Порядок выполнения работы. Конструкционная прочность

1 2 3

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 F_Q». 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 F_Q, 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 F_Q _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 F_Q». В этом случае нелинейная составляющая раскрытия трещины только лишь за счет неупругого деформирования при F= 0,8 F_Q не должна превышать 25% составляющей за счет неупругого деформирования и подрастания трещины при F= F_Q (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 F_Q, 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 F_Q, kH
Нагрузка 0,8 F_Q, kH
Проверяемый критерий
Трещина при F =0,8 F_Q, 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