Призматический образец для оценки механических свойств материала Советский патент 1993 года по МПК G01N3/28 

иую прорезь, перпендикулярную оси образца, и симметрично расположенные на противоположных широких гранях образца плоские надрезы в виде ломаных линий, которые выходят из соответствующих концов центральной прорези и достигают боковых сторон образца. Надрезы состоят из прямолинейных участков, разделенных сквозными прорезями, которые выполнены на

одной из захватных частей параллельно оси образца и располагаются между концами соответствующих прямолинейных участков ломаной линии надрезов и торцом указанной захватной части,

Недостатком известного образца является следующее. Во-первых, ввиду его достаточно сложной конструкции он имеет сравнительно большую трудоемкость в изготовлении. Во-вторых, процесс испытания образца является также достаточно трудоёмким. Действительно, необходимо проводить испытание на растяжение по отдельности каждой части образца между продольным и прорезями. Для этого необхо- .димо предпринять специальные меры, что- бы приложение растягивающей нагрузки к каждой из этих частей было строго соосным. Одновременное нагружение всех участков образца требует изготовления специально- го приспособления для захватной части с продольными прорезями. Кроме того, в этом случае в зоне наклонных участков плоских надрезов существенно искажается напряженно-деформированное состояние и оно будет неоднородным по длине участков. Это имеет место по следующей причине. Часть образца между наклонным участком надреза, продольными прорезями и торцом образца схематически представляется как балка с жесткой заделкой на одном конце ( зоне надреза) и шарнирным опиранием на другом конце (у торца обреза). При растяжении образца материал переходит в пластическую стадию деформирования только в зоне надрезов. Вследствие сдвига вдоль наклонных надрезов вся балка как жесткое тело совершает поворот вокруг шарнирной опоры. Такой вид перемещения эквивалентен перемещению балки при пластической деформации в жесткой заделке при совместном действии на балку растягивающей нагрузки и изгибающего момента.

И наконец, точность оценки меха.ниче- ских свойств исследуемого материала при использовании известного образца будет недостаточной вследствие того, что не указаны его основные размеры, особенно во взаимосвязи с прочностными свойствами материала.

5

0.

5

0 5 . 0 5 0 5 0

5

Цель изобретения - снижение трудоемкости изготовления, испытания образца и повышение точности оценки механических свойств материала.

Поставленная цель достигается тем. что каждая ломаная линия надрезов содержит по три участка, каждый из которых вполне определенно ориентирован по отношению к продольной оси образца, разделительные сквозные прорези между участками выполнены в виде круглых отверстий, а размеры образца выбраны из условий, которые получены ниже.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения и прототипа показывает, что предлагаемый образец отличается тем, что сквозные разделительные прорези выполнены круглыми с диаметром d (1,5- 2)1, а параметры центральной п-рорези и участков надрезов выбираются из соотношений, приведенных ниже.

Сравнение заявляемого образца не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области не позволило в ыявить в них признаки , являющиеся для заявляемого образца отличительными.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение заявляемого образца; на фиг, 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - диаграмма пластичности листовой стали 12 х 13.

Образец содержит захватные части 1 и 2, центральную прорезь 3 и плоские надре- зы 6, 7 и 8, 9, выполненные в виде ломаных листов на противоположных широких гранях 4 и 5 образца. Между участками ломаной линии надрезов выполнены сквозные круглые отверстия 10-13. Первый участок, считая от бокового края образца, перпендикулярен к его продольной оси (Ф 90°), второй участок наклонен к оси под углом Ф 19,5°, а третий участок параллелен продольной оси образца ( Ф 0°).

Ввиду геометрической и силовой симметрии образца относительно его продольной оси в любой точке зоны плоских надрезов справедливо равенство

- l -ctg/Ф/,(1)

ЈХ|

где уХ1 yi, Јxi - соответственно деформации сдвига и удлинэния в сечении вдоль участка надрезов, наклоненного к продольной оси образца под углом /Ф /.

Для изотропного материала условие подобия девиаторов напряжений и деформаций имеет вид

Јxi -Јо Ух1У1

-оь 2 г

Х1 У1

(2)

где Ко , (J0 - соответственно шаровые со- с валяющие тензоров деформаций и напряжений;0x1 . fx«yi - соответственно нормальнее и касательное напряжение в сечении вдоль наклонного участка надрезов.

В виду пластической несжимаемости материала сь 0 . а оь (Oxi +fy +Oz)/3.

В

нашем случае (7Z 0, а вследствие того, что

eji 0 (имеет место плоская деформация и

d (1,5...2)1.(9) Напряжения на каждом участке плоских надрезов по соответствующим формулам известной работы, если в них, учитывая соотношение (4), вместо ctg Ф подставить 0,25 ctg Ф

4аи51п/Ф/ . о -

V3(1 +3sinM r Oyi ,

Изобретение относится к испытательной технике. Целью изобретения является повышение точности оценки прочности материала, упрощение испытаний и снижение v- трудоемкости изготовления испытуемого об- . разца. В призматическом образце па его ши- рокой грани выполняют центральную прорезь длиной а 0,84 + 2с1 перпендикулярно оси образца и двусторонние симметричные надрезы, имеющие форму ломаной линии, сообщающиеся с центральной прорезью и имеющие вертикальные участки длин ой b 20h, наклонные под углом Ф 19,5° к оси и образца, и перпендикулярные узким граням образца участка. Все звенья ломаной линии надрезов разделены друг от друга сквозными круглыми прорезями диаметром d (1,5-2) I, где h - толщина исследуемого образца в зоне надрезов; I-ширина надрезов исследуемого образца. 3 ил. деформации сдвига вдоль наклонных надрезов. Захваты многих испытательных машин не в состоянии в полной мере компенсировать относительное поперечное смещение головок образца с наклонными надрезами. Эта причина, а также отсутствие конкретных размеров известных образцов, особенно в их взаимосвязи с прочностными свойствами исследуемых материалов, делает надежность и точностью результатов испытаний этих образцов недостаточно высокой. Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является призматический образец для оценки прочности материала. Он имеет центральел С ч ю со Сл) го о

- Ez). нормальное напряжение в на- авлений наклонного участка Oyi Ok1/2.

Т.

гда

СТХ1 4-Оу Oxi

°° з

П

еле подстановки найденных величин в (2) лучаем, что

rx1yi/0xi 0,25с1д/Ф/.(4). При условии, что материал образца в з не плоских надрезов изотропен и в запле- ч1 ках, примыкающих к зоне надрезов, нагружен только упруго, толщина образца в зс не надреза на каждом участке может быть

Не

йдена по формуле

о-в V7

3 sin2 Ф + 0,75 cos2 Ф

sin2 Ф +0,75 cos2 Ф

пс лученной в соответствии с известной методикой,

где И - толщина образца вне зоны надрезов (Фиг. 2);

Or, OB - соответственно пределы текуче- СТ1 и прочности материала образца.

Исследование функции (5) показало/что Mi/нимальное значение величины h имеет мести при Ф 90° и соответственно равно

h 0,7 НОг/Оц.

Целесообразно толщину образца в зоне плэских надрезов на всех прямолинейных учлстках выполнять постоянной и равной величине, определяемой равенством (6). При этом в заплечиках плоских надрезов на участках, перпендикулярных продольной оси образца ( Ф 90°), интенсивность напр шений Ои близка к пределу текучести От материала, а на других участках сги оу.

Для обеспечения условий однородность напряженно-деформированного состоя- нил в зоне плоских надрезов в соответствии сп эинципом Сен-Венана ширина надрезов I. /Глина прямолинейных участков b и диа- ме р разделительных круглых отверстий d до/жны удовлетворять условиям

l (3...5)h.(7)

, (8)

Txtyi

Ой COS Ф

V3(1 )

(Ю)

20

15

где С7И - интенсивность напряжения. Остальные компоненты тензора напряжений равны нулю.

Длину центрального надреза а найдем из условия прочности перемычки между отверстиями 10 и 11.

Н(а -2d)

0т,

01)

25

где растягивающее усилие Р определяется по формуле

Р 2тХ1у1 bh.(12) После подставнрки в (12) выражения txiyi

30 из (10) при Ф 0° получаем Р 2 аи bH/V157

Примем, что наибольшее значение силы Р

.имеет место при (7И ов. Тогда с учетом

найденной величины силы Р и выражения (6)

из формулы (11) получаем

35 a 0,84b + 2d. (13) Диаграмма пластичности исследуемого материала (фиг. 3) представляет собой экспериментальную зависимость накопленной к моменту разрушения интенсивности де4Q формации ЕЙ от паказатёля жесткости напряженного состояния К 3 оъ/ Oii. С учетом (3) и (10) получаем, что в зоне любого наклонного участка плоских надрезов

К

/3

V1 + 0,25 ctg Ф

(14)

Для листовых металлических материалов, подвергаемым операциям листовой

штамповки, наиболее важным является уча- сток диаграммы ; пластичности при К 0. Для аналитической аппроксимации диаграммы пластичности любой кривой второго порядка достаточно иметь три точки. Желательно, чтобы средняя точка была примерно посредине между крайними. Две крайние точки соответствуют К 0 (Ф 0°) и К -- 1.73 ( Ф 90°). При условии, чтобы третья точка соответствовала одноосному растяжонию (К 1), средний участок ломаного надреза

должен быть наклонен к продольной оси образца, как это следует из формулы (14). под углом Ф 19,5°. Как уже указано выше, в зоне наклонного участка надрезов yxi yi Јxi ctg /Ф/, Јz -Јxi , а остальные компоненты тензора деформаций равны нулю. В этом случае интенсивность деформаций в зоне наклонного участка надрезов определяется по формулам

Ји У1 +° 25 . (15)

или

,И Ш ;ГГ+4Т Ж.(16)

Для предлагаемого образца на поперечном участке (Ф 90°) интенсивность деформаций целесообразно определять по формуле (15), а на наклонном (Ф 19,5°) и продольном (Ф - 0°) участках - по формуле (16). Напомним, что здесь Јх-| -деформация удлинения в направлении ширины надреза, a yxi yi - относительный сдвиг вдоль надреза. -:

При проведении испытания на растяжение предлагаемого образца одновременно нагружаются зсгны надрезов всех трех пар симметричных участков. Разрушение материала происходит последовательно сначала на крайних поперечных участках, затем на наклонных, а потом уже на продольных участках.-,.- .

Ф о р му л а и з о б р ете.н и я Призматический образец для оценки механических свойств материала, имею- щий центральную прорезь длиной а, выполненную на широкой грани образца/ перпендикулярно его оси, и двусторонние симметричные надрезы, имеющие форму ломаной линии, сообщающиеся с централь- ной прорезью, и имеющие вертикальные участки длиной Ь, наклонные под углом Ф к оси образца и перпендикулярные узким граням образца участки, а вс е звенья ломаной линии надрезов разделены друг от друга сквозными прорезями, отличаю щий- с я тем, что, с целью повышения точности оценки прочности материала, упрощения испытаний и снижения трудоемкости изго- товления образца, сквозные разделитель-

Таким образом, по сравнению с образцом, заявляемый образец имеет меньшую трудоемкость изготовления (круглые отверстия вместо разделительных сквозных

продольных разрезов до торца образца), проведения испытаний и высокую точность оценки механических свойств материала за счет, конкретизации размеров образца.

Предлагаемая конструкция образца оп- робирована на примере листовой стали 12 х 13 толщиной Н 5 мм в состоянии поставки. Материал имеет характеристики: 0V

450 МПа,ств 650 МПа. По формулам (6)-(9), (13) получены следующие значения размеров образца h 2,42 мм (принимая Г1 2мм), 1 10 мм, b 40 мм, d 15 мм, а 63,3 мм (принимаем а 65 мм). На всех участках

надрезов была нанесена делительная сетка с квадратной ячейкой 1 х 1 мм. После испытания образца на инструментальном микроскопе были замерены параметры искаженной делительной сетки и вычислены

по формулам (15) и (16) значения предельной интенсивности деформаций для каждого участка надрезов. Усредненные значениями для каждой пары симметрично расположенных участков следующие: К 1,73 (Ф 90°),

Ј„ 0,60; К- 1 (Ф 19,5°), ей 0,81: К 0 ( Ф 0), Ји 1,39. Диаграмма пластичности листовой стали 12х 13 представлена на фиг. 3.

ные прорези выполнены круглыми с диаметром d (1,5-2)1, а параметры центральной прорези1 и звеньев надрезов выбираются из следующих условий:

а 0,84b + 2d;

b 20г.,5°;

h 0,7Н ov/ оь;

(3-5)h,

где h - толщина исследуемого образца в зоне надрезов;

Н -толщина исследуемого образца вне зоны надрезов;

I - ширина надрезов исследуемого образца;

7г- предел текучести материала образца;

предел прочности материала образца.