Материал: Механика материалов. Методы и средства экспериментальных исследований

критического значения Kc – критического коэффициента интенсивности напряжений.

Величина коэффициента интенсивности напряжений устанавливается расчетом по значению критической нагрузки, размерам трещины и геометрическим параметрам образца. В большинстве случаев исходная трещина выращивается в результате циклического нагружения. Критическое значение коэффициента интенсивности напряжений является предельным значением этой величины в окрестности вершины трещины в момент ее страгивания, что соответствует разрушению образца [12].

Экспериментальное исследование характеристик трещиностойкости выполняется на образцах специальной конфигурации. Часто в лабораторной практике используются образцы с надрезом для испытаний на трехточечный изгиб (рис. 1.21, а), и компактные образцы для испытаний на внецентренное растяжение

(рис. 1.21, б).

Рис. 1.21. Образцы для исследований трещиностойкости материала в испытаниях на трехточечный изгиб (а)

ивнецентренное растяжение (б)

Вэтих испытаниях по определению коэффициента интенсивности напряжений K1c , соответствующего трещине нор-

мального отрыва, на образце предварительно выращивается усталостная трещина [27]. Затем производится растяжение или

36

изгиб образца с трещиной с записью диаграммы сила P – величина раскрытия трещины ∆ с использованием датчика раскрытия трещины, показанного на рис. 1.22.

Рис. 1.22. Датчик раскрытия трещины, установленный на компактный образец

Возможно получение различных видов диаграмм. Основные типы диаграмм, получаемые при проведении испытаний материалов на трещиностойкость, представлены на рис. 1.23.

Рис. 1.23. Основные типы диаграмм при испытаниях на трещиностойкость

37

К виду I относятся зависимости с одним максимумом, находящимся в пределах 5%-ной секущей (тангенс угла наклона α которой на 5 % меньше по сравнению с начальным линейным участком). К виду II относятся диаграммы с двумя максимумами, причем первый из них находится в пределах 5%-ной зоны и соответствует моменту докритического роста трещины, к виду III относятся зависимости с одним максимумом, находящимся за пределами 5%-ной зоны, в которых не удается зафиксировать момент докритического роста трещины. К виду IV относятся диаграммы с двумя максимумами, причем оба максимума находятся вне 5%-ной зоны, и первый соответствует зафиксированному моменту докритического роста трещины [7].

В результате эксперимента определяется предельная нагрузка, соответствующая началу прорастания трещины. Определив критическую нагрузку начала прорастания трещины и зная геометрические размеры образца, рассчитывается критический коэффициент интенсивности напряжений K1c .

Сопротивление развитию усталостных трещин количест-

венно выражают характеристики циклической трещиностойко-

сти. Характеристики циклической трещиностойкости рассматриваются как параметры зависимости скорости роста трещины от размаха коэффициента интенсивности напряжений:

где da / dN – скорость роста трещины, ∆K – размах коэффициента интенсивности напряжений. В достаточно большом диапазоне ∆K зависимость является линейной, что дает основание использовать степенную аппроксимацию для функции f (∆ K ) ,

называемую формулой Пэриса [10]:

гдеC иm – константыматериала, определяемыеэкспериментально.

38

Разница при расчете коэффициента интенсивности напряжений при использовании образцов различных типов состоит в формулах, используемых для обработки результатов. Так, при использовании компактных образцов расчет размаха коэффициента интенсивности напряжений выполняется с учетом геометрических размеров образцов [30].

Зависимость скорости роста трещины от размаха коэффициента интенсивности напряжений, представленная в логарифмических координатах, называется кинетической диаграммой усталостного разрушения (КДУР). Вид кинетической диаграммы усталостного разрушения (1) и модель Пэриса (2) представлены на рис. 1.24.

Рис. 1.24. Кинетическая диаграмма усталостного разрушения (1) и модель Пэриса (2)

Для экспериментального построения кинетической диаграммы усталостного разрушения проводятся испытания на компактных образцах с предварительно выращенной усталостной трещиной. Образец подвергается циклическому нагружению с заданным размахом ∆K до момента увеличения длины трещины на некоторую заданную величину, после чего рассчи-

39

тывается скорость роста трещины da / dN . Затем выполняется циклическое нагружение образца при другой величине размаха ∆K и аналогично рассчитывается скорость роста трещины. В результате испытаний при различном размахе ∆K на нескольких образцах получается массив точек, соответствующих кинетической диаграмме усталостного разрушения. С использованием модели Пэриса по полученным экспериментальным данным строится зависимость скорости роста трещины от величины размаха коэффициента интенсивности напряжений.

Методики, нормативы, рекомендации по исследованию механических свойств материалов содержатся в российских и зарубежных стандартах: ГОСТ (Государственные стандарты Российской Федерации), ISO (International Organization for Standardization) – стандарты Международной организации по стандартизации, ASTM (American Society for Testing and Materials) – стандарты американского общества по испытаниям материалов, DIN (Deutsches Institut für Normung) – стандарты Немецкого института по стандартизации.

В качестве примера стандартов, регламентирующих различные виды испытаний металлов, полимеров, композиционных материалов, можно привести следующие:

ГОСТ 1497-84. Металлы. Методыиспытаний на растяжение. ГОСТ 9651-84. Металлы. Методы испытаний на растяже-

ние при повышенных температурах.

ГОСТ 11150-84. Металлы. Методы испытания на растяжение при пониженных температурах.

ГОСТ 22706-77. Металлы. Метод испытания на растяжение при температурах от минус 100 до минус 269 °С.

ГОСТ11262-80. Пластмассы. Методиспытанийнарастяжение. ГОСТ 25.601-80. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с по-

лимерной матрицей (композитов). Метод испытания плоских образцов на растяжение при нормальной, повышенной и пониженной температурах.

40