Устройство для оценки вязкости разрушения конструкционных материалов

Авторы патента:


 

Полезная модель относится к устройствам для определения прочностных свойств металлических конструкционных материалов, применяющихся в авиационной промышленности, машиностроении, судостроении и других отраслях техники, а также в строительной индустрии. Устройство совместимо с современными отечественными и зарубежными стандартами испытаний (ГОСТ 25.506-85, ОСТ1 90215-76, ASTM E 399-09, ASTM E 1681-03). Предложенное устройство для оценки вязкости разрушения конструкционных материалов включает распорный болт для фиксации раскрытия трещины, образец из тестируемого материала, содержащий краевой надрез, сквозное отверстие с резьбой для распорного болта, сквозные отверстия для крепления образца в захватах испытательной машины. Техническим результатом полезной модели является создание устройства, позволяющего проводить испытания на вязкость разрушения в условиях длительного коррозионного воздействия с повышенной точностью задания нагрузки, возможностью контроля нагрузки и деформации в любой момент времени, исключением операции калибровки распорного болта для построения зависимости "нагрузка-перемещение".

Полезная модель относится к устройствам для определения прочностных свойств металлических конструкционных материалов, а именно к определению вязкости разрушения, в частности, в условиях длительного коррозионного воздействия, которое характеризует способность конструкционных материалов, применяющихся в авиационной промышленности, машиностроении, судостроении и других отраслях техники, а также в строительной индустрии, сопротивляться развитию трещины.

Известно устройство для испытания конструкционных металлических материалов на вязкость разрушения с определением коэффициента интенсивности напряжений K1C (МПа·м 1/2), представляющее собой образец с краевым надрезом и симметрично расположенными относительно краевого надреза сквозными отверстиями для крепления в захватах испытательной машины, расположенные между открытым концом краевого надреза и его вершиной. На открытом конце краевого надреза возле торца выполнены выемки для крепления датчика деформации (датчика раскрытия). В вершине краевого надреза предварительно выращивают трещину. В сквозные отверстия вставляют шпильки, на которые через U-образные захваты передается нагрузка от испытательной машины. Устанавливают датчик раскрытия в выемки. Затем прикладывают растягивающую нагрузку до разрушения образца и по диаграмме нагрузка-перемещение (P-f) определяют разрушающую нагрузку, по которой затем определяют вязкость разрушения K1C. (ASTM Е399-09, р. 20, fig. A4.1).

Недостаток этого образца заключается в том, что:

- данный образец нельзя применять для испытаний в условиях коррозионной среды вне испытательной машины;

- для фиксации нагрузки на образце вне испытательной машины требуется дополнительное приспособление;

- требуется дополнительное построение зависимости "нагрузка-смещение берегов трещины";

- определение нагрузки по зависимости "нагрузка-смещение берегов трещины" не обеспечивает ее точного задания и является косвенным.

Известен способ испытания материалов на коррозионное растрескивание, заключающийся в том, что образец с концентратором и наведенной из его вершины усталостной трещиной растягивают в направлении, перпендикулярном плоскости распространения трещины, на испытательной машине, замеряют величину раскрытия трещины и строят график зависимости "нагрузка-смещение берегов трещины". После достижения нагрузки, превышающей заданную, дальнейшее нагружение приостанавливают, вставляют в паз стержень заранее рассчитанного размера и снимают внешнюю нагрузку. Происходит перераспределение нагрузки на стержень и образец, а величину нагрузки определяют по величине раскрытия трещины в соответствии с полученным при нагружении на машине графиком. Образец помещают в коррозионную среду, и по изменению длины трещины в процессе испытания судят о коррозионном растрескивании материала и определяют параметры K1 (МПа·м1/2) и K1SCC (МПа·м1/2). (Патент SU 714894 от 20.01.1996).

Недостатки этого способа заключаются в том, что:

- требуется тщательный подбор размеров и материала распорного стержня;

- требуется дополнительное построение зависимости "нагрузка-смещение берегов трещины";

- определение нагрузки по зависимости "нагрузка-смещение берегов трещины" не обеспечивает ее точного задания и является косвенным.

За прототип принято устройство для оценки вязкости разрушения конструкционных материалов, включающее распорный болт для фиксации раскрытия трещины, образец из тестируемого материала, содержащий краевой надрез, сквозное отверстие с резьбой для распорного болта, при этом сквозное отверстие выполнено перпендикулярно надрезу и с выходом одного своего конца в полость краевого надреза. В образец с предварительно нанесенной трещиной закручивают болт и тем самым растягивают берега трещины. По датчику деформации определяют величину раскрытия трещины, а по ней нагрузку на образце. Затем образец помещают в коррозионную среду и по росту трещины определяют степень коррозионного воздействия. (ASTM E 1681-03, 2008, p. 5, fig. 3).

Недостатки этого способа заключаются в том, что:

- требуется дополнительная калибровка распорного болта для построения зависимости "нагрузка-перемещение";

- определение коэффициента интенсивности напряжений в вершине трещины по нагрузке на распорный болт не обеспечивает его точного задания и является косвенным.

Технической задачей данной полезной модели является создание образца, позволяющего проводить испытания на вязкость разрушения в условиях длительного коррозионного воздействия с повышенной точностью задания нагрузки, возможностью контроля нагрузки и деформации в любой момент времени, исключением операции калибровки распорного болта для построения зависимости "нагрузка-перемещение".

Дополнительным преимуществом является возможность использования полезной модели в соответствии с современными отечественными и зарубежными стандартами испытаний (ГОСТ 25.506-85, ОСТ1 90215-76, ASTM Е399-09, ASTM E 1681-03).

Для решения поставленной задачи предложено устройство для оценки вязкости разрушения конструкционных материалов, включающее распорный болт для фиксации раскрытия трещины, образец из тестируемого материала, содержащий краевой надрез, сквозное отверстие с резьбой для распорного болта, при этом сквозное отверстие выполнено перпендикулярно краевому надрезу и с выходом одного своего конца в полость краевого надреза, отличающееся тем, что содержит симметрично расположенные относительно краевого надреза сквозные отверстия для крепления образца в захватах испытательной машины, размещенные между открытым концом краевого надреза и его вершиной, при этом сквозное отверстие с резьбой для распорного болта расположено ближе к открытому концу надреза, чем сквозные отверстия для крепления образца в захватах испытательной машины. Вышеуказанный образец может выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда с толщиной h, длиной b3,4 h, шириной a2,4 h, верхняя и нижняя грани параллелепипеда имеют размеры 3,4 h × 2,4 h, левая и правая грани параллелепипеда имеют размеры h × 2,4 h, передняя и задняя грани параллелепипеда имеют размеры 3,4 h × h. Краевой надрез может быть выполнен сквозным по толщине образца, параллельно передней грани и с открытым концом, расположенным на середине правой грани образца, с расстоянием между параллельными краями не более 0,12 h, при этом вершина краевого надреза представляет собой концентратор напряжения с радиусом скругления при вершине не более 0,25 мм и углом между гранями, формирующими вершину краевого надреза, 30-60°, расстояние от вершины надреза до левой грани составляет не более 1,2 h. Сквозные отверстия для крепления образца в захватах испытательной машины могут иметь диаметр не более 0,5 h и быть выполнены перпендикулярно верхней грани образца, при этом центры вышеуказанных отверстий расположены на расстоянии не менее 2h до левой грани и не более 1,1 h друг от друга, а центр сквозного отверстия с резьбой для распорного болта расположен на расстоянии 0,5h от верхней грани и не менее 3h от левой грани, номинальный диаметр резьбы в отверстии составляет не более 0,55 толщины образца. Распорный болт может иметь плоский опорный торец с фаской. Распорный болт может иметь сферический опорный торец с радиусом 0,5-0,8 диаметра болта. Под концом распорного болта в полости краевого надреза дополнительно может быть установлена шлифованная стальная квадратная пластинка размером h×h, толщиной не более 0,1 h и твердостью по Роквеллу не менее 50. Устройство может дополнительно содержать датчик деформации для измерения величины раскрытия трещины, закрепленный в выемках на открытом конце краевого надреза, либо посредством упоров, привинченных к образцу с противоположных сторон краевого надреза.

Технический результат достигается за счет того, что образец из тестируемого материала имеет сквозное резьбовое отверстие, позволяющее через распорный болт зафиксировать приложенную нагрузку и в таком состоянии поместить образец в коррозионную среду вне испытательной машины. Распорный болт может иметь плоский опорный торец с фаской или сферический опорный торец для увеличения пятна контакта с образцом, а также дополнительно между распорным болтом и образцом в полости краевого надреза может устанавливаться твердая стальная пластинка, что уменьшает величину закрытия трещины. Одновременно с этим наличие сквозных отверстий для крепления образца в захватах испытательной машины, размещенные между открытым концом краевого надреза и его вершиной, дает возможность нагружать образец на ней, что позволяет точно контролировать задаваемую нагрузку. Сквозные отверстия для крепления в захватах испытательной машины позволяют в любой момент времени поместить образец в захваты испытательной машины и определить раскрытие трещины датчиком деформации и приложенную к образцу нагрузку, что исключает необходимость калибровки распорного болта для построения зависимости "нагрузка-перемещение". Сквозное отверстие с резьбой для распорного болта расположено ближе к открытому концу надреза, чем сквозные отверстия для крепления в захватах, что позволяет повысить точность задания нагрузки, прикладываемой к образцу через распорный болт, за счет увеличения рычага приложения силы. На образец можно установить широко распространенный стандартный датчик раскрытия.

На Рис. 1 представлено устройство для оценки вязкости разрушения конструкционных материалов. Оно содержит образец из тестируемого материала (1), краевой надрез (2), сквозное отверстие с резьбой для распорного болта (3), распорный болт (4), сквозные отверстия для крепления образца в захватах испытательной машины (5), датчик деформации (6), стальную пластину (7), упоры (8) и винты (9). Вершина краевого надреза (10) представлена на Рис. 2. Вершина краевого надреза представляет собой концентратор напряжения с радиусом скругления при вершине не более 0,25 мм и углом между гранями (11), формирующими вершину краевого надреза, 30-60°.

Было проведено испытание на вязкость разрушения образцов из алюминиевого сплава 1163 (ОСТ1 90048-90) и В95 (ГОСТ 4784-97). На образце (1) предварительно была выращена усталостная трещина в вершине краевого надреза (10). Винтами (9) прикрепили упоры (8) к образцу. Затем вставили нагружающие шпильки в сквозные отверстия (5) и закрепили в захватах испытательной машины. Установили на образец датчик раскрытия (6). Нагрузили образец и зафиксировали приложенную нагрузку завинченным в сквозное резьбовое отверстие (3) до упора распорным болтом (4). Затем сняли образец (1) с завинченным распорным болтом (4) с испытательной машины и поместили в коррозионную среду. По росту трещины и полученной при растяжении образца до разрушения нагрузке определили величину K1SCC и K1C и сделали вывод о влиянии коррозионного воздействия на вязкость разрушения материала.

Таким образом, проведение испытания на коррозионное растрескивание и определение Ki sec при помощи данного образца позволяет уменьшить трудоемкость испытаний и повысить достоверность полученных результатов.

1. Устройство для оценки вязкости разрушения конструкционных материалов, включающее распорный болт для фиксации раскрытия трещины, образец из тестируемого материала, содержащий краевой надрез, сквозное отверстие с резьбой для распорного болта, при этом сквозное отверстие выполнено перпендикулярно краевому надрезу и с выходом одного своего конца в полость краевого надреза, отличающееся тем, что содержит симметрично расположенные относительно краевого надреза сквозные отверстия для крепления образца в захватах испытательной машины, размещенные между открытым концом краевого надреза и его вершиной, при этом сквозное отверстие с резьбой для распорного болта расположено ближе к открытому концу надреза, чем сквозные отверстия для крепления образца в захватах испытательной машины.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вышеуказанный образец выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда толщиной h, длиной b3,4h, шириной a2,4h, верхняя и нижняя грани параллелепипеда имеют размеры 3,4h × 2,4h, левая и правая грани параллелепипеда имеют размеры h × 2,4h, передняя и задняя грани параллелепипеда имеют размеры 3,4h × h.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что краевой надрез выполнен сквозным по толщине образца, параллельно передней грани и с открытым концом, расположенным на середине правой грани образца, с расстоянием между параллельными краями не более 0,12h, при этом вершина краевого надреза представляет собой концентратор напряжения с радиусом скругления при вершине не более 0,25 мм и углом между гранями, формирующими вершину краевого надреза, 30-60°, расстояние от вершины надреза до левой грани составляет не более 1,2h.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что сквозные отверстия для крепления образца в захватах испытательной машины имеют диаметр не более 0,5h и выполнены перпендикулярно верхней грани образца, при этом центры вышеуказанных отверстий расположены на расстоянии не менее 2h до левой грани и не более 1,1 h друг от друга, а центр сквозного отверстия с резьбой для распорного болта расположен на расстоянии 0,5h от верхней грани и не менее 3h от левой грани, номинальный диаметр резьбы в отверстии составляет не более 0,55 толщины образца.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что распорный болт имеет плоский опорный торец с фаской.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что распорный болт имеет сферический опорный торец с радиусом 0,5-0,8 диаметра болта.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что под концом распорного болта в полости краевого надреза дополнительно установлена шлифованная стальная квадратная пластинка размером h × h, толщиной не более 0,lh и твердостью по Роквеллу не менее 50.

8. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что дополнительно содержит датчик деформации для измерения величины раскрытия трещины, закрепленный в выемках на открытом конце краевого надреза, либо посредством упоров, привинченных к образцу с противоположных сторон краевого надреза.



 

Похожие патенты:
Наверх