Способ определения вязкости разрушения материалов Советский патент 1992 года по МПК G01N3/00 

Изобретение относится к технике определения параметров свойств горных пород и может быть использовано для испытания любых хрупких материалов, в том числе стекла, бетона, керамики и т.п.

Известен способ определения вязкости разрушения материалов, согласно которому в образце в форме диска выполняют концентратор напряжения в виде центральной трещины, который нагружают Диаметрально сжатием и регистрируют параметры разрушения. В плане нагрузка имеет точечное приложение.

Недостатком данного способа является недостаточная достоверность получаемых результатов из-за невозможности практически выполнить в дисковом образце внутренней сквозной трещины заданной длины с естественной текстурой поверхности.

Цель изобретения - повышение достоверности получаемых результатов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения вязкости разрушения материалов, по которому в образце в форме диска выполняют концентратор напряжений, нагружают образец диаметрально сжатием и регистрируют параметры разрушения, концентратор напряжений выполняют в виде центрального сквозного отверстия, диаметр d которого выбирают из условия 0,,3D, где D - наружный диаметр диска, а сжимающую нагрузку прикладывают к боковой прверхности диска распределенно на длине, равной радиусу отверстия.

Способ определения вязкости разрушения материалов осуществляется следующим образом.

Геологические керновые пробы распиливают на диски толщиной 0,3 - 0,4 диаметра последних. Каждый керн должен содержать при этом такое количество дисков, которое потребно для оценки вязкости

VI

vl О

ю о

разрушения данной породы. Обычно бывает достаточно 3-5 дисков.

Далее в каждом из дисков сверлят сквозное отверстие, центр которого совпадает с его геометрическим центром, при этом для исключения влияния краевых эффектов диаметр отверстия выбирают в диапазоне 0,1 - 0,3 наружного диаметра диска.

Образцы с концентраторами напряжений в виде центрального отверстия нагружают напряжениями сжатия, распределенными по двум диаметрально противоположным боковым поверхностям диска. Длину этих поверхностей нагружения выбирают равной радиусу отверстия. Расчет напряженного состояния диска, проведенный по известным зависимостям, показал, что вблизи отверстия разница в значениях растягивающих напряжений в случае приложения точечной и распределенной указанным способом нагрузок составляет не более 7- 8%. Замена точечной в плане нагрузки распределенной (также в плане) по сегменту позволяет в пределах практически той же точности испытаний достичь повышения стабильности инициируемой из отверстия трещины. Это происходит вследствие возникновения вдоль оси нагружения области растягивающих напряжений, препятствующей искривлению фронта инициируемой трещины при ее прорастании.

Доводят образец до разрушения и рассчитывают вязкость разрушения. При этом эксперимент считается чистым в случае разрушения путем разделения образца осевой плос,костью,параллельной оси нагружения, на две практически одинаковые половины.

Расчетная зависимость для оценки вязкости разрушения получена из решения теоретической задачи нагружения кольца с внутренними надрезами длиной С, сжимающими нагрузками Р, параллельными оси надрезов, путем асимптотического преобразования при условии уменьшения длин внутренних надрезов трещин С до величин, соизмеримых с характерным размером микродефектов, возникающих на внутренней поверхности кольца при сверлении отверстия. ,

Kic F

2Р ЈгЪт.

(1+-f)- «

Примем во внимание, что по периметру внутреннего отверстия диска толщиной t из горной породы всегда есть микродефекты, размеры кбторых порядка двух диаметров зерен.

Тогда для песчаника мелкозернистого с диаметром зерна 0.3 - 0,5 мм формула (1) принимает вид

ОТ

г. 4 л г-4- ,1 Р

VTTD t

(2)

10

Значение поправочной функции F принимается из следующей таблицы.

5

0

5

0

5

0

Пример практического использования способа.

Предлагаемый способ был апробирован на двух типах горных пород: песчанике мелкозернистом и мраморе. Из кернов диаметром 42 мм и длиной 50 мм отрезаны диски толщиной 10,5-12 мм, После этого победитовым сверлом диаметром 8 мм в полученных (по три штуки на каждую породу дисках) образцах высверлены сквозные отверстия. При этом соотношение диаметров отверDстия и диска составляет -т-: 0,2.

Сжимающая нагрузка передается на диски через специальные пуансоны, имеющие радиус закругления 21 мм и длину 4 мм

В результате испытаний получены разрушающие нагрузки 190, 190 и 200 кгс для образцов №№ 1, 2, 3 песчаника мелкозернистого и 150, 100 и 130 для образцов №№ 4, 5, 6 мрамора, имеющего диаметр зерен 0,3 - 0,4 мм.

Расчет вязкости разрушения проводится по формуле

vGT

2 Р 9Р

Kic-1,1

F

VjrDt

- 0,13

Результаты расчетов следующие:

Песчаник мелкозернистый.

K(1)ic 2,24 кгс/мм372 К{2)ю 2,33 кгс/мм372

K(3)ic - 2,22 кгс/мм372

Мрамор

- 2,0 кгс/мм3 2

Л:-1.96кгс/сс3/2 . K(6)ic 1,85 кгс/мм372

Для сравнения работоспособности предложенного способа аналогичное количество образцов каждой из пород было испытано по наиболее широко применяю- щемуся Методу в практике испытаний горных пород - консольному изгибу балочек с трещиной. Размеры балочек: 120x40x20 мм. Трещина наносилась известным способом. Для изготовления одной балочки требовался керн диаметром 60 мм и длиной 150 мм.

Величины вязкости разрушения испытываемых пород, полученных этим точным способом, составили:

12,40 кгс/мм3 2 - для песчаника мел- Kic Jкозернистого;

2,16 кгс/мм 2 - для мрамора.

s

Сопоставление результатов испытаний по предложенному способу и по известному способу - консольному изгибу балочек с трещиной показывает, что предложенный способ дает величину относительной погрешности в оценке вязкости разрушения в пределах 5-9% для песчаника мелкозерни- стогои 15% для мрамора. Некоторое увеличение погрешности при испытании мрамора можно объяснить большими, чем у хрупких пород пластическими эффектами. В то время как попытки изготовить образцы по ме- тоду прототипа (диски с пропилом) не дали положительных результатов ни для одной из испытанных пород.

Предложенный способ в отличие от известного способа имеет следующие пре-

имущества: повышается достоверность получаемых результатов; существенно снижается расход материалов; при подготовке образца к испытаниям не требуется выполнение трудоемких операций по нанесению краевой трещины и по определению ее длины и формы фронта.

Формула изобретения Способ определения вязкости разрушения материалов, по которому в образце в форме диска выполняют концентратор напряжений, нагружают образец диаметрально сжатием и регистрируют параметры разрушения, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности получаемых результатов, концентратор напряжений выполняют в виде центрального сквозного отверстия, диаметр d которого выбирают из условия 0.,3D, где D - наружный диаметр диска, а сжимающую нагрузку прикладывают к боковой поверхности диска распределенно на длине, равной радиусу отверстия.

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения вязкости разрушения материалов. Цель изобретения - повышение достоверности испытания. В образце в форме диска выполняют концентратор напряжений в виде центрального сквозного отверстия, диаметр d которого выбирают из условия 0.,3 D, где D - наружный диаметр диска. Сжимающую нагрузку прикладывают к боковой поверхности диска распределенно на длине, равной радиусу отверстия, и регистрируют параметры разрушения. 1 табл.