книги / Методы оценки трещиностойкости конструкционных материалов

А

Рис. 108. Схема нагружения образца с трещиной с записью диаграммы разрушения нагрузка — стрела прогиба.

Полученные экспериментальные данные обработаны и представ­ лены точками на рис. 51. Из рисунка видно, что результаты экспе­ риментальных исследований подтверждают достоверность анали­ тической зависимости, изображенной линией, в широком диапа­ зоне относительной глубины трещины е.

Экспериментальной проверке подвергали также установлен­ ную в гл. III аналитическую зависимость (II 1.90) величины внеш­ него нагружения Р от безразмерного параметра е при постоянной величине стрелы прогиба h. Для этого необходимо было в процессе испытания на изгиб образцов с трещинами записывать диаграмму нагрузка Р — стрела прогиба h. С этой целью испытательная ма­ шина УМ-5А была оборудована (рис. 108) тензорезисторным дат­ чиком нагрузки 2, датчиком перемещения 2 и двухкоординатным самописцем ПДС-021М (3). Датчик нагрузки представлял собой кольцевой упругий элемент с наклеенными по мостовой схеме про­ волочными преобразователями. Питание моста осуществлялось от блока питания 4 напряжением 6 в, а разбаланс моста подавался на вход самописца (ось у).

Прогиб образца измеряли с помощью двухконсольного датчика перемещения, который устанавливали на линии действия нагруз­ ки между нижней поверхностью образца 5 и призмой 6, установ­ ленной между опорами на траверсе машины. Сигнал с моста дат­ чика перемещения подавался на второй вход самописца (ось х).

Балки датчика изготовлены из термически обработанной стали 65Г, что обеспечивало хорошую линейность в необходимом интер­ вале измеряемого перемещения. Неизменность положения датчика

в процессе испытания относи­ тельно деформируемого образца обеспечивало измерение прогиба с достаточной точностью.

Установку образца на опо­ ры 7 проводили с помощью фик­ сатора 8 и выточек в роликах 9 опор, что обеспечивало цент­ ровку образцов в двух плоскос­ тях.

Испытательная установка предварительно была опробова­ на на правильность показаний измеряемых величин. Для это­ го гладкий цилиндрический об­ разец подвергали трехточечно­ му изгибу с записью диаграм-

мы Р — h. Полученные экспериментальные данные Р и h сопоставлены с соответствующими расчетными данными. Результаты проверки представлены на рис. 109, где сплошная линия — рас­ четные значения, а точки — экспериментальные данные.

Эксперименты проводили на образцах из стали 40Х, закаленные и отпущенные при температуре 200° С, а также в состоянии по­ ставки. Подготовленные по описанному способу образцы с тре­ щинами устанавливали на опоры, закрепляли, с небольшой пред­ варительной деформацией, датчик перемещения и, нагружая обра­ зец, записывали диаграмму Р — h. Такие эксперименты проводили на образцах с различной относительной глубиной трещины и раз­ ными диаметрами D K с постоянным отношением 2L/DK = 10.

Для установления достоверности полученных результатов на образцах с различной глубиной трещины, а также с целью исклю­ чения возможного влияния термической обработки были проведены эксперименты с разной относительной глубиной трещины е на одном и том же образце двух различных диаметров D K = И мм и D K = 22 мм. Для этого после получения первоначальной коль­ цевой трещины ех образец подвергали нагружению в пределах упругой деформации, записывая диаграмму Р — h. После этого первоначальна^ трещина закрашивалась специальной краской, используемой в красочной дефектоскопии [150]. Затем усталост­ ным нагружением кругового изгиба (см. гл. VI) продвигали тре­ щину на определенную глубину е2 <1 ех и снова записывали диаграм­ му Р — h для образца с глубиной трещины е2 и т. д. В результате такой методики удавалось записать по 2—3 диаграммы на одном образце с различной глубиной трещины. На рис. 110 изображены такие диаграммы для двух глубин трещин ег и е2, на которых ука­ заны значения разрушающей нагрузки Р \^, Рг^ и величины стрелы прогиба 1, соответственно.

Располагая значением величины прогиба h при заданных Р ,

= (VIIU5>

где |х — модуль сдвига.

Как видно из рис. 111, экспериментальные данные хорошо под­ тверждают аналитическую зависимость. При этом данные, полу­ ченные на разных образцах с одной кольцевой трещиной и несколь­ кими кольцевыми трещинами на одном образце, хорошо согласуют­

ся между собой.

Таким образом, теоретические средства для обработки экспери­ мента, найденные в гл. III, получили экспериментальное под­ тверждение и могут быть использованы в дальнейшем при исследо­ вании усталостного разрушения.

3. Образцы и оборудование для проведения усталостных испытаний

В параграфе 1 настоящей главы приведены некоторые типы образцов и схемы их нагружения, которые приме­ няются при исследовании усталостного разрушения конструк­ ционных материалов. Каждая из этих схем имеет свои преиму­ щества и недостатки. Так, схемы, представленные на рис. 98—

100, могут быть применены для исследования тойколистовых ма­ териалов. В противном случае требуется мощное испытательное оборудование и, кроме того, возникают методические трудности при создании исходных усталостных трещин.

При использовании указанных схем для исследования усталост­ ного разрушения пластичных материалов имеет место течение ма­ териала в захватах. С целью устранения этого явления прибегают к изготовлению образцов сложной формы, увеличивая размеры по толщине или ширине в захватной части.

Аналогичное явление наблюдается также при использовании образцов в виде пластины с центральной трещиной (см. рис. 99) и образца-диска с центральной трещиной (см. рис. 100). При про­ ведении испытаний на таких образцах необходимо изготавливать специальные захваты для крепления образцов или специальные образцы с утолщениями в области отверстий для приложения на­ грузки.

Группа силовых схем (см. рис. 101—105) используется для исследования усталостного разрушения материалов большой тол­ щины и непригодна для исследования тонколистовых материа­ лов из-за потери устойчивости формы образца при его испы-

.тании.

Отдельные формы образцов сложны в изготовлении. Так, при изготовлении прямоугольного образца с боковой трещиной (см. рис. 102) возникают определенные трудности при изготовлении бокового надреза, особенно для образцов большой ширины, а так­ же при подготовке вершины концентратора. Эта операция требует изготовления специального режущего инструмента. Аналогичные недостатки имеет также образец клиновидной формы (см. рис.104). Кроме того, сложная форма такого образца вызывает дополнитель­ ную затрату времени на его изготовление.

Прц исследовании влияния режимов термической обработки на усталостные характеристики материала также встречаются значительные трудности для реализации отдельных схем нагру­ жения. Не всегда у исследователя имеются нагревательные печи необходимых размеров, чтобы провести термическую обработку партии образцов — пластин или дисков — больших размеров. Неизбежным в процессе закалки таких образцов является короб­ ление, что затрудняет дальнейшее их использование.

Для реализации каждой из упомянутых выше схем необходи­ мы пульсирующие установки определенной мощности, соответст­ вующие приспособления для крепления и нагружения образцов, а также измерительные устройства для фиксирования величины нагружения, изменяющейся длины трещины, податливости испыту­ емого образца. Так, для силовой схемы по испытанию прямоуголь­ ных образцов (см. рис. 102) с боковой трещиной требуются специ­ альные захваты для обеспечения жесткого крепления торцовых поверхностей образца. Вместе с тем для испытания образцов даже среднем ширины при соблюдении условий необходимы установки

довольно большой мощности. Это также имеет место и в случае испытания других образцов (см., например, рис. 98, б), когда их нагружение осуществляется равномерной нагрузкой а по всему сечению.

Определенными преимуществами обладает силовая схема кру­ гового изгиба цилиндрического образца с внешней кольцевой трещиной. Такой образец легко изготовить, нарезать на нем кру­ говой концентратор, провести термическую обработку, шлифов­ ку. Одним из главных преимуществ данного образца является то, что для образования кольцевой трещины не требуется мощного дорогостоящего оборудования. Любой токарный станок средней мощности с успехом может быть применен для образования трещин,, а также для проведения усталостных испытаний.

Выбор размера образца обусловливается различными фактора­ ми. Главную роль при этом играет трещиностойкость материала. Если исследованию подлежит материал после термической обра­ ботки на высокую прочность и твердость, когда обычно материал обладает пониженной трещиностойкостыо, то достаточно изгото­ вить образцы относительно малых размеров. В таком случае для образования трещин и проведения испытаний могут быть приме­ нены малые токарные станки. Кроме того, размер образца в каж­ дом конкретном случае определяется мощностью имеющейся уста­ новки.

Цилиндрические образцы диаметром D0 и длиной 2Ь0 изготов­ ляют из имеющегося ассортимента материала. Размеры образца выбираются такими, чтобы сохранялось отношение 2L0/DK>> 10 (см. рис. 50), учитывая при этом возможности установки, на ко­ торой будут проводиться испытания. На образцах нарезают кольцевой концентратор диаметром DK^ 0,8 D0. Конфигурация концентратора (его глубина, угол раскрытия, радиус кривизны у основания) определяется возможностями имеющегося инстру­ мента для обработки материалов (резцы, шлифовальные круги и т. п.). Желательно получать концентратор максимальной остро­ ты (р <; 0,1), чтобы облегчить в дальнейшем процесс образования исходной усталостной трещины. Это касается и угла концентра­ тора, который должен быть не более 60°.

Нагружение образца в процессе образования усталостной тре­ щины, а также при дальнейших усталостных испытаниях осущест­ вляют приспособлением, позволяющим нагружать вращающийся образец и контролировать нагрузку, при которой происходит процесс усталостного испытания. Один из возможных вариантов такого приспособления описан ранее (см. параграф 2 гл. VI, рис. 44, 46). Такое приспособление должно надежно закрепляться в установке (например, в суппорте токарного станка), поддержи­ вать постоянство заданной стрелы прогиба. Датчик нагрузки должен обеспечивать линейность показаний в исследуемом ин­ тервале интенсивностей нагружения данного образца. Желатель­ но иметь набор датчиков нагрузки, обеспечивающих различный

уровень интенсивности напряжений и необходимую при этом чув­ ствительность для определенного диапазона диаметров испытуе­ мых образцов.

В процессе экспериментов на образцах из материала относитель­ но небольшой твердости наблюдается вминание подшипников нагружающего приспособления в материал образца, что крайне нежелательно при контроле глубины трещины по изменению на­ грузки при постоянной стреле прогиба. Для устранения этого уве­ личивают отношение 2L0/Z)K, что приводит к уменьшению величины изгибающего усилия при необходимой интенсивности нагружения. Кроме того, с целью уменьшения вминания подшипников в мате­ риал образца изгиб осуществляют четырехточечным нагружением (см. рис. 43, б). Общий вид приспособления с приставкой для конт­ роля нагрузки, а также сменная вилка для реализации четырех­ точечного нагружения показаны на‘ рис. 45, 46.

Если образцы подвергают термической обработке, то ее про­ водят перед образованием трещины. При этом необходимо соблю­ дать все рекомендации, чтобы получить однородную структуру по всему сечению образца. Подготовленный образец закрепляют в центрах установки, предварительно проверив состояние их конус­ ных поверхностей. Если на последних обнаружен локальный из­ нос, что может повлиять на концентричность создаваемой усталост­ ной трещины, его устраняют шлифовкой.

Для измерения глубины кольцевой трещины в процессе испы­ таний могут быть использованы приборы, основанные на электро­ магнитном методе контроля. Применение электромагнитных при­ боров в этом случае обеспечивает преимущества по сравнению с приборами контроля, основанными на других методах, как, например, ультразвуковом или методе измерения електросопротивления. Основные преимущества электромагнитных приборов состоят в возможности бесконтактного контроля и высокой ско­ рости контроля, что является важным при данных испытаниях. Электромагнитные дефектоскопы позволяют измерять глубину кольцевой трещины в ферромагнитных и пеферромагнитных об­ разцах начиная с 0,1—0,2 мм до 5—7 мм [22, 75]. При этом испы­ тания необходимо проводить на образцах, в которых снят концент­ ратор и не создается наклеп металла около берегов трещины. Соблюдение таких условий обеспечивает измерения с точностью 5—7%.

Для проведения исследований целесообразно применять элект­ ромагнитные приборы универсального типа, имеющие широкий диапазон рабочих частот. Это обеспечивает контроль различных металлов и сплавов, как ферромагнитных, так и неферромагнит­ ных. В частности, для измерения глубины кольцевой трещины ис­ пользовали [106] универсальный электромагнитный дефектоскоп типа ДУЭТ [132], разработанный в Физико-механическом институ­ те АН УССР и предназначенный для решения подобный задач. Существенное значение для проведения исследований имеет выбор

Рис. 112. Схема контроля глубины кольцевой трещины с помощью электро­ магнитного преобразователя в процессе испытания (а) и зависимость выход­ ного сигнала дефектоскопа от глубины трещины (б).

типа электромагнитного преобразователя и частоты его возбужде­ ния. Более подробно эти вопросы рассмотрены в работе [106]. На рис. 112, а приведена схема испытания с применением электро­ магнитного контроля глубины кольцевой трещины. Преобразова­ тели дефектоскопа устанавливают над трещиной образца 1 с за­ зором 0,5—1,0 мм и подключают к измерительному прибору 2. Катушки возбуждения 3 преобразователя создают электромагнит­ ное поле, которое распространяется в образце. Увеличение глу­ бины трещины приводит к искажениям этого поля, что обнаружи­ вают с помощью специальной системы измерительных катушек 4. Сигнал, пропорциональный глубине кольцевой трещины, с дефекто­ скопа подают на многоканальный быстродействующий самопи­ сец 5, на который одновременно поступает сигнал от датчика на­ грузки.

На рис. 112, б представлена зависимость выходного сигнала

интервале глубины трещины обычно носит линейный характер. При этом требуется тарировка прибора по контрольным образцам.

4. Методика проведения эксперимента на усталость

Эксперимент начинают с определения трещцностоикости лштериала К\с статическим (см. гл. VI) или цикли­ ческим методами (теоретическая основа циклического метода изложена в параграфе 5 настоящей главы).

Для определения характеристики К ic циклическим методом поступают следующим образом. В цилиндрическом образце создают

начального концентратора, т. е. до величины DK, и приступают к исследованию усталостного разрушения материала. Первое продвижение трещины осуществляют до глубины « 0 , 7 DH (см. рис. ИЗ, а) при постоянной величине стрелы прогиба и началь­ ной нагрузке

0,0126а , К б ; £ 1с, (VIII.27)

фиксируя количество циклов нагружения Л^.

Аналогично осуществляется второе продвижение усталостной

исоответственно фиксируется количество циклов нагружения N2. •Третье продвижение усталостной трещины и фиксацию соот­

ветствующего числа циклов нагружения N3проводили при началь­ ной нагрузке

Величина нагрузки Pi при каждом продвижении усталостной трещины выбирается из соображений обеспечения ранее приве­ денного диапазона интенсивности нагружения.

После составления программы приступают к испытанию образ­ ца на усталость. Для этого устанавливают подготовленный обра­ зец в центрах токарного станка и нагружают его по силовой схе­ ме, указанной на рис. 43, а. Подготовленным здесь считается образец, термообработанный и отшлифованный как по внешнему диаметру, так и по концентратору. Далее при величине стрелы прогиба h0, соответствующей первоначальному нагружению Р0, образуют усталостную трещину до глубины d0, после чего снимают с образца слой материала на глубину первоначального концентра­ тора до диаметра DK. Затем приступают к усталостному продви­ жению трещины согласно намеченной программе.

Важным моментом в методическом плане при проведении экспе­ римента является контроль глубины усталостной трещины. Один из способов такого контроля описан в параграфе 3 данной главы.

Другой из возможных способов заключается в следующем. При распространении трещины поперечное сечение образца умень­ шается, в результате чего уменьшается жесткость образца. В про­ цессе эксперимента при постоянной величине стрелы прогиба датчик воспринимает изменение жесткости в виде спада нагрузки, которая фиксируется измерительным прибором 9 (см. рис. 43). Кроме того, в параграфе 4 гл. III установлена аналитическая зави­ симость (II 1.90) величины Р изгибающего усилия от величины стре­ лы прогиба /г, достоверность которой подтверждена (см. параграф 2 данной главы) результатами экспериментальных исследований в широком диапазоне относительной глубины трещины и при раз­ личной величине стрелы прогиба. На основании сказанного в каж­ дом конкретном случае при данной величине стрелы прогиба по

изменению нагрузки, выбранной для реализации составленной программы испытаний, и размерам образца можно ориентировочно определить величину подрастания усталостной трещины. Это под­ растание трещины фиксируют для того, чтобы можно было ориенти­ ровочно осуществить три продвижения усталостной трещины.

Фиксирование трещины может быть также осуществлено с по­ мощью красок, применяющихся в дефектоскопии, либо чередова­ нием различной интенсивности нагружения вращающегося образ­ ца. Так, после первого продвижения трещины при данной интен­ сивности нагружения уменьшают нагрузку и вращают образец при значительно меньшей интенсивности. Уменьшение интенсив­

рельефа поверхности разрушения.. Последнее проявляется на по­ верхности излома в виде круга, четко фиксирующего величину пер­ вого подрастания трещины Д/. Далее образец нагружают согласно программе и эксперимент повторяется.

После того как осуществлено три продвижения усталостной трещины, образец снимают с установки и разрушают. Затем на разрушенных поверхностях уточняют величину каждого продви­

ванию усталостного распространения трещины на стадии ее докритического роста необходимо в первую очередь (как указывалось выше) составить программу проведения эксперимента. Это воз­ можно только тогда, когда известно значение характеристики трещиностойкости исследуемого материала К 1с. Зная величину К ic, определяют такие размеры образца и трещины, а также величины внешнего нагружения Pi при каждом продвижении усталостной трещины, которые обеспечивали бы выполнение условий автомо­ дельности зоны^предразрушения (IV.81), (IV.82) и равномерное распределение по исследуемому интервалу усталости заданных при каждом продвижении трещины значений интенсивности напря­ жений в окрестности ее контура. Поэтому нахождение характе­ ристики трещиностойкости материала K ic необходимо считать составной частью методики исследования усталостного распрост­ ранения трещины на стадии ее докритичёского роста.

Определение характеристики K\Q можно осуществлять стати­ ческим методом, описанным в гл. VI. Однако при эксперименталь­