Образец для контроля качества соединения разнородных материалов Советский патент 1993 года по МПК G01N1/28 G01N3/00 

Изобретение относится к механическим испытаниям и может быть использовано

при

выборе технологии сварки, пайки или

склеивания разнопрочных материалов друг с Др ггом.

Известен образец для контроля качества сварного соединения разнородных мате- риа/ов. Образец имеет многолепестковую форму, причем в пределах каждого из лепе- сткоа содержится участок испытуемой границы раздела между основным материалом и тем., который приварен к основному. Предельное состояние образца в ходе испытания достигается при отрыве каждого лепестка поочередно. Этот образец имеет тот недостаток, что не обеспечивает разрушен чя лепестка строго по испытуемой границ между материалами в соединении:

разрушение может проходить в объеме менее прочного из материалов вблизи от границы. Этим снижается достоверность результатов контроля.

Известен также образец для испытания материалов на сдвиг по заданному продольному слою.

Разрушение образца срезом обеспечено в ходе нагружения растяжением за счет точного выбора расстояния между вершинами надрезов. Участок испытуемого слоя выделен двумя поперечными надрезами, направленными от противоположных поверхностей навстречу друг другу до этого слоя.

Но этот образец имеет недостаток, связанный с трудностью его использования для контроля соединения разнородных материXI

Ю

СО W

о

XJ

алов: наличие надреза в объеме более прочного материала существенно ослабило бы образец, т.к. оставшееся сечение принадлежит к малопрочному материалу; рабочую протяженность испытуемой границы между материалами (расстояние между вершинами надрезов вдоль оси образца) пришлось бы установить слишком малым - непредставительным, чтобы обеспечить разрушение образца в заданном слое.

Указанный недостаток проявился бы и при наклонной ориентации испытуемой границы раздела, т.е. - в косостыковом соединении.

Цель изобретения - повышение точности оценки качества косостыкового соединения разнородных материалов за счет обеспечения разрушения именно по испытуемой границе между материалами.

Поставленная цель достигается тем, что образец, имеющий вид сплошного или полого стержня , содержащего испытуемое косостыковое соединение разнородных материалов, снабжен поперечным надрезом, причем надрез выполнен со стороны менее прочного из материалов до более прочного, в плоскости, отстоящей от вершины клина, образованного в соединении более прочным материалом, на расстоянии, определяемом из соотношения

0 2 0,.

где I - длина участка образца, содержащего испытуемое соединение (длина клина); оёп

Г/мп

- отношение значения предела прочности более прочного из материалов к пределу прочности менее прочного из них. Заявляемое соотношение получено из условия

05n.W(z)s:(7MnWBPT (1)

где W(z) - момент сопротивления сечения образца, ослабленного надрезом, как функция искомого расстояния г в соответствии со способом нагружения образца при испытании;.

Wept - момент сопротивления сечения целого образца в условиях используемого способа нагружения.

Приведенное неравенство (1) представляет собой сравнение предельных (разрушающих) значений силового фактора в двух сечениях испытуемого образца: левая часть - в сечении под надрезом в объеме более прочного материала; правая часть - в сечении целого образца менее прочного материала. Выполнение неравенства означает, что

величина силового фактора (изгибающего или крутящего момента), потребного для разрушения мягкого материала в целом сечении образца, больше, чем для разрушения

более прочного материала в сечении, ослабленном за счет надреза. Этим исключается разрушение менее прочного материала.

Прочность связи материалов по испытуемой границе раздела не известна, но в любом реальном случае она не выше прочности более пробного из материалов. Тогда по достижении в ослабленном надрезом сечении напряжений, близких к Обп . возрастает вероятность зарождения трещины разрушения на испытуемой границе раздела.

Момент сопротивления Л/брт можно выразить через размеры целого сечзния образца с помощью формул, известных из

сопротивления материалов. Момент сопротивления сечения под надрезом выражается через те же размеры и искомую координату i. Решая неравенство (1) относительно. ; можно установить длину участка

соединения (от нуля до z.i.ma), в пределах которого следует выполнить надрез , чтобы обеспечить при нагружении разрушение образца по границе раздела между материалами. Это разрушение будет заключаться в

зарождении трещины от вершины надреза и ее развитие по границе раздела на длине 1 вдоль оси образца.

Вид функций Л/брт. W(z) для сечений разной формы (прямоугольник, квадрат, круг,

кольцо и т.д.) - различен. Но с достаточной точностью Можно привести все решения неравенства (1) к универсальному выражению через значения: I - длины участка образца с косостыковым соединением; и С - соотношения пределов прочности (более прочного материала оёп к пределу прочности стмп менее прочного). Это универсальное выражение имеет вид

45

0 г Vl

.-1/2

и справедливо как в случае нагружения изгибом, так и кручением. Для реально встречающихся форм сечений в найденном выражении меняются только величина числового коэффициента к. Этот числовой коэффициент отражает особенности формы поперечных сечений и может быть условно назван коэффициентом формы сечения. Са- мое низкое значение к 0,6 относится к стержню с поперечным сечением в виде равностороннего треугольника. Это число и введено в заявляемое соотношение

0 2 0,6 I с 1/2 ,

так как если надрез в образие,выполнен в пределах от до ,6f 2 , то этим обеспечивается эффективная работа образца с сечением любой другой формы. Таким образом, основное отличие заяв- леемого образца для контроля качества соединений разнородных материалов состоит # том, что единственный поперечный над- per в пределах участка I, содержащего испытуемую наклонную границу раздела, выполнен со стороны менее прочного материала до более прочного, а плоскость надреза отстоит от вершины клина, Образованного в соединении более :фт- f-ым материалом, на расстоянии, опр-/:елл емом из соотношения

0 2 0,61 с

-1/2

В случае испытания образца изгибом величину г находим из выражения.

b h2 . b h2 c -g- -g, где hi yz

Получаем Zm3X 11 мм, если l 21 мм и О-З (величины Ьи h слева и справа сокращаются).

Очевидно, получили

0 Z 0, rflek 1,

При испытании кручением по формулам, известным ис сопротивления материалов (кн. М.М.Филоненко - Бородина, С.М.Йзюмова и др. - Сопротивление материалов, М., Гос. изд-во технихо-теоретич. литературы , 1956 г., с. 367)

Изобретение относится к механическим испытаниям. Цель - повышение точности OL ки прочности соединения с наклонной границей раздела между материалами за счет обеспечения разрушения образца именно по этой испытуемой границе. Образец в виде стержня сплошного или полного сечения, содержащий на участке длиной I косостыковое соединение разнопрочных материалов, снабжен поперечным надрезом, выполненным в менее прочном материале до границы с более прочным, а местоположение сечения с надрезрм ,р;пре-. деляется из соотношения 0 Z .ОД.; Ь V с , где с ОБ.П/ОМ.П , т.е. отношение значения предела прочности более прочного из материалов к пределу прочности менее прочного. При этом обеспечивается разрушение образца по испытуемой границе раздела материалов, если прочность связк не превосходит значения ОБ.П . 1 ил.

Обп 7М п

- отношение значения прочгде С

нести более прочного из материалов , прочности менее прочного.

Указанное отличие существенно, так 25 к не встречается ни в одном аналогичном

к

способе и сообщает заявляемому техничеому решению новое полезное свойство: повышение точности оценки качества сое- д 1нения разнородных материалов с наклон- 30

эй границей раздела за счет обеспечения разрушения именное по испытуемой грани- Ц

На чертеже в качестве примера заявляW(z)«bh2

(3 + 1,8ni/D)

,м7ьТ-где

Искомое значение У найдется из уравнения

;bh2

bh

(3 + 1,8hl7b )

лого образца показан стержень сплошно- 35 гс прямоугольного сечения: b - ширина сечения; h - высота. Образец, вырезанный сварной заготовки, содержит соедине1я двух материалов на участке длиной I: же, что , при . Для стержня с сечеили после преобразования

za-2,5z-88 0

с учетом мм; N21 мм; .

Отсюда zmax 10 мм, т.е. численно то

более прочный материал (б.п) и менее прочный (м.п). Граница разделена (гр) между ними наклонена под утлом а к продольной оси образца. Концы образца служат для его закрепления в нагружающем устройстве и приложения испытательной нагрузки, например скручивающего момента М, показанного на чертеже. Штриховкой выделены: поперечное сечение целого образца с размерами h и h; оно имеет момент сопротив- ле|ния Wept (брутто); и поперечное сечение более прочного материала под .надрезами.- с размерами hi и b и момент сопротивления Wfz), Координата сечения, ослабленного надрезом, равна Z и отложена от вершины (точка А), образуемого в соединении 6o)iee прочным материалом. Как видно на чертеже,онадрез выполнен со стороны менее прочного материала до ГР, где в сечении начинается более прочный материал.

40 нигмв форме круга решение неравенства (1) дает результат, численно равный

2тах «0,91с 1/2;

для сечения в виде кругового сектора с центральным углом 45 lmax « 0,75 с 1/2

Ясно, что назначив расстояние Z из соотношения

0,61с 1/2

для всех форм сечения образца мы и 50 подавно обеспечиваем выполнение исходного неравенства (1).

Произвели экспериментальную проверку прилагаемого образца для контроля прочности соединений между сталью мар- 55 ки О Х18Н10Т и техническим алюминием марки АД-1. Образцы вырезали из круглых заготовок, полученных клинопрессовой сваркой, Образцы имели квадратное поперечное сечение 4x4 мм, Соединение имело

W5.PT

bha

W(z)«bh2

(3 + 1,8ni/D)

,м7ьТ-где

Искомое значение У найдется из уравнения

;bh2

bh

(3 + 1,8hl7b )

что , при . Для стержня с сечеили после преобразования

za-2,5z-88 0

с учетом мм; N21 мм; .

Отсюда zmax 10 мм, т.е. численно то

нигмв форме круга решение неравенства (1) дает результат, численно равный

2тах «0,91с 1/2;

для сечения в виде кругового сектора с центральным углом lmax « 0,75 с 1/2

Ясно, что назначив расстояние Z из соотношения

0,61с 1/2

для всех форм сечения образца мы и подавно обеспечиваем выполнение исходного неравенства (1).

Произвели экспериментальную проверку прилагаемого образца для контроля прочности соединений между сталью мар- ки О Х18Н10Т и техническим алюминием марки АД-1. Образцы вырезали из круглых заготовок, полученных клинопрессовой сваркой, Образцы имели квадратное поперечное сечение 4x4 мм, Соединение имело

форму косого стыка на длине 21 мм в каждом из образцов.

Попытки оценить качество соединений, используя образцы известных конструкций не увенчались успехом: в 8-ми случаях их 10-ти разрушение развивалось в объеме менее прочного материала (алюминия). Поэтому можно было бы грубо отнести все образцы к одной категории качества.

Используя заявляемый образец (нагру- жение кручением), установили по справочным данным соотношение пределов прочности стали и алюминия С 0вп/0мп 3. Рассчитали значение Zmax по заявленному соотношению 0 z. S 0,61с . Получили fcmax ss 7 мм. Исходя из полученного значения Z, надрез в образцах был выполнен в плоскости, отстоящей от вершины клина, образуемого в соединений более прочным материалом (сталью), на расстоянии 7 мм со стороны алюминия до его границы раздела

Формула изобр°етения Образец для контроля качества соединения разнородных материалов имеющий вид полого или сплошного стержня, содержащий испытуемое соединение при наклонной границе раздела между материалами и поперечный надрез, отличающийся тем, что, с целью повышения точности оце.жи качества соединения за счет обеспечения разрушения именно по границе раздела, надрез выполнен со стороны менее прочного из материалов до более прочного в плоскости, отстоящей от вершины клина,

0 5

0

со сталью. В ходе последующего испытания образцов циклическим кручением регистрировали число циклов нагружения NT до образования трещины при амплитудном значении напряжения, равном 50 МПа. Испытали 10 образцов. Из них 8 разрушились отрывом алюминия от стали, т.е. показатель NT относится к качеству связи между сталью и алюминием. Образцы удалось дифференцировать в три группы по качеству и на это основании откорректировать режим сварки стали с алюминием.

Таким образом, заявленная конструкция образца для контроля качества соединения разнородных материалов дает преимущество по сравнению с известными, т.к. обеспечивает отделение материалов друг от друга по границе между ними, отчего оценка качества соединения оказывается более точной.

образованного более прочным материалом в соединении, на расстоянии Z определяемом из соотношения

S 0,

где I - длина участка образца, содержащего испытуемое соединение, - отношение значения предела прочности более прочного из материалов к пределу прочности менее прочного. М