В.Б. Порошин
КОНСТРУКЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ
Челябинск
Издательский центр ЮУрГУ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОСТИ РАЗРУШЕНИЯ
КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИСПЫТАНИЙ СТАНДАРТНЫХ ОБРАЗЦОВ
ЗАДАНИЕ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
В соответствии с заданным вариантом исходных данных по результатам испытаний на вязкость разрушения – кривыми «нагрузка F ~раскрытие трещины v» (рис. 5.1), полученными при внецентренном растяжении компактного образца или образца в виде балки при трехточечном изгибе (схемы 1, 2 в табл. 5.3), а также данными из табл. 5.1, 5.3 – требуется определить вязкость разрушения K Ic заданной стали или сплава.
Для этого необходимо найти предельные значения K IQ коэффициента интенсивности напряжений (КИН) в каждом опыте и проверить корректность полученных результатов. Величина F*, заданная в табл. 5.1, используется для определения масштаба оси F (рис. 5.1); конкретная величина раскрытия трещины v в данном случае не имеет значения.
|
|
ШИФР ВАРИАНТА
Первая цифра варианта определяет тип образца, использовавшегося в испытаниях на вязкость разрушения:
1 – компактный образец, 2 – образец для трехточечного изгиба (см. табл. 5.3).
Вторая цифра – отношение длины трещины l в образце к его размеру В:
1 – ; 2 – .
Третья цифра – порядковый номер материала в табл. 5.1 и 5.2.
Рис. 5.1. Зависимости раскрытия трещины от нагрузки в трех испытаниях на вязкость разрушения |
Таблица 5.1
Результаты испытаний на вязкость разрушения
Марка материала | F* , kH | ||||
Тип образца | |||||
Отношение | |||||
0,45 | 0,55 | 0,45 | 0,55 | ||
Легированные стали 1. Сталь 300 2. Сталь 250 3. Д6АС Алюминиевые сплавы 4. 7075–Т6 5. 7075-Т651 Титановые сплавы 6. 6 Al –6 V –2 Sn 7. 4 Al -4 Mo -2 Sn -0,5 Si | 29,55 24,80 19,70 11,45 9,20 17,80 – | 21,90 18,35 14,60 8,45 6,80 13,20 14,35 | 27,00 22,65 18,00 10,45 8,40 16,25 – | 19,55 16,40 13,05 7,55 6,10 11,80 12,80 | |
Размер В = 20 мм, толщина образца Н = 15 мм.
Таблица 5.2
Механические характеристики материалов [5], [6]
Марка материала | s 0,2, МПа | Е× 10-5, МПа | y, % | n | C× 1012, |
Легированные стали 1. Сталь 300 2. Сталь 250 3. Д6АС Алюминиевые сплавы 4. 7075–Т6 5. 7075-Т651 Титановые сплавы 6. 6 Al –6 V –2 Sn 7. 4 Al -4 Mo -2 Sn -0,5 Si | 2,2 2,0 2,0 0,78 0,72 1,2 1,2 | 2,25 3,1 3,7 3,9 4,0 4,0 4,4 | 7,3 3,2 3,5 6,8 |
Таблица 5.3
Выражения коэффициента интенсивности напряжений для образцов компактного и в виде балки при трехточечном изгибе [5], [7]
|
|
Номер схемы | Расчетная схема | Коэффициент интенсивности напряжений |
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Рис. 5.2. Порядок экспериментального определения вязкости разрушения и проверки критериев корректности (K Ic – вязкость разрушения материала; K IQ – предельное значение коэффициента интенсивности напряжений; K Imax – максимальное значение КИН в цикле) |
На рис.5.2 приведена блок-схема, определяющая порядок подготовки образцов, проведения испытаний на вязкость разрушения металлических материалов, расчета предельных значений коэффициента интенсивности напряжений и проверки корректности полученных результатов. Данная лабораторная работа охватывает лишь часть предусмотренных этой схемой действий. По сути, она начинается с блока №5 «Обработка экспериментальных кривых F~ v и определение расчетной разрушающей нагрузки FQ». Предполагается, что те условия, которые невозможно проверить с помощью имеющихся исходных данных, выполняются по умолчанию, в частности, при выращивании на стенде–пульсаторе усталостной трещины из вершины шевронной выточки не происходит «притупления» кончика трещины, т.е., , фронт трещины симметричен и др.
1. Один из критериев корректности определяет критическое состояние конструкции (образца), когда этап стабильного (контролируемого) подрастания трещины сменяется ее неуправляемым лавинообразным ростом. Формулируется он следующим образом: «Нелинейная составляющая (рис. 5.3) раскрытия трещины vза счет пластической деформации и удлинения трещины при нагрузке FQ, принимаемой в качестве разрушающей, не должна превышать 5% «упругого» раскрытия трещины при той же нагрузке». Таким образом, точки пересечения луча I, проведенного из начала координатпод углом a 1, таким, что tg a 1 = 0,95 tg a, с экспериментальными кривыми определяютвеличины расчетной разрушающей нагрузки FQ i (см. рис. 5.3). Обратите внимание, что данное условие касается тангенса угла a 1, а не самого угла. Как видно, вспомогательный лучII с углом наклона a следует линейному участку диаграмм и отвечает как геометрически, так и физически линейному поведению объекта.
Рис. 5.3. Схема определения расчетной разрушающей нагрузки и характерные величины раскрытия трещины |
2. Следующее требование, которому должны удовлетворять результаты испытаний гласит: «Трещина не должна расти вплоть до нагрузки 0,8 FQ». В этом случае нелинейная составляющая раскрытия трещины только лишь за счет неупругого деформирования при F= 0,8 FQ не должна превышать 25% составляющей за счет неупругого деформирования и подрастания трещины при F= FQ (см. рис.5.3):
(подумайте, с чем связано это требование).
3. Одним из важнейших условий достижения корректного результата является реализация плоского деформированного состояния (ПДС) в вершине трещины.Только в этом случае можно утверждать, что полученная величина является характеристикой трещиностойкости именно материала, а не образца из этого материала. В нормативных документах ASTM (American Society for Testing and Materials – американскаямеждународная добровольная организация, разрабатывающая и издающая стандартыдля материалов, продуктов, систем и услуг) зафиксировано, что это требование обеспечивается выполнением условия
; для широкого класса материалов принимается А =2,5.
4. И, наконец, трещина должна быть «длинной», то есть, ее длина должна быть многобольше (по крайней мере, в 25 раз) размера зоны пластической деформации в вершине трещины. Как видно на блок-схеме, выполнение этого требования обеспечивается условием, аналогичным записанному выше.
Результаты обработки испытаний занесите в таблицу вида табл. 5.4. Если какой-либо из опытов не удовлетворяет тому или иному критерию, то дальнейшие проверки для него не производятся, в соответствующем столбце делается надпись «Испытание некорректно», а при анализе результатов поясняется причина, по которой он не пригоден для определения характеристики трещиностойкости. В заключение приводиться величина вязкости разрушения заданного материала.
|
|
РЕКОМЕНДАЦИЯ. В отчете о лабораторной работе целесообразно объединить табл. 5.1, 5.2 с исходными данными, сохранив в итоговой лишь те рисунки, формулы и данные, которые относятся к вашему варианту (см. образец табл. 1).
Таблица 1. Результаты испытаний на вязкость разрушения стали (сплава) _______
Тип образца – компактный/балка при трехточечном изгибе | |
Расчетная схема | Выражение для коэффициента интенсивности напряжений |
Расчетная разрушающая нагрузка FQ, kH | |
Размер образца В, мм | |
Толщина образца Н, мм | |
Отношение l / B | |
Критическая длина трещины, мм |
Таблица 5.4
Результаты обработки испытаний на вязкость разрушения компактного (в виде балки при трехточечном изгибе) образца из стали (сплава) ____
Номер опыта | |||
Расчетная разрушающая нагрузка FQ, kH | |||
Нагрузка 0,8 FQ, kH | |||
Проверяемый критерий | |||
Трещина при F =0,8 FQ, неподвижна ? | ___ ___ да/нет | ___ ___ да/нет | ___ ___ да/нет |
Предельное значение КИН K IQ, | |||
, мм | |||
Трещина «длинная» ? | ___ ___ да/нет | ___ ___ да/нет | ___ ___ да/нет |
В вершине трещины реализуется ПДС ? | 15 ___ да/нет | 15 ___ да/нет | 15 ___ да/нет |