ОБРАЗЕЦ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА ОСЕВОЕ СЖАТИЕ

Полезная модель относится к области механических испытаний материалов на прочность, в частности, к образцам для испытания осевыми нагрузками на сжатие с целью определения основных механических характеристик материалов и коэффициентов интенсивности напряжения при плоском напряженном состоянии и при напряженном состоянии, приближенном к плоской деформации, характеризующих вязкость разрушения (трещиностойкость) материала.
Ближайшим аналогом являются цилиндрический образец, предназначенный для определения основных механических характеристик металлов при сжатии (ГОСТ 25.503-97. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие. Приложение Е, таблица 1, тип образца - III, (см. Фиг.4).
Недостатком такого образца является то, что при определении основных механических характеристик материала путем испытания образца на осевое сжатие при создании плоского напряженного состояния на его поверхности и напряженного состояния, приближенного к плоской деформации внутри образца, нельзя определить характеристики трещиностойкости материала (вязкости разрушения), т.к. в образце не образуются зоны растяжения, в которых возникают трещины, длину которых используют в расчетах при определении характеристик трещиностойкости материала при поэтапном равновесном нагружении образцов.
Полезная модель решает задачу обеспечения дополнительной возможности определения характеристик трещиностойкости материала одновременно с определением его основных механических характеристик, используя одну форму образца, за счет возможности получения в испытуемом образце при осевом сжатии зон растяжения, обеспечивающих получение трещин.
Для получения необходимого технического результата в известном образце для испытания материала на осевое сжатие, выполненном в виде цилиндра, предлагается в средней его части выполнить сквозное отверстие, ось которого параллельна основанию образца и пересекает его ось симметрии, а радиус отверстия r выбрать из диапазона 3,0÷6,0 мм.
Оптимальные границы радиуса сквозного отверстия (r=3÷6 мм) установлены экспериментальным путем. При выборе радиуса отверстия меньше 3 мм, разрушение образцов происходит без образования трещин. А при выборе радиуса более 6 мм границы отверстия приближаются к границам образца, что искажает поле напряжений в окрестности отверстия.
В окрестности сквозного отверстия в плоскостях, перпендикулярных оси сквозного отверстия при осевом сжатии образца возникают зоны растягивающих нормальных напряжений, протяженностью 0,732r (см. Зайцев Ю.В. Предельное равновесие пластины, ослабленной круговым отверстием и трещинами, выходящими на его контур. - Журн. Прикл. механики и техн. физики, 1969, №5, с.100-101). При этом на поверхности образца сохраняется плоское напряженное состояние, а во внутренних слоях - состояние плоской деформации.
C
IC
Совокупность вышеперечисленных отличительных признаков обеспечивает наряду с определением основных механических характеристик материала нахождение критических коэффициентов интенсивности напряжения при плоском напряженном состоянии - К и при плоской деформации K
На прилагаемых к описанию графических материалах изображено:
- на фиг.1 - предлагаемый образец для испытания материалов на осевое сжатие;
- на фиг.2 - фрагмент предлагаемого образца в разрезе, геометрия трещины нормального отрыва, образующейся при поэтапном нагружении образца;
1
2
- на фиг.3 - графики зависимости коэффициентов интенсивности напряжения от величины одной трещины (K) или от двух трещин (К);
- на фиг.4 - форма образца, принятого за ближайший аналог.
На графических материалах приняты следующие обозначения:
1 - цилиндрический образец; 2 - основание образца; 3 - сквозное отверстие; 4 - верхняя точка, в окрестности которой возникает трещина; 5 - нижняя точка, в окрестности которой возникает трещина; 6 - трещина нормального отрыва, образующаяся в теле образца.
N - сжимающая сила; N=q·F;
q - интенсивность действующей нагрузки;
2
F=πD/4 - площадь поперечного сечения образца;
D - диаметр цилиндрического образца;
ф - диаметр отверстия, ф=2r;
C
L - длина трещины на поверхности образца;
IC
L - длина трещины внутри образца;
K1 - расчетный коэффициент интенсивности напряжения в случае образования одной трещины;
К2 - расчетный коэффициент интенсивности напряжения в случае образования двух трещин;
Испытания образца производят следующим образом.
При испытаниях наблюдаются. две стадии:
1. Образование одной либо одновременно двух трещин в точках пересечения линии нагружения с контуром отверстия.
2. Рост трещин при увеличении либо постоянстве приложенных сил.
В процессе испытаний описывается зависимость абсолютной деформации образца от величины действующей сжимающей силы в виде диаграмм, обработка которых в соответствии с требованиями ГОСТа 25.503-97, позволяет определить основные механические характеристики материала.
Предлагаемая методика для определения характеристик трещино-стойкости материала при поэтапном равновесном нагружении образцов предлагаемой формы проверялась на образце из прозрачного материала (органического стекла). Было испытано десять образцов. Все образцы содержали отверстие диаметром ф=13 мм. Для снижения влияния сил трения на нагруженные торцевые поверхности образцов наносился воск. Нагружение производилось гидравлическим прессом УММ50.
*
*
На первом этапе испытаний в окрестностях точек 4 и 5 возникают небольшие зоны нормальных растягивающих напряжений. Протяженность этих зон вдоль линии нагрузки равна ≈0,732r. При достижении действующих сжимающих сил q определенного значения q в точках 4 и 5 возникают радиальные надрывы (одна либо две трещины), длиной L каждая, которые являются обычно устойчивыми. Их дальнейший рост возможен при сохранении либо увеличении значения действующих сил q. Согласно известному решению (см. Зайцев Ю.В. Предельное равновесие пластины, ослабленной круговым отверстием и трещинами, выходящими на его контур. - Журн. Прикл. механики и техн. физики, 1969, №5, с.100-101), значение коэффициента интенсивности напряжений К определяется следующими выражениями:
Для отверстия с одной трещиной:
а для отверстия с двумя одинаковыми трещинами:
где π=3,14; , , ,
*
С
IC
То есть для определения К необходимо зафиксировать значение q в момент возникновения трещин нормального отрыва, который сопровождается характерным звуковым треском и используя формулы (1) или (2) вычислить К и K.
*
*
С целью уточнения значения q возможно плавное неоднократное догружение образца силами q>q, при этом трещины могут либо подрастать либо сохранять свои размеры.
Использование формул (1) и (2) требует вычисления величины ε. На основании проведенных экспериментальных исследований на образцах из прозрачного органического стекла было установлено, что геометрия первичных трещин имеет вид "языка", как показано на фиг.2.
Причем на первом этапе испытаний наблюдалось постоянство значений:
C
L=0.366ф=0,732r,
IC
L=0,5ф=r, где
C
L - длина трещины на поверхности образца;
IC
L - длина трещины внутри образца;
ф - диаметр сквозного отверстия;
r - радиус сквозного отверстия.
C
C
IC
IC
*
Величина L используется для определения коэффициента интенсивности напряжения при плоском напряженном состоянии (К). Величина L - для определения коэффициента интенсивности напряжения при напряженном состоянии, приближенном к плоской деформации (K). Для удобства проведения расчетов на фиг.3 приведены графики зависимости К(ε) (К1 - для одной и К2 - для двух трещин) для образца с круговым отверстием радиуса r и одной или двумя равными трещинами длиной L при r=1 и q=1. Расчет производится по следующим формулам:
*
где |q| - величина нагрузки, соответствующая равновесной трещине;
r - радиус сквозного отверстия;
IC
С
IC
C
C
IC
В процессе испытания при достижении нагрузки q*≈70 МПа во всех образцах в окрестностях нижних точек 5 отверстия 3 скачкообразно, в сопровождении треска, возникала трещина нормального отрыва длиной L≈r=6,5 мм. Длина трещины на поверхности образцов составляла L=0,732r=4,76 мм. После образования первичных трещин, образцы оставались под нагрузкой в течение примерно 30 сек. За этот отрезок времени трещины подрастали до величин L=1,25r=8,12 мм, L=r=6 мм, и останавливались. Используя формулу (3) и данные, приведенные на фиг.3 при ε=L/r=1 и ε=L/r=1,25 вычислялись значения
,
.
IC
IC
3/2
Последнее значение для K совпадает со значением K=5,3 кгс/мм для органического стекла, приведенного в книге Д.Броек. Основы механики разрушения, Москва. Высшая школа. 1980.368 с. При этом
C
C
IC
Данное соотношение отмечается в ряде научных публикаций по исследованию характеристик вязкости разрушения стальных материалов. Это позволяет по значению K (при определении которого достаточно замерить длину трещины L на поверхности образца) оценить значение K.
C
IC
При испытании образцов, выполненных из прозрачных материалов, измерение L и L не вызывает затруднений. Для образцов из непрозрачных хрупких материалов (серый чугун, закаленная сталь и т.д.) уточнение обсуждаемых размеров возможно на основании изучения поверхности разрушения. Для этого испытанный образец, содержащий трещину первого этапа, необходимо аккуратно догружая, либо методом резания разделить на две части вдоль линии нагружения. Предварительно рекомендуется применить капиллярный способ подкрашивания трещины. Длину трещины на поверхности образца определяют оптическим способом, применяя микроскопы с не менее чем 20-кратным увеличением по ГОСТ 8074.
Примеры испытания образца цилиндрической формы из металлических материалов.
1. Испытаниям подвергались 9 образцов цилиндрической формы с размерами D=17,5 мм, Н=26,5 мм, ф=6 мм. Материал образцов - инструментальная сталь 9ХС. Термическая обработка - закаливание в масле.
*
С
IC
С
IC
В процессе испытания при достижении нагрузки q≈1630 Мпа во всех образцах в нижней 5 и верхней 4 точках отверстия скачко-образно, в сопровождении треска, возникали две трещины нормального отрыва длиной L≈1,2r=3,6 мм., L=1,7r=5,1 мм. При выдержке образцов под нагрузкой в течение 30 сек. приращение длин трещин не наблюдалось. Используя формулу (3) и данные, приведенные на фиг.3 при ε=L/r=1,2 и ε=L/r=1,7 вычислялось значение
C
IC
K/K=5,0/3,12=1,6/., что подтверждает соотношение (4).
*
С
C
2. Испытаниям подвергались 5 образцов цилиндрической формы с размерами D=20 мм., Н=30 мм., ф=8 мм. Материал образцов - чугун марки КЧ 60. В процессе испытания при достижении нагрузки q≈600 МПа во всех образцах в нижней 5 и верхней 4 точках отверстия скачкообразно, в сопровождении треска, возникали две трещины нормального отрыва длиной L≈1,2r=4,8 мм. При выдержке образцов под нагрузкой в течение 30 сек. приращение длин трещин не наблюдалось. Используя формулу (3) и данные, приведенные на фиг.3 при ε=L/r=1,2 вычислялось значение
.
IC
IC
C
0,5
Оценку значения К проведем с использованием соотношения (4), т.е. К=K/1,6=2,12/1,56=1,36 МПа·м.
Дополнительно подвергались испытанию 2 серии из 10 каждая точно таких же образцов, не содержащих сквозного отверстия. Результаты этих испытаний, в виде диаграмм, описывающих зависимость абсолютных деформаций образцов от величины действующей сжимающей силы сопоставлялись с аналогичными диаграммами для образцов со сквозными отверстиями. Установлено полное качественное и количественное их совпадение. Последнее указывает на возможность определения основных механических характеристик материала при сжатии на образцах, содержащих сквозное отверстие.