Методика проведения испытаний крестообразных образцов с поверхностной трещиной при циклическомдвухосном нагружении Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.592

К.А. Вансович, В.И. Ядров

Омский государственный технический университет, г. Омск

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ КРЕСТООБРАЗНЫХ ОБРАЗЦОВ С ПОВЕРХНОСТНОЙ ТРЕЩИНОЙ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ ДВУХОСНОМ НАГРУЖЕНИИ

Большинство эксплуатационных разрушений деталей машин и элементов конструкций, работающих при переменных нагрузках, имеют усталостный характер. В реальных условиях детали всегда имеют микродефекты различного характера, которые появляются как на стадии производства металла, так и на стадии их последующей обработки. Наличие таких микродефектов может привести к возникновению усталостной трещины и выходу детали из строя задолго до окончания срока службы конструкции. Чтобы определить остаточную долговечность конструкции с трещиной и назначить периодичность профилактических проверок, необходимо уметь предсказывать, как быстро будет развиваться трещина в детали при заданных режимах эксплуатации.

Большинство исследователей проводят испытания по изучению трещин на образцах простой формы при одноосном нагружении, хотя в реальных условиях трещина, как правило, развивается при сложном напряженном состоянии и, в частности, при двухосном напряженном состоянии.

Миллером [1] проведены испытания плоских образцов со сквозной трещиной при степени двухосности гк=Сх/Су = + 1; 0; - 1. Наибольшая скорость роста трещин имела место при растяжении - сжатии. Наименьшая скорость роста была зарегистрирована при двухосном растяжении. Танака и др. [2] также проводили испытания на крестообразных образцах с толщиной рабочей части 2 мм со сквозной трещиной и получили противоположные результаты. При растяжении - сжатии скорость трещины уменьшалась, а при двухосном растяжении увеличивалась. Увеличение скорости роста усталостных трещин авторы исследований объяснили изменением механизма разрушения в сторону охрупчивания.

Ито и Шимамото [3] проводили испытания по изучению распространения усталостной трещины в магниевом сплаве в условиях двухосного и одноосного нагружения на крестообразном образце, с целью исследования влияния несингулярного циклического напряжения, параллельного трещине. Для этого исследования использовались пластины толщиной 2,5 мм. Оказалось, что скорость распространения усталостной трещины становится быстрее, когда коэффициент двухосности X отрицательный, и наоборот медленнее, когда коэффициент двухосности положительный.

Проведенный анализ, позволяет сделать вывод о том, что результаты двухосных испытаний весьма противоречивы.

Следует отметить, что во всех рассмотренных опытах трещины были сквозными, а образцы тонкими.

Целью настоящей работы является проведение двухосных усталостных испытаний и исследование влияния напряжения, параллельного плоскости поверхностной (несквозной) трещины, на скорость ее роста в стальных образцах.

Для реализации двухосного нагружения были предложены образцы крестообразной формы. Особенность несквозных трещин заключается в том, что в процессе своего развития они распространяются как по ширине образца, так и вглубь его от передней поверхности. Поэтому для получения достаточной информации при испытаниях, необходимо иметь образцы значительной толщины. С другой стороны, для испытания крупногабаритных образцов, требуются большие усилия, что накладывает особые требования к их прочности.

12

Предварительно проводилась оптимизация формы крестообразного образца по напряженно-деформированному состоянию с целью снижения концентрации напряжений. Моделирование формы образца выполнялось методом конечных элементов с помощью программы АЖУБ.

Усталостные испытания крестообразных образцов проводились на испытательной ма-

шине ГРМ-1 с гидравлическим пульсатором, которая создает одноосное циклическое растяжение или сжатие. Для получения в крестообразном образце 1 двухосного растяжения или растяжения-сжатия, были сконструированы и изготовлены приспособления способные передавать усилия до 100 кН по каждой оси (рис. 1).

а) б)

Рис. 1. Приспособления для двухосных испытаний а - растяжение-сжатие; б - растяжение-растяжение 1 - крестообразный образец; 2 - тяги

Реальный коэффициент двухосности напряжений 'к=Сх/Су существенным образом зависит от соотношения жесткостей деталей приспособления в вертикальном и горизонтальном направлениях и точно может быть определен только по результатам деформаций в центральной части образца. При проведении усталостных испытаний удалось получить следующие значения коэффициента двухосности напряжений гк=Сх/^у. - 0,9; - 0,3; + 0,5.

Усталостную трещину в центре крестообразного образца зарождали с помощью специально нанесенного концентратора напряжений. В процессе численного анализа и натурных экспериментов установлено, что в стальном образце толщиной 10 мм гарантированно приводят к зарождению усталостной трещины три отверстия по горизонтальной оси глубиной до 3 мм с толщиной перемычки 0,3-0,4 мм .

Для определения напряжений при испытаниях использовался метод электротензомет-рирования. В центре рабочей части образца с обратной стороны от концентратора наклеивались два тензорезистора. Они располагались крест-накрест по направлению осей симметрии образца, то есть вдоль главных напряжений. Измерения деформаций проводились независимо по взаимно перпендикулярным направлениям.

Аналоговый сигнал с выхода тензостанции подавался на вход цифрового осциллографа комбинированного прибора АСК-4106 и далее на монитор компьютера. Напряжения в центре крестообразного образца вычислялись по формулам обобщенного закона Гука, для плоского напряженного состояния

Е

е + ¡ле а =

Е

(е + ле )

)

(7 + /л2 )

( 7

(1 + Л 2 )

13

Во время проведенных испытаний применялся метод прямого измерения размера несквозной трещины, которая наблюдалась по передней поверхности образца. Для измерения размера трещины вдоль предполагаемой линии ее роста наклеивался полумиллиметровый растр. Изображение рабочей зоны образца через микроскоп и видеокамеру передавалось на иББ-вход компьютера, где оно могло быть записано или передано на экран монитора.

Это позволило фиксировать момент прохождения трещины через деления растра и таким образом получать зависимость половины размера трещины по поверхности ( с ) от числа циклов нагружения ( N ) (рис. 2)

Рис. 2. Трещина на поверхности образца

1

2

2

2

Усталостные испытания проводились на крестообразных образцах изготовленных из стали 20 при двухосном растяжении Х=0.5 и при двухосном растяжении-сжатии Х=-0.3 и -0.9. Так как целью исследования являлась оценка влияния напряжения параллельного плоскости поверхностной (несквозной) трещины, на скорость ее роста, то напряжения ^у перпендикулярные трещине во всех экспериментах оставались постоянными и равнялись 150 МПа.

Результаты усталостных испытаний при различной степени двухосности напряжений в зоне поверхностной трещины представлены на (рис. 3).

с,

мм

9

8

6

5

4

lb □ /

1 - 2 \ A/

3 7^

О

50

100

150

200 250 300 N,

тыс. циклов

Рис. 3. Влияние способа нагружения крестообразного образца из стали 20 на рост усталостных трещин: 1 - Я = +0,5 ; 2 - Я = -0,3 ; 3 - Я = -0,9

14

В результате анализа полученных экспериментальных данных установлено, что при сжимающем напряжении число циклов до разрушения образца увеличивалось с его увеличением, т.е. с уменьшением коэффициента двухосности напряжений X скорость роста трещины уменьшалась. И, наоборот, при растягивающем напряжении число циклов до разрушения уменьшалось, а скорость роста трещины увеличивалась.

Библиографический список

1. Miller K.J. Fatique under complex stress// Metal Science. - 1977. - V. 2. - № 8-9. P. 432

- 438.

2. Tanaka К., Hoshida T., Yamoda A., Taird S. Fatique crack propagation in biaxial stress fields// Fatique Eng. Mat. - 1979. - V. 2. - № 2. - P. 181-194.

2. Yasumi Itoh, Akira Shimamoto. Fatigue crack propagation of magnesium alloy in biaxial stress fields // Mechanical Engineering Papers. - 2005. - V. 5769. - I. 1. - P. 89-100.