Методика испытаний.

Для определения характеристик трещиностойкости испыты­вают с записью диаграмм «нагрузка-смещение» (Р-n) или «на­грузка-прогиб» (Р-f) образцы с предварительно нанесенной уста­лостной трещиной отрыва (первый тип трещин). ГОСТ 25.506-85 предусматривает по записанным диаграммам определение основ­ных характеристик трещиностойкости:

■ силовых — критические коэффициенты интенсивности напря­жений: К1С, Е*с, KqT, KC;

■ деформационной — раскрытие в вершине трещины dC;

■ энергетических — критические значения J-интеграла (Jc или JIC).

Для нахождения этих характеристик ГОСТом предлагается

использовать любой из 4 типов образцов, включенных в табл. 6.3:

1 — плоский прямоугольный с центральной трещиной для ис­пытаний на осевое растяжение;

2 — цилиндрический с кольцевой трещиной для испытаний на осевое растяжение;

3 — прямоугольный компактный образец с краевой трещиной для испытаний на внецентренное растяжение;

4 — плоский прямоугольный образец с краевой трещиной для испытаний на трехточечный изгиб.

Для листового металла толщиной от 1 до 10 мм рекомендуется использовать образцы типа 1; при толщине от 20 до 100 мм — типа 4; для толщин от 10 до 200 мм и более — типа 3.

Для пруткового материала круглого сечения диаметром от 12 до 40 мм рекомендуется использование образцов типа 2, а при диа­метрах и толщинах более 40 мм — образцы типов 3 и 4.

Типы концентраторов показаны на рис. 6.58.

Все они представляют собой сделанный на поверхности образ­ца механический надрез глубиной h с углом раскрытия 2а = (30... 90)° и радиусом закругления вершины не более 0,1 мм, из которо­го выращена усталостная трещина длиной не менее 1,5 мм. Кроме того, стандарт требует, чтобы все нарушения целостности металла у концентратора не выходили бы за пределы угла 20 = 30°.

Образцы для испытаний на трещиностойкость

Тип концен­тратора

Тип

Отношения размеров

Вид образца и нагрузка

b > 8t;

2h = (0,25...0,35)b;

L > 2b;

2lo = (0,3...0,5)b.

L = 5D; Li = 7D; Dk = (0,65...0,85)D; d = (0,6...0,7)D; h = (D - Dk)/2; l0 = (D-d)/2.

b = 2t; bi = i,25i; H = i,2b; d = 0,25b; 2a = 0,55b; h = (0,35...0,50)b;

e = 0,006b;

І0 = (0,45...0,55)b.

b = 2i;

L = 4b; Li = 4,5b; h = (0,35...0,5)b;

e = 0,006b;

І0 = (0,45...0,55)b.

Тип 2 Вариант а 2а = (30...90)°; 20 < 30°.

Рис. 6.59 Схема двухконсольного датчика смещений (COD-метра)

Осесимметричные кольцевые концентраторы типа 1 наносят на круглые образцы типа 2 (см. табл. 6.3). На все другие типы об­разцов наносят концентраторы типа 2 — они представляют собой фрезерованный паз глубиной h и шириной е, который заканчива­ется заострением с углом 2а и радиусом закругления не более 0,1 мм. Из этого заострения выращивается усталостная трещина. Если толщина t образца невелика, то удается вырастить усталост­ную трещину с достаточно прямолинейным фронтом из надреза с прямоугольной формой по варианту а. Однако при больших тол­щинах трещина усталости в этом варианте при удалении от боко­вой поверхности растет быстрее, чем вблизи поверхности. В этом случае приходится делать шевронный надрез по варианту b. Мож­но подобрать такой угол этого шеврона в пределах (90...150)0, что­бы выращенная на требуемую глубину усталостная трещина име­ла бы достаточно прямолинейный фронт, как показано в сечении по II-II на рис. 6.58. Угол отклонения усталостной трещины от плоскости надреза не должен превышать 10°.

Усталостная трещина наносится на пульсаторе, вибраторе или при крутильном изгибе на образцах типа 2. Максимальные напря­жения цикла не должны превышать 0,5ст02, а число циклов долж­но быть не менее 104. В случае, если испытания проводятся для определения корректного значения критического коэффициента интенсивности напряжений, KI, max, вычисленный для длины тре­щины l = h, не должен превышать 0,75KIC, а на конечном участке выращивания трещины при l = l0 — 0,6KIC. Здесь KIC — вязкость разрушения, определяемая при этих испытаниях.

На рис. 6.59 показана схема двухконсольного датчика смеще­ний кромок надреза при нагружении образца.

Перед испытаниями консоли датчика, расположенные на рас­стоянии G друг от друга, сжимаются до размера G1 и вставляются между призмами, привинченными двумя винтами к образцу. От­верстия под винты должны вписываться в угол 20 < 30° с верши­ной в вершине трещины. Для температурной компенсации тензо - резисторы T1, T2, C1 и C2 (сопротивлением 100...300 Ом и с базой

5.. .20 мм), наклеенные на консоли, соединяют, как показано на правой схеме рисунка.

При испытаниях образцов типа 4 на изгиб для измерения про­гиба образца f аналогичный двухконсольный датчик устанавли­вают между призмами, закрепленными на ноже и на нижней тра­версе машины.

Приведем формулы, которым должен удовлетворять этот дат­чик: Gj = G + 2AH; AH = 0,4ст02 • L2/(E • ю); U0 = (6...12)Б; S = 0,75 • • U0 • k • ю/L2. Здесь использованы следующие обозначения: AH — рабочий диапазон измеряемых датчиком смещений, мм; ст02 и Е — предел текучести и модуль упругости материала консолей (пру­жинная сталь, алюминиевый или титановый сплав с высоким пре­делом текучести, бериллиевая бронза); U0 — напряжение питания измерительного моста; S — чувствительность датчика смещений; k — коэффициент тензочувствительности резисторов по их пас­портным данным; G, G1, L и ю — размеры, показанные на рис. 6.59.

На рис. 6.60 показаны два способа установки двухконсольных датчиков смещения.

Способ а использует для опор датчика съемные призмы (он был показан на предыдущем рисунке, здесь детализированы размеры узла опирания). Способ б требует фрезеровки на боковых сторо­нах надреза призматических выступов, на острую кромку кото­рых опираются консоли датчика. Расстояние между кромками
выступов на образцах типов 3 и 4 должно быть не более 21. Погреш­ность измерения смещения Vпризм не должна превышать 0,005 мм.

Рис. 6.60 Два способа установки датчика смещения: (а) на съемных призмах; (б) на острых гранях сторон надреза.

Рис. 6.61 Четыре типа диаграмм P-v или P-f при испытании образцов с трещинами

Сигнал усилия обычно получают от аналогичного рис. 6.59 моста тензорезисторов, наклеенного на стержень, через который усилие передается от испытательной машины на образец.

Сигналы от тензодатчиков поступают на двухкоординатные самописцы, которые регистрируют диаграммы P-V (усилие — сме­щение краев надреза) или P-f (усилие — прогиб образца типа 4). Масштаб записи смещений и прогибов не должен быть меньше, чем 25:1, а при определении KIC — не менее 50 : 1. Масштаб запи­си усилий должен обеспечивать тангенс угла а начального участ­ка диаграмм (рис. 6.61) в пределах 1...3.

Температуру образца измеряют термоэлектрическими датчика­ми (термопарами), приваренными к образцу вблизи вершины исход­ной усталостной трещины. Погрешность соблюдения заданной тем­пературы образца в сечении с трещиной не должна превышать ±2°.

Размеры образцов l0, b, D и t, а также толщину накладных опор­ных призм Z перед испытаниями измеряют с погрешностью не выше 0,1 мм.

При испытаниях на определение KIC, KC, KqT и KC скорость нагружения должна соответствовать скорости роста коэффициен­та интенсивности напряжений в пределах (0,5-1,5) МПа м1/2/с на линейном участке диаграмм «Р-V» или «Р-f». Испытания образ­цов проводят до разрушения с регистрацией диаграмм.

Характерные типы диаграмм «Р-V» (или «Р-f»)приведены на рис. 6.61. Для классификации диаграмм на них дополнительно наносят три наклонных линии: 0A совпадает с начальным участ­ком диаграммы, проводится под углом a; 0B проводится под уг­лом а5, тангенс которого на 5% меньше tg(a); и линия 0G прово­дится под углом а30, тангенс которого на 30% меньше tg(a).

Диаграмма I типа характеризуется тем, что разрушение образ­ца происходит в точке С, расположенной левее линии 0B («5%-й секущей»). За расчетную нагрузку Pq принимают PC: Pq = PC.

Диаграмма II типа характеризуется наличием локального мак­симума нагрузки (точка D), находящегося левее прямой 0В. Раз­рушение образца происходит в точке С диаграммы, расположен­ной левее прямой 0G («30%-ой секущей»). Для этой диаграммы расчетной нагрузкой Pq является нагрузка локального максиму­ма: Pq = Pd.

У диаграммы типа III локальный максимум в точке D отсутст­вует. Точка С, в которой происходит разрушение, лежит левее пря­мой 0G и совпадает с максимумом записанной диаграммы.

Диаграмма IV типа представляет собой кривую с максималь­ной нагрузкой в точке С. Здесь разрушение образца происходит в точке F диаграммы, расположенной правее точки С.

Для последних двух диаграмм расчетной нагрузкой являет­ся Pq, которая определяется по точке пересечения кривой нагру­жения с 5%-ой секущей линией 0B.

Прямые 0В и 0G удобно строить следующим образом. Прово­дят линию 0А по касательной к начальному участку диаграммы. Далее, на оси абсцисс находят точку Е, в которой ордината диа­граммы равна удобному числу (100 или 200 мм). Из точки Е вос­станавливают перпендикуляр до линии 0А, и на этой линии отме­чают: точку A, ординату которой принимают за 100%; точку B с ординатой 95%, и точку G с ординатой 70%. Это показано на диа­грамме типа III рис. 6.61 черными точками. Полученные точки соединяют линиями с началом координат.

После разрушения образцов с округлением до 0,1 мм вычис­ляют для плоских образцов типов 1, 3 и 4 длину исходной уста­лостной трещины l. Для образцов типа 2 вычисляют диаметр об­разца d.

Рис. 6.62

Измерения на изломах:

a — плоских; б — цилиндрических образцов; 1 — граница надреза; 2 — граница трещины усталости; 3 — статический излом.

Длину трещины l в плоских образцах типов 1, 3 и 4 вычисля­ют с округлением 0,1 мм как среднее арифметическое от измере­ний l с погрешностью не более 0,1 мм, не менее чем в 3 точках на контуре усталостной трещины. Точки должны быть расположены через равные промежутки по толщине образца, исключая боко­вые поверхности (см. рис. 6.62а): l = (l1 + l2 + l3)/3.

Если какие-либо два из указанных результатов измерений lt отличаются более чем на 10%, образец отбраковывают.

В изломах цилиндрических образцов (рис. 6.62б) по границе статического излома измеряют два перпендикулярных диаметра. Вычисляют средний диаметр:

d + d2

d =-

2

Длину трещины у образца типа 2 вычисляют по формуле:

D - d

l = -

2

Если эксцентриситет S зоны статического излома превышает 8% от d, образец отбраковывают.