книги / Разрушение при малоцикловом нагружении

Рис. 2.17. Схемы тензометров для измерения продольных (а—в) и поперечных (г—е) деформаций

перемещения светового луча (рис. 2.17, а). Последний, направ­

ляемый источником света 7, отражается от вращающегося зер­ кала 2 и затем перемещается по экрану или измерительной ли­ нейке 3. Вращение зеркала, связанного с призмой 4, которая, в свою очередь, прижимается к образцу штангой 5, обусловлено

поворотом призмы вследствие деформации образца и изменения расстояния между точками контакта тензометра. При направле­ нии луча от зеркала тензометра на зеркало динамометра испы­ тательной машины на экране регистрируется петля механического гистерезиса в координатах нагрузка—деформация.

Из электрических систем наибольшее распространение в кон­ тактных тензометрах получили системы с использованием тепзорезпсторов, которые при соединении их по схеме моста Уитстопа в результате механических воздействий изменяют свое омическое сопротивление, а эти изменения преобразуются затем в электри­ ческий сигнал.

В этом случае две пары тензорезисторов (рис. 2.17, б) накле­ иваются на противоположных сторонах упругого элемента 7,

52

•связанного с корпусом 2 продольного тензометра; одна из сторон

в процессе деформирования образца подвергается растяжению, а другая — сжатию 171. Тем самым достигается удвоение элект­ рического сигнала, а также обеспечивается соблюдение одина­ ковых температурных условий работы. Для устранения погреш­ ностей от возникающей при внецентренном нагружении изгибной деформации продольные тензометры снабжаются двумя измерительными упругими элементами [71, располагаемыми па диа­ метрально противоположных образующих образца. В этом слу­ чае увеличивается также н чувствительность тензометров.

По аналогичному принципу построены тензометры для изме­ рения поперечных деформаций с той лишь разницей, что тензорезпсторами упругого элемента отрабатывается механическое перемещение рычажной или какой-либо другой системы, вызван­ ное изменением диаметра (толщины) образца вследствие его де­ формирования. В конструкции, представленной на рис. 2.17, г, это перемещение передается посредством разворота рычагов 1 и 2 за счет изгиба упругого элемента 4 с теизорезисторами, пред­ варительно поджатого винтом 5. Усиление получаемого сигнала

в таких конструкциях может быть достигнуто в результате уве­ личения соотношения плеч рычажной системы (см. рис. 2.17, е)

или использования двух упругих элементов с теизорезисторами (рис. 2.17, д, е).

При испытании трубчатых образцов, когда необходимо иметь свободпый доступ к наружпой их поверхности для металлогра­ фических исследований или наблюдения за зарождением и раз­ витием трещин, можно использовать специально разработанный 132, 34] тензометр, расположенный внутри образца и измеряющий поперечную деформацию его внутреннего диаметра.Конструктивно (рис. 2.18) тензометр представляет собой два полуцилиндрическнх рычага 1 и 2, соединенные между собой плоской пружиной 3. На одном из рычагов расположен упругий элемент 4 с наклеенпыми на пем тспзодатчиками 5. Контакт тепзометра с внутрен­ ними стенками образца осуществляется пакопечннками 6 и 7,

прижим которых производится за счет предварительного поджатия виптом 8 упругого элемента 4. При накоплении пластической

деформации в сторону растяжения диаметры образца уменьша­ ются и при этом происходит дополнительный поджим наконеч­ ников к образцу.

Так как тензометр изготовлен нз алюминиевого сплава, он имеет сравнительно небольшой вес и не требует дополнительной подвески при креплении в образце. Тензометр может быть исполь­ зован и для измерения продольпых деформаций; в этом случае наконечники 6, 7 переставляются в отверстия 9, 10 и закрепля­ ются теми же пиитами 11 и 12. Крепление тепзометра к образцу

может быть осуществлено специальными пружинами с дополни­ тельными наконечпиками.

При испытаниях па циклическое кручепне для измерения угло­ вых деформаций применяются топзометры, основанные на исполь-

53

условий работы измерительных датчиков тензометров. Иногда это достигается удалением их из зоны нагрева и связью с образ­ цом посредством выносных стержней и приспособлений. Прп этом используются различные типы датчиков, включая механи­ ческие, оптические, ипдуктивныс и тензорезисторные.

В случаях непосредственного контакта тензометра с нагретым образцом предусматриваются специальные системы его охлаж­ дения. По этому принципу выполнены тензометры для измерения поперечных деформаций и разработаппый автором тензометр для измерения продольных [31, 32, 34] деформаций. Такой тензометр (рис. 2.19) состоит из водоохлаждаемых корпуса 2 н подвижной тяги 1, закрепленных на образце 5 с помощью расположенных

на них под углом в 120° друг к другу заостренных наконечников 3 и винтов 4. Корпус 2 и тяга 1 в процессе деформирования пере­

мещаются друг относительно друга. Прп этом связывающий их упругий элемент с наклеенными высокотемпературным клеем тензорсзисторами 7 изменяет свой прогиб, в результате чего от соединенных по схеме моста Уитстона тспзорезнсторов в регист­ рирующую аппаратуру поступает электрический сигнал, про­ порциональный деформации образца, и производится се запись

вкоординатах нагрузка—деформация и деформация—время. Взаимное перемещение корнуса и тяги сопровождается в дан­

ной конструкции весьма малыми усилиями трения в опорах, поскольку они соединены между собой через шарики 8 по под­

шипниковой посадке. Разнесение шариковых опор на значительное расстояиие позволяет свести до минимума возможные угловые смещения оси тензометра и, следовательно, уменьшить погреш­ ность от боковых смещений.

Система охлаждепия тензометра состоит из охлаждающих каналов 10 и 9, а также штуцеров 12 н 11, на которые надеваются

гибкие резиновые шланги, соединяющие, тензометр с водной ма­ гистралью. Система обеспечивает нормальпые условия работы тепзорезисторов 7 и исключает возможные заедания в шариковых опорах 8. При закреплении тензометра на образце с фиксацией виптом 4 определенной величины измерительной базы упругие элементы 13 уменьшают усилия прижима к образцу накопечни-

ков, а также компенсируют изменение диаметра образца вслед­ ствие его деформирования. Погрешность измерения деформаций дапным тензометром, как и большинством рассмотренных выше, не превышает Н-2%, что находится в соответствии с требованиями, предъявляемыми к малоцикловым испытаниям.

При пормальпых, а в основном при повышенных температу­ рах испытаний используются тензометры с бесконтактным из­ мерением деформаций. В большинстве своем они основаны на фотоэлектронном принципе действия, когда специальное электрон­ ное устройство «следит» за освещаемыми характерными участ­ ками контура образца или за специально привариваемыми к нему флажками и вырабатывает электрический сигнал при их перемещении и изменении. Даппымн тензометрами могут быть

55

измерены как продольные, так и поперечпые упругопластические деформации, причем в последнем случае имеет существенное зна­ чение место измерения в связи с образованием шейки при квазистатическом разрушении. Этот вопрос решается путем скани­ рования тензометром профиля всего образца и регистрации из­ менения его диаметра по всей базе. Следует, одпако, отметить, что при использовании бесконтактных фотоэлектронных тензо­ метров погрешность измерения возрастает по сравнению с кон­ тактными тензометрами и в отдельных случаях достигает 10—15%.

Разработанный метод нагрева с размещением нагревателя внутри трубчатого образца позволил осуществлять металлогра­ фические исследования микроструктуры поверхности образца, следить за развитием трещины и деформаций в ее вершине, а также размещать специальный деформометр непосредственно на рабо­ чей базе образца и тем самым увеличивать точность получения деформационных характеристик по сравнению с используемыми при высокотемпературных испытаниях безконтактпыми методами.

56

ГЛАВА ТРЕТЬЯ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ II РАЗРУШЕНИЯ

ставление о предельпо совершенной работе внутренними микропапряжепнями на пути пластической деформации, определяемой в виде [11—13]

Зависимость (3.1) характеризует процесс накопления повреж­ дений при циклическом нагружении, величина которых зависит от мпкронапряжений, обусловливающих появление микропор и мпкротрещнн.

Следствием микроскопической неоднородности иапряженпо-де- формнрованиого состояния отдельных микрообъемов материала является эффект Баушипгера. В первом приближении он может быть описан теорией пластичности, учитывающей влияние микронапряжепий па микроскопические деформации [И, 51]. В боль­ шинстве случаев тензор мпкронапряжений Stj, характеризующий

эффект Баушипгера, может быть выражен через макропластнче-

меры мпкронапряжений можно рассматривать интенсивность теп-

Если принять, как показано также в работе [52, 53], что ве­ личина микропапряженнй может быть определена эффектом Баугаипгера, то для одноосного растяжения можно записать для г-го цикла

где ор и о'р — предел пропорциональности в полуциклах растяже­

ния и сжатия соответственно.

57

Тогда зависимость (3.1) можно представить в виде

о

Отсюда следует, что требуется экспериментальное определение пределов пропорциональности и пластических деформаций в цик­ лах нагружения.

3.1.Методика определения циклического эффекта Баушингера

Многочисленные исследования, связанные с изучением эффекта Баушингера, посвящены однократному нагружению с изменением знака нагрузки [1]. При малоцикловых испытаниях это соответ­ ствует первому циклу нагружения. В ряде работ II] показано, что при однократном изменении знака нагрузки исходный предел: пропорциональности в зависимости от условий нагружения и типа материала может изменяться на десятки процентов. Поведение же пределов пропорциональности как при растяжении, так и при сжатии в последующих циклах нагружения в упругопластической области до настоящего времени мало изучено. Связано это прежде всего с тем обстоятельством, что при смене направления нагрузки кривая нагружения и в упругой области приобретает нелинейный характер. Последнее не позволяет достаточно достоверно опреде­ лить предел пропорциональности по заданному допуску на плас­ тическую деформацию.

В связи с этим для определения циклического предела пропор­ циональности (в отличие от статического, определенного в первом цикле) наряду с записью кривых деформирования были привлече­ ны физические методы исследования, был использован метод из­ мерения температуры рабочей зоны образца, а также для более объективной оценки величины циклического предела пропорцио­ нальности измерялось электрическое сопротивление рабочей зоны образца.

Испытания проводились при растяжении-сжатии в упруго­ пластической области с частотой примерно 0,1 цикла в минуту. Для устранения влияния конвекционных воздушных потоков об­ разец размещался в вакуумной камере с остаточным давлением — порядка 1 • 10~2 мм рт. ст.

Для испытаний были использованы разупрочняющаяСя тепло­ устойчивая сталь ТС, упрочняющийся алюминиевый сплав АД-33 и циклически стабильная сталь 22к.

На рис. 3.1 представлена блок-схема регистрации цикли­ ческого предела пропорциональности. Образец 1 испытывался

при циклической знакопеременной нагрузке, как было отмечено в гл. 2, на модифицированной установке УМЭ-10т [31], позволяю­ щей с помощью динамометра машины и деформометра 3, разме­

щаемого на рабочей базе образца, осуществлять на двухкоорди-

58

Рнс. 3.2. Схемы записи петли пластического гистерезиса (а), изменения температуры (б) и электросопротивления (в)

патном приборе 2 запись петли пластического гистерезиса. Изме­

рение и регистрация температуры образца осуществлялись с по­ мощью хромель-копелевых термопар ТП-1, ТП-2 и ТП-3 на само­ пишущих потенциометрах 6 типа ПДС-021 и 11 типа ЭПП-09МЗ, подключаемых в схему через согласующие сопротивления 5, 9

и10. Масштаб записи по температуре составлял 0,008° С на 1 мм

шкалы. Для измерения электрического сопротивления образца через него, а также нагрузочное сопротивление 13 и образцовую катушку 16 типа Р-322, пропускался постоянный ток силой 1,5 А

инапряжением 1,25 В. Падение напряжения на образце измеря­ лось с помощью потенциальных концов ПК-1 и ПК-2, привари­ ваемых на его базе, и потенциометра постоянного тока 14 типа

Р-309. Изменение падения напряжения, вызванного деформацией образца, записывалось па двухкоординатном миллиамперметре75 типа Н-359. Для промежуточного усиления измеряемых и ре­ гистрируемых величин были использованы усилители постоянного' тока 4, 8,17 , 19 типа Ф-359 со стабилизаторами 21—24 типа П-359, а также усилитель 15 типа Ф-305.

Для проверки правильности определения циклического пре­ дела пропорциональности эталонов служил первый полуцикл на­ гружения (исходное нагружение) на растяжение или на сжатие,,

вкотором упругий участок на диаграмме нагрузка—деформация линееп и предел пропорциональности может быть достоверно оп­ ределен по заданному допуску на пластическую деформацию.

При исходном нагружении оказалось, что на кривой в коорди­ натах усилие—температура точка резкого увеличения температу­ ры (рис. 3.2, 6) соответствует пределу пропорциональности

(рис. 3.2, а). Причем растяжение в упругой области сопровожда­ ется уменьшением температуры, а сжатие — ее увеличением.

Рассматриваемый процесс деформировапия с термодинамиче­ ской точки зрения наиболее близок к адиабатному. Используя

вэтом случае дифференциальное уравнение энтальпии при неза-

60