книги / Методы оценки трещиностойкости конструкционных материалов

ном исследовании усталостного распространения трещины лучше всего применять циклический метод нахождения характеристики трещиностойкости материала К\с. Это связано с тем, что методикй проведения эксперимента на усталость и на установление значе­ ния K ic циклическим методом одинаковы.

Сущность предлагаемого здесь циклического метода определе­ ния характеристики трещиностойкости материалов K ic состоит

вследующем. Рассмотрим диаграмму усталостного разрушения

вкоординатах Ф — Я (см. рис. 26). Напомним, что Ф — характе­ ристическая функция усталостного разрушения, обратная по

На основании анализа многих экспериментальных данных, представленных, например, в работах [124, 145, 150, 156], следует, что в области малоцикловой усталости (X < 0,4 — 0,5) диаграмма усталостного разрушения Ф — X имеет вид ветви параболы второй степени (см. рис. 26) и хорошо аппроксимируется аналитической зависимостью

где А — неизвестная константа, которая определяется из экспе­ римента.

Рассмотрим теперь изменение коэффициента интенсивности на­ пряжений К г при увеличении глубины кольцевой усталостной трещины в цилиндрическом образце, подвергнутом циклическому нагружению кругового изгиба с постоянной величиной стрелы про­ гиба. Как следует из формул (III.92), (III.93) и рис. 17, это изме­ нение не превышает 2% на промежутке изменения относительной

глубины трещины при 0,65 <; е <; 0,75 (е = Z)_1d). Следователь­ но, если в результате эксперимента сделано два продвижения уста­

и iV2, то скорость v\ усталостного распространения трещины мож­ но достаточно точно найти для каждого продвижения по формуле

* « D(% 1~ Si)- 0 = 1, 2). (VIII.32)

При этом необходимо отметить, что продвижения усталостной трещины осуществляются при таких различных интенсивностях напряжений, при которых значение безразмерного параметра Я» находится в области малоцикловой усталости

Используя тот факт, что характеристическая функция усталост­ ного разрушения Ф (Я) является обратной величиной скорости

v усталостного распространения трещины, а также соотношения (VIII.30) — (VIII.32), для определения величин А и К\с получаем такую систему алгебраических уравнений:

А2 — К[1)А2К Т с= с1;

(VIII.34)

А2 — К^А^КТс = с г.

Здесь K[l\ Kf* — коэффициенты интенсивности напряжений для каждого продвижения усталостной трещины, которые опре­ деляются равенством (III.92);

Решая систему алгебраических уравнений (VIII.34), получаем

После того как найдена величина К ic, вычисляют соответ­ ствующие значения и Х2 по формуле (VIII.30) и проверяют вы­ полнение условия (VIII.33). Если это условие не выполняется, то эксперимент повторяют при больших интенсивностях напряже­

ний К[^ и KfK Для этого выбираются цилиндрические образцы таких размеров, чтобы выполнялись условия автомодельности зо­ ны предразрушепия (IV.81) и (IV.82) при циклическом нагруже­ нии образца. Найденное таким образом значение величины К ic используют для составления программы эксперимента на уста­ лость, после чего проводят испытания. Если в процессе экспери­ мента на усталость измерение глубины усталостной трещины осу­ ществляют ориентировочно с помощью датчика динамометра нагружающего устройства, то каждое продвижение трещины необ­ ходимо фиксировать или специально красящими жидкостями, или зоной низкоскоростного распространения трещины, которое реализуется при достаточно малых интенсивностях нагружения с увеличением скорости вращения образца.

После трех продвижений усталостной трещины образец дола­ мывают и уже точно определяют относительную глубину 8 каж­ дого ее продвижения. При этом эксцентричность кинетических контуров усталостной трещины не должна превышать 2%. В про­ тивном случае эксперимент надо повторить.

Для материала, обладающего неоднородными прочностными свойствами, предлагаемая в настоящей главе методика исследова­ ния усталостного разрушения непригодна. В таком случае надо разрабатывать другие методы.

Располагая экспериментальными данными 8j, D , Ni, Р L, приступают к построению диаграмм усталостного разрушения. Для этого используют методику, разработанную в параграфе 4 гл. IV. На основании данных эксперимента е*, D, L, Pi, а также соотношений (III.90), (IV.78) определяют величины;,^. Исполь-

тате испытания получили такие данные:

На основании аналитической зависимости (VIII.41) на рис. 114 построена диаграмма Ф — А, усталостного разрушения стали 40Х при соответствующей термообработке.

ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ НЕКОТОРЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Конструирование крупногабаритных эле­ ментов, используемых в кораблях, мостах, резервуарах, сосудах давления, трубопроводах, турбинах связано с подбором для изго­ товления этих элементов наиболее устойчивых против хрупкого разрушения материалов. Поскольку известно, что хрупкое разру­ шение происходит путем быстрого или постепенного развития трещины, любые суждения о прочности крупногабаритных конст­ рукций или конструкций из высокопрочных материалов должны обязательно включать характеристики их трещиностойкости. Одной из таких широко используемых в конструкторской практике характеристик является величина К\с. В настоящее время уже раз­ работан ряд различных методик для определения величины К\су а также установлена эта характеристика для широкого класса ма­ териалов. Однако это еще далеко не удовлетворяет потребностей инженерной практики.

Вприложении 1 предлагается новая эффективная методика по определению характеристики К\су которая является резуль­ татом теоретических и экспериментальных исследований, пред­ ставленных в предыдущих главах.

Вприложении 2 приведены данные по сравнению трещиностой­ кости некоторых материалов, полученные на различных схемах нагружения образцов.

Вприложении 3 приведены значения трещиностойкости широко распространенных конструкционных материалов и сплавов, а так­ же схемы нагружения образцов (рис.115—124), применяемых исследователями при определении трещиностойкости материалов.

Экспериментальное определение трещиностойкости конструкционных материалов (рекомендация по стандартизации методики определения трещиностойкости)

Настоящая рекомендация распространя­ ется на черные и цветные металлы и сплавы, а также на их сварные соединения и устанавливает метод испытания при статическом

области деформаций, при которой поверхности трещины переме­ щаются в направлении, перпендикулярном к ее плоскости. Вели­ чина К г прямо пропорциональна приложенной нагрузке и зависит от длины трещины и геометрии образца.

2.В момент нестабильного распространения трещины в окрест­ ности ее контура формируется зона предразрушения, размеры и формы которой одинаковы для всех макротрещин (независимо от их геометрии, конфигурации тела и нагружения), содержащихся

водном и том же материале.

3.Конфигурация и размеры зоны предразрушения, а также про­ цессы, происходящие в ней в момент симметричного (нормального) разрыва при выполнении условий состояния плоской деформации, полностью описываются значением коэффициента интенсивности

напряжений К г = К\с. Величина К ic — показатель стойкости материала против хрупкого разрушения.

4.Испытания с целью определения характеристики К\с для данного материала состоят из двух этапов:

а) образования трещины в испытуемом цилиндрическом об­ разце;

б) распространения трещины в испытуемом образце под дей­ ствием приложенных к нему нагрузок.

5.Рекомендация устанавливает необходимые геометрические размеры образцов, метод создания исходной усталостной трещины,

атакже меры, которые необходимо принять, если первичное испы­ тание дало неполноценные результаты.

6.Характеристику трещиностойкости материала определяют на цилиндрическом образце с кольцевой трещиной при статическом его растяжении или изгибе.

при изгибе

4.Величина К{с стандартного образца до испытания неизвест­ на. Поэтому принимают следующие (если это возможно) первона­ чальные размеры образца: D0 = 16 мм; d0 = 11 мм; Ь0 = 80 мм (обычный цилиндрический образец).

5.Цилиндрический образец выбранных размеров D0 и L0 уста­ навливают на токарном станке, и на срединной части образца де­ лают кольцевой надрез указанных в п. 2 размеров.

6.Усталостная трещина создается по схеме кругового трех­ точечного или четырехточечного изгиба (см. рис. 43) цилиндри­ ческого образца с постоянной стрелой прогиба. При этом исполь­ зуется специальное приспособление для нагружения образца и

регистрации нагрузки, при которой осуществляется образова­ ние усталостной трещины.

7.Для создания трещины может быть использован токарный станок любой марки, позволяющий установить в центрах вы­ бранный образец длины 2Ь0 и обеспечивающий его нагружение поперечной нагрузкой Qj.

8.Нагружение образца поперечной нагрузкой Qj осуществля­

ется с помощью приспособления (см. рис. 44), закрепленного в суппорте токарного станка. При этом в зависимости от диаметра образца (величины силы нагружения Qf) выбирается тип приспо­ собления. Для тонких образцов с малой жесткостью применяется приспособление трехточечного изгиба, для образцов большого диа­

рис. 50).

10. Если материал подвергается упрочняющей обработке, уста­ лостную трещину следует создавать после такой обработки.

И . В процессе создания трещины должно быть выдержано следующее условие:

на металлопродукцию или на методы отбора проб. Вырезка заго­ товок производится на металлорежущих станках с соблюдением мер предосторожности против возможного изменения свойств металла образцов вследствие нагрева или наклепа.

14. Термическая обработка образцов не должна вносите неодно­ родности в механические свойства материала.

3. Оборудование для испытания

условия:

а) надежное центрирование образца в захватах испытатель­ ной машины;

б) определение величины растягивающего усилия с необходи­ мой точностью;

в) плавность нагружения.

2. Конструкция приспособления для установки образца в испы­ тательной машине при испытании на изгиб должна обеспечить возможность установки опорных роликов на требуемых расстоя­ ниях друг от друга и их свободного перемещения. Диаметр опор­ ных и нагрузочных роликов должен быть равным (0,8—1) D , радиус дна выточки — 0,7 D , глубина выточки — 0,2 D.

1. Испытание начинается воначальных размеров D0, d0, L0 и при необходимости повторяет­

ся на других образцах.

2.При растяжении образец должен быть установлен и надежно центрирован в захватах разрывной машины.

3.Испытание на изгиб производится сосредоточенным прило­ жением нагрузки в плоскости кольцевой трещины образца. Рас­ стояние между опорными роликами должно быть 2L = 10D* Смещение места приложения нагрузки или смещение образца от­ носительно опорных роликов не должно превышать 0,5% расстоя­

ния между опорными роликами.

Угол между плоскостью действия нагрузки и образующей ци­ линдрического образца не должен отличаться от прямого угла более чем на ± 2°.

4. Скорость перемещения активного захвата разрывной машины должна быть в пределах от 0,05 до 1 мм/сек,

5.Погрешность измерения разрушающего усилия не должна превышать 1 %.

6.Если образец испытывается при температурах, отличных от комнатной, то он должен выдерживаться при температуре испыта­ ния минимум 2 мин на каждый миллиметр его диаметра.

5.Обработка результатов испытания

1. Определение значения Р% на основании данных, полученных при испытании.

2. Измерение диаметра образца D до испытания и диаметра трещины d после испытания с точностью измерения не ниже

среднее значение. При этом эксцентричность трещины не должна превышать 2%.

3. На основании результатов эксперимента значения K\z вы­ числяют по формулам:

'+ 0,0663е* + 0,0048е6 - 0,01308?);

VеГ 1 — 0,8012

р 1 Ю = -г - - — ----------- г— .

l / l - e K(l+e-V