книги / Методы оценки трещиностойкости конструкционных материалов
..pdfинтенсивности напряжений
|
К ^Р , 1) = |
Р У 2 |
(VI.8) |
|
|
tVb |
|||
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v _ 3 L |
1,93 |
\U — 3.07 ( 4 - ) 3/' + |
14,53 (-у-)*7* — |
|
х * — Т |
|
|
|
|
|
— 25,11 |
-L )v' + 25,80 |
(VI.8а) |
|
Значения функции Y 2 при отношении расстояния между опорами к ширине образца 4 : 1 приведены в табл. 6. Последовательность определения К ic такая же, как и в предыдущем случае. Аналогично поступают при определении трещиностойкости материалов по схе мам, изображенным на рис. 41, в, г.
В ряде работ [37, 40, 42] предложены упрощенные методы уста новления К\с, основанные на фрактографическом анализе усталост ных изломов цилиндрических образцов.
Значительный практический интерес представляют данные о трещиностойкости материала, выраженные через значения кри тического раскрытия трещины бк. Несомненный прогресс в осу ществлении такого подхода наметился лишь в течение последних лет [44, 84].
Некоторые замечания об унификации эксперимента. При экспе риментальном определении характеристик трещиностойкости (у, KiC, 6К) необходимо решить такие задачи:
а) выбрать наиболее рациональную форму и размеры образца; б) создать искусственную трещину; в) обеспечить необходимую точность регистрации длины трещины и предельной нагрузки в процессе проведения эксперимента.
Во многих случаях выбор формы образца предопределяется ассортиментом исследуемого материала (пруток, плита, лист и др.), а также особенностями конструктивных элементов. В связи
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
6 |
|
1/Ъ |
0,000 |
0,001 |
0,002 |
0,003 |
0,004 |
0,005 |
0,006 |
0,007 |
0,008 |
0,009 |
0,450 |
9,10 |
9,13 |
9,15 |
9,18 |
9,21 |
9,23 |
9,26 |
9,29 |
9,32 |
9,35 |
0,460 |
9,37 |
9,40 |
9,43 |
9,46 |
9,49 |
9,52 |
9,54 |
9,57 |
9,60 |
9,63 |
0,470 |
9,66 |
9,69 |
9,72 |
9,75 |
9,78 |
9,81 |
9,84 |
9,87 |
9,90 |
9,93 |
0,480 |
10,26 |
9,99 |
10,03 |
10,06 |
10,09 |
10,12 |
10,15 |
10,18 |
10,21 |
10,25 |
0,490 |
10,28 |
10,31 |
10,34 |
10,38 |
10,41 |
10,44 |
10,48 |
10,51 |
10,54 |
10,58 |
0,500 |
10,61 |
10,65 |
10,68 |
10,71 |
10,75 |
10,78“ |
10,82 |
10,85 |
10,89 |
10,93 |
0,510 |
10,96 |
11,00 |
11,03 |
11,07 |
11,11 |
11,14 |
11,18 |
11,22 |
11,25 |
11,29 |
0,520 |
11,33 |
11,37 |
11,40 |
11,44 |
11,48 |
11,52 |
11,56 |
11,60 |
11.64 |
11,67 |
0,530 |
11,71 |
11,75 |
11,79 |
11,83 |
11,87 |
11,91 |
11,96 |
12,00 |
12,04 |
12,98 |
0,540 |
12,12 |
12,16 |
12,20 |
12,25 |
12,30 |
12,33 |
12,37 |
12,42 |
12,46 |
12,50 |
с этим, а также с учетом удобства проведения эксперимента или из готовления образца известен ряд форм образцов и схем их нагру жения (приложение 3).
Для создания искусственной трещины обычно применяют цик лическое нагружение образца до появления усталостной трещины требуемых размеров. Для этой цели могут быть также использо ваны ударные нагрузки и специальные приспособления, необхо димые для остановки трещины, предварительное охрупчивание области конца концентратора (например, охлаждение, наводороживание и т. п.), расклинивание и т. д. [4, 5, 91, 92, 100, 107, 145].
Для определения длины трещины и величины действующей нагрузки используют методы киносъемки, токовихревые методы, проволочные датчики, акустические методы и др. [145].
В приложении 3 приведены основные схемы нагружения об разцов, а также расчетные формулы и номограммы для обработки экспериментальных данных по установлению характеристик трещиностойкости конструкционных материалов.
Для унификации проведения исследований в 1969 г. в США были разработаны нормативы (ASTM) [230] проведения испыта ний по определению значений К\с конструкционных материалов. Однако предложенные к настоящему времени варианты проекта стандарта [9, 209] по определению характеристики трещиностойкости материалов (см. рис. 41, а, б) оказались трудоемкими. Это препятствует широкому внедрению в инженерную практику новых методов оценки работоспособности материала в конструкции по данным его трещиностойкости.
Стандартизация методов определения характеристик трещино стойкости (у, К\с, 6К) конструкционных материалов в реальных условиях эксплуатации требует подбора таких силовых схем нагружения образцов с трещинами, которые были бы просты в экспериментальном осуществлении и соответствовали бы теоре тическим моделям механики хрупкого разрушения. Наиболее пер спективной из таких силовых схем является растяжение цилинд рического образца с внешней кольцевой трещиной. Цилиндри ческими образцами давно пользовались [12, 110, 194, 208, 232, 259] при изучении прочностных свойств конструкционных мате риалов, в частности для выяснения влияния надреза. Цилиндри ческий образец обладает тем преимуществом, что его легко изго товить и на нем легко создать исходный кольцевой надрез необходимой глубины и остроты. В отличие от схем, когда приме няются плоские образцы, эта силовая схема реализует локальное состояние плоской деформации вдоль всего контура трещины, что соответствует расчетным моделям. Кроме того, цилиндрический образец может быть успешно применен для оценки склонности ма териала к хрупкому разрушению как при статическом, так цглри ударном нагружении.
Цилиндрический образец, однако, еще не стал объектом широ кого применения при определении характеристик трещиностой
кости. По-видимому, одна из основных причин этого — отсутствие эффективных способов образования и контроля глубины концент ричной кольцевой трещины в образце на дне кольцевого надреза.
2. Растяжение образца
Для определения трещиностойкости кон струкционных материалов достаточно перспективным является использование цилиндрического образца с внешней осесимметрич ной кольцевой трещиной, которую легко получить путем кругово го трехточечного или четырехточечного изгиба при жестко фикси рованной стреле прогиба в процессе вращения образца [95, 98]. Такой образец в дальнейшем подвергают статическому растяжению, измеряя при этом разрушающую нагрузку Р5|с. После разрушения образца измеряют его геометрические размеры. Располагая ис ходными данными о силовых и геометрических параметрах для образца с трещиной после его разрушения и пользуясь аналити ческими зависимостями для подсчета коэффициентов интенсивнос ти напряжений или критического раскрытия трещины, определяют числовые значения трещиностойкости материала.
Образцы для испытаний. Цилиндрический образец диаметром D 0 и д л и н о й 10 D Q и з г о т о в л я ю т и з имеющегося в наличии прутко вого или листового материала. На токарном станке нарезают кольцевой концентратор глубиной до DK^ 0,8 D0 с углом рас крытия а <; 60° (рис. 42) и радиусом кривизны дна надреза р
Рис. 42. Схемы образцов для испытаний по определению трещиносюйкости при растяжении с резьбовыми головками под захваты (а) и о'галтелями иод захваты (б).
не более 0,25 мм. Если для материала предусмотрена упрочняю щая термическая обработка, то ее осуществляют до финишной обработки концентратора, и только после этого образец подверга ют шлифовке по внешнему диаметру D 0 и по концентратору D K. Этот момент является важным с точки зрения получения кольце вых осесимметричных трещин, а также для исключения появления перекосов при проведении эксперимента. Образцы для испытаний могут применяться двух типов (см. рис. 42): с резьбой или с гал телями на концах. На торцах образца должны быть центровочные отверстия, которые необходимы при точении и шлифовании образ цов, а в дальнейшем — для закрепления их при образовании коль цевых трещин.
Методика образования кольцевых трещин [95, 98]. Процесс об разования кольцевых трещин в цилиндрических образцах являет ся, в методическом плане, важным этапом подготовки образцов. Известно [10, 120, 140, 154] несколько способов образования коль цевых трещин в цилиндрических образцах. Однако эти способы неэффективны и не гарантируют осесимметричности образовав шейся трещины, т. е. получение трещины, круглой в плане; они сложны в реализации и др.
Авторами работ [95, 98] предложен более эффективный способ образования поверхностных осесимметричных трещин в цилиндри ческих образцах. Сущность метода заключается в следующем. Цилиндрический образец с кольцевым надрезом подвергают круго вому изгибу при вращении с жесткой фиксацией стрелы прогиба / при соответствующей ей поперечной нагрузке Qf. Принципиаль ная схема нагружения образца для образования кольцевых уста лостных трещин трехточечным (а) или четырехточечным (6) кру говым изгибом изображена на рис. 43. Зацентрованный с двух сто-
Рпс. 43. Принципиальная схема нагружения образца для образования кольцевой усталостной трещины трехточечным (а) и четырехточечным (б) круговым изгибом:
1 — образец; 2 — центр вращающийся, ведущий; 3 — центр вращающийся, ведо мый; 4 — шарикоподшипник; 5 — пилка; 6 — динамометр; 7 —*блок питания; 8 — тензоусилитель; 9 — измерительный прибор.
рон образец 1 одним концом ус танавливают на жесткий центр 2, закрепленный в трехкулачко вом патроне токарного станка, а другой конец образца поджи мают минимальной силой Р со стороны задней бабки станка вращающимся центром 3. На грузка, воспринимаемая шари коподшипником 4 через вилку 5, передается на жесткий динамо метр 6 с наклеенными прово лочными преобразователями, сигнал с которого подается че рез тензоусилитель 8 на изме рительный или регистрирующий прибор 9.
Поперечное нагружение об разца нагрузкой Qf обеспечи вается приспособлением (рис. 44), закрепленным в резцедер жателе суппорта станка. Вращающийся образец нагру жают необходимой нагрузкой Qf, в результате чего на дне кольцевого надреза по всему периметру зарождается, а за тем распространяется кольце
вая трещина. Контроль за образованием трещины осуществляют по показаниям измерительного прибора, который, собственно,, фиксирует изменение жесткости образца в результате зарождения и распространения в нем трещины. При этом если разбаланс моста датчика нагрузки, вызванный нагрузкой Qf, скомпенсировать до нуля, а затем дальнейший разбаланс моста, вызванный нагрузкой ДQt , расширить на всю шкалу измерительного прибора при повы шении его чувствительности, как это делалось, например, в работе149], то удается довольно четко фиксировать по показаниям измери тельного прибора начало появления, а затем и подрастание коль цевой трещины.
Описанная методика образования кольцевых трещин опробо вана [51, 93, 96, 97, 99, 109] в процессе определения трещиностойкости ряда конструкционных материалов. Она позволяет успешно решать проблему создания искусственных трещин при эксперимен тальном установлении величины трещиностойкости конструкцион ных материалов на цилиндрическом образце с кольцевой трещиной.
В некоторых случаях, в частности при определении критиче ского раскрытия 5Ктрещины в ее вершине, возникает необходимость иметь в цилиндрическом образце две идентичные кольцевые тре
Образцы подвергают термической обработке, если такая предусмот рена, до образования в них трещин, а затем шлифовке. На изготов ленных образцах создают усталостные трещины таких размеров,
чтобы глубина концентратора была не больше, |
чем глубина уста |
|
лостной трещины, т. е. чтобы выполнялось условие |
||
DK— |
D0 DKl |
(IV.9) |
где d — диаметр перешейка в образце с трещиной.
Из результатов работы [9] следует, что режим создания тре
щины должен быть таким, чтобы коэффициент интенсивности |
на |
|
пряжений К if в вершине образующейся |
трещины составлял |
не |
более 0,6 KiC1 т. е. |
(VI.10) |
|
К и < 0 ,6К ь- |
||
Исходя из этого, а также требуя выполнения для зоны предразрушения усталостной трещины условия автомодельности (см. па раграф 3 гл. IV), определяют поперечную нагрузку Qf для созда ния усталостной трещины
Q t< 0 № A , |
(VI.11) |
где QA — значение изгибающей нагрузки, при |
действии которой |
на образец заданных размеров в окрестности контура трещины возникает пластическая зона, удовлетворяющая условиям авто
модельности (см. гл. IV). |
(IV.81) и |
(IV.82), а также данные |
|||
Используя |
соотношения |
||||
гл. III, считая при этом радиус концентратора равным нулю, |
|||||
получаем |
|
|
|
ard3F0(е) |
|
|
|
|
|
(VI.12) |
|
|
|
|
|
|
|
где |
|
|
L[V BK (1—е)+ 2е /е ]2 |
||
d |
|
d |
v / х |
У е У е - 1 —0,8012 |
|
е |
|
||||
Do |
ек |
V ’ |
'oW |
y j ^ |
|
Образец устанавливают на станок, приводят во вращение и на гружают поперечной нагрузкой Qf (создают усталостную трещину). После образования трещины образец устанавливают на разрывную машину и определяют разрушающую нагрузку. После разрушения образцов измеряют диаметр перешейка d в плоскости расположе ния трещины. Измерения проводят в двух взаимно перпендикуляр ных направлениях на большом инструментальном микроскопе и
вычисляют среднее |
значение d0. Располагая экспериментальными |
|||
данными, находят |
величину трещиностойкости |
|
||
|
1^(0) |
У 2 |
Р* |
(VI.13) |
|
1с ~ |
V M , |
^ (е) |
|
|
|
|||
Функцию h (е) вычисляют по формуле |
|
|||
|
(1 — 0,5000е — 0,1250е2 + 0,2757е3 — |
|||
fi (е) = 'Vi — е |
|
|
|
|
— 0,2082е4 + 0,0663е5 + |
0,0048е6 — 0,0130е7). |
(VI.13a) |
||
Определив значение коэффициента |
для выбранных разме |
|||
ров |
образца d0 и D 0, проверяют удовлетворение условия образова |
|||
ния |
усталостной |
трещины, которое выражается неравенством |
||
(VI. 10) или |
|
К\У4ро(е) |
|
|
|
Q, < |
0,7522 |
(VI. 14) |
|
|
V d 0L [ у ек(1—е) + |
|||
|
|
|
2 e f е]2 |
|
В это неравенство подставляют значения ек =
и ifi°c, установленные в процессе эксперимента для данного об разца. В случае невыполнения указанного условия эксперимент необходимо повторить, уменьшив нагрузку Qf до требуемой вели чины.
Далее определяют достоверность полученного результата на основе установленных ранее условий (см. параграф 4 гл. II), т. е. находят необходимые размеры d и D образцов, пользуясь не равенствами
1,6 |
Д > 2,3 |
(VI. 15) |
Если приведенные условия |
выполняются, т. |
е. реализуемые |
в эксперименте d0 ;> d, a D 0 >> D, то полученное |
первоначальное |
|
значение Ки является достоверной величиной трещиностойкости материала К\с. В противном случае оно является условным и для установления значений К\с эксперименты необходимо повторить по вышеизложенной схеме на образцах больших размеров.
3. Изгиб образца. Примеры определения К\с
В данном параграфе предлагается экспе риментальная методика определения трещиностойкости кон струкционных материалов, основанная на результатах аналити ческих исследований задач теории трещин по силовой схеме изги ба цилиндрического образца с внешней кольцевой трещиной. Суть методики сводится к следующему. В изготовленном цилиндри ческом образце нарезают кольцевой концентратор и создают уста лостную кольцевую трещину. Затем снимают слой материала на глубину кольцевого концентратора. Далее проводят испытание образца на статический трехточечный изгиб, измеряя при этом раз рушающую нагрузку. Располагая размерами образца (внешним диаметром 2?к, диаметром d перешейка в плоскости расположения трещины и длиной образца 2L), по установленной ранее аналити ческой зависимости (III.86) определяют трещиностойкость K ic конструкционного материала.
Экспериментальная проверка ^-тарировки для изгиба ци линдрического образца с кольцевой трещиной. Поскольку анали-