Спосіб визначення характеристики тріщиностійкості кіс матеріалу

Винахід відноситься до способів випробувань матеріалів на механічні властивості і, зокрема, до випробувань конструкційних матеріалів і їх сплавів на трі щиностійкість. Відомий спосіб визначення характеристики тріщиностійкості матеріалу [Авт. св. СРСР №823953, кл. G 01 N 1/28, 3/00, 1979] шляхом деформування призматичного зразка з боковою тріщиною на позацентровий розтяг, для якого фіксують руйнівне зусилля та розміри тріщини і за відомими формулами механіки руйнування визначають характеристику тріщиностійкості КIC матеріалу. Але, як показали дослідження, такий спосіб не придатний для досліджень за тріщиностійкістю в'язких матеріалів, оскільки в процесі їх руйнування спостерігаються значні пластичні деформації по бокових гранях зразка з явно вираженими смугами пластичності, які впливають на достовірність визначення характеристики КIC матеріалу. Для визначення характеристики КIC потрібні зразки великих розмірів. Найбільш близьким технічним рішенням являється спосіб визначення характеристики тріщиностійкості КIC матеріалу [Панасюк В.В., Андрекив А.Е., Ковчик СЕ. Методы оценки трещиностойкости конструкционных материалов. Киев, "Наукова думка", 1977, с. 135-142], шляхом осьового розтягу циліндричного зразка з діаметром d в площині кільцевої тріщини, фіксації для нього руйнівного зусилля F* і визначення характеристики тріщиностійкості КIC на підставі відомої емпіричної формули механіки руйнування тут e=d/D - відносний розмір кільцевої тріщини; D - зовнішній діаметр циліндричного зразка; f (e) - функція для визначення відносного розміру кільцевої тріщини. При цьому для одержання достовірних значень КIC щодо вибору габаритів циліндричного зразка користуються такими співвідношеннями: де s0,2 - межа текучості матеріалу; L - довжина циліндричного зразка. Але і в цьому випадку, коли необхідно дослідити в'язкі матеріали для одержання достовірних значень КIC потрібні зразки великих габаритів (D = 200 мм, L = 2000 мм) і потужні розривні випробувальні машини для їх руйнування (максимальне зусилля на розрив до 10000 КН). В основу винаходу поставлено завдання створення такого способу визначення характеристики тріщиностійкості КІС для в'язких матеріалів, в якому використання малогабаритних циліндричних зразків дозволило би одержати достовірні значення характеристики КІС матеріалу, що облегши ть процедуру проведення таких експериментів і зменшить витрати матеріалу на виготовлення дослідних зразків. Поставлене завдання вирішується тим, що у способі визначення характеристики тріщиностійкості КІС матеріалу шляхом осьового розтягу циліндричного зразка з діаметром d в площині кільцевої тріщини і фіксації для нього руйнівного зусилля F*, згідно з винаходом, використовують циліндричний зразок з діаметром в площині кільцевої тріщини d³10 мм, для якого визначають характеристику тріщиностійкості КС, його руйнівне напруження s*=4F*/pd2 і коефіцієнт зміцнення матеріалу т = s*/s0,2, а характеристику тріщиностійкості матеріалу підраховують за формулою де s0.2 - межа текучості матеріалу На підставі випробувань великогабаритних і малогабаритних циліндричних зразків з кільцевою тріщиною встановлений кореляційний коефіцієнт n можна вважати деякою функцією від кількох змінних, тобто Тут s* - величина напружень для циліндричного зразка з кільцевою тріщиною після руйнування силою F*; s0,2 = 4 F*/pdгл - межа текучості матеріалу; dгл. - діаметр гладкого циліндричного зразка; D, І - зовнішній діаметр зразка та глибина кільцевої тріщини відповідно. З другого боку, якщо прийняти до уваги, що для діаметра зразка з кільцевою тріщиною d³10 мм та І = 0,4...0,7d/D добуток КС на n - стала величина (дорівнює КIC), тобто n = 1, то формулу (5) наближено можна записати у вигляді Підставивши (6) у (4) одержимо кінцеву формулу для визначення характеристики тріщиностійкості КIC матеріалу, незалежну від розмірів зразка та тріщини: Слід визначити, як показали експериментальні дослідження з визначення розмірів та форми пластичних зон у вершині кільцевої "втомної" тріщини, було встановлено, що вони мають форму "Ізоклини" і розгалуджуються приблизно під кутом 72° у виді двох смуг із вершини кільцевої тріщини і утворюють подвійний кільцевий тор, що може зімкнутись ідучи назустріч один одному при певному діаметрі циліндричного зразка з кільцевою тріщиною; тим самим спластифікувати ви хідний матеріал і привести до зміни значень КIC матеріалу. Для крихких матеріалів - до зменшення КIC, а для в'язких - до збільшення КIC. Експериментально було також встановлено, що, починаючи від діаметра циліндричного зразка, в площині кільцевої тріщини d³10 мм відсутнє змикання цих пластичних смуг, що ви ходять із вершини кільцевої тріщини, і як доказ цього добуток КС на n дорівнює завжди сталій величині, тобто КIC, яку слід вважати за достовірну характеристику для даного матеріалу, а не для дослідного зразка як КC. Отже, одержана формула (7) дозволяє достовірно вирахувати значення КIC матеріалу на малогабаритному циліндричному зразку, не проводячи дорогих випробувань на великогабаритних зразках і була перевірена більш ніж на 50-ти марках конструкційних сталей, ти танових сплавах та алюмінієвих сплавах і дала хорошу збіжність результатів КIC для цих матеріалів. Спосіб здійснюють наступним чином. Виходячи з того, що діаметр циліндричного зразка в площині кільцевої тріщини не повинен бути меншим 10 мм, тобто d³10 мм, підрахували його зовнішній діаметр D; тобто D = 1,5d. Посередині зовнішньою діаметра циліндричного зразка нарізали кільцевий надріз dk = 0,8D з радіусом закруглення дна r 10 мм; L= 150 мм, a=60°; r£0,1 мм. Для прототипа розміри циліндричних зразків складали: а) для сталі 40Х - D = 32 мм; L = 320 мм; б) для сплава ВТЗ-1 - D = 25 мм; L = 250 мм; в) для сталі У8 - D = 20 мм; L = 200 мм. Результати проведених досліджень над циліндричними зразками малогабаритних розмірів і розмірів за прототипом щодо підрахунку значень характеристики КIC для 3-х конструкційних матеріалів зведено у таблицю, тобто показані значення КIC, підраховані за формулою (7) винаходу і за відомими формулами (1) і (2) прототипу. Добре співпадання значень КIC за пропонованим способом згідно з винаходом і за відомим прототипом свідчить про коректність виконаних досліджень на малогабаритних циліндричних зразках (див. дані таблиці). Ініціювання кільцевих тріщин здійснювали шляхом кругового згину циліндричного зразка при жорсткофіксованій стрілі прогину (трьохточковий круговий згин) при регламентованих напруженнях для двох типорозмірів циліндричних зразків, тобто згідно з винаходом і згідно з прототипом, для яких напруження згину sзг = 0,67 КIC заданого матеріалу. Це виключало похибку від наклепу матеріалу в процесі втомного деформування зразків.