряжениях путем оплавления материала на поверхности образца по линии, соответствующей форме трещины.

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств материалов и направлено на снижение трудоемкости и повышение точности выращивания малых не только прямолинейных, но и криволинейных на поверхности образца трещин без изменения его поперечных сечений путем ликвидации механических приемов образования концентратора. Новым в способе является то, что перед образованием концентратора в образце создают сжимающие напряжения путем его сжатия в области упругой деформации, а образование концентратора осуществляют при этих напряжениях путем оплавления материала на поверхности образца по линии, соответствующей форме трещин. 3 ил.

/

/

Ј

ИЛ

7

ЯРиг J

срьг г

/

./14&Y

S

Y

Фиг 3