Приложение N 5
Методика определения циклической трещиностойкости (живучести)
1. Циклическая трещиностойкость - сопротивление материала распространению
усталостной трещины при циклическом нагружении. Характеристикой циклической
трещиностойкости является кинетическая диаграмма усталостного разрушения (КДУР),
построенная в координатах "скорость роста трещины (Ig"Дельта"L/"Дельта"N) -
размах коэффициента интенсивности напряжений "Дельта" K ", где L - длина
1
трещины, мм, N - число циклов нагружения.
Кинетическая диаграмма усталостного разрушения имеет характерные точки,
основные из которых:
K - пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений, ниже
th -8
которого скорость роста усталостной трещины равна нулю или меньше 10 мм/цикл.
3/2
Размерность коэффициента интенсивности напряжений Н/мм ;
K - критический коэффициент интенсивности напряжений, при котором
1С
происходит хрупкий или без заметной пластической деформации долом образца
(изделия) в результате действия напряжений отрыва при наличии в образце
3/2
(изделии) усталостной трещины, Н/мм , рис. 5.1.
См. рис. 5.1. - Кинетическая диаграмма усталостного разрушения (КДУР)
2. Для определения характеристик циклической трещиностойкости проката для
мостостроения используют следующие типы образцов по ГОСТ 25.506:
плоский прямоугольный с центральной трещиной для испытания на осевое
растяжение (тип 1, рис. 5.2);
цилиндрический с кольцевой трещиной для испытания осевое растяжение (тип 2,
рис. 5.3);
прямоугольный, компактный образец с краевой трещиной для испытания на
внецентренное растяжение (тип 3, рис. 5.4);
плоский прямоугольный образец с краевой трещиной для испытания на
трехточечный изгиб (тип 4, рис. 5.5).
См. рис. 5.2. - Плоский образец с центральной трещиной (тип 1).
См. рис. 5.3. - Цилиндрический образец с кольцевой трещиной (тип 2)
См. рис. 5.4. - Прямоугольный компактный образец с краевой трещиной (тип 3).
См. рис. 5.5. - Плоский прямоугольный образец с краевой трещиной для
испытания на трехточечный изгиб (тип 4).
Все образцы должны иметь усталостные трещины длиной ("лямбда" ) от 1 до 2
0
мм, которые наносят до испытания. Для определения K рекомендуется применять
1C
образцы типа 3 и 4
3. Условием корректности определения К является правильный выбор толщины
1C
образца для обеспечения объемно-напряженного состояния в устье трещины и
предотвращения пластической деформации образца перед разрушением. Условие
корректности определения K соблюдается, если толщина образца (t) больше
2 1C
2,5(K / "сигма" ).
1C 0,2
При этом должны соблюдаться следующие соотношения между размерами:
для образцов типа 3:
b = 2t; b = 1,5b; 2a = 0,55b; d = 0,25b; "лямбда" = (0,45...0,55)b;
1 н
1 <= 0,06h; h = (0,35... 0,5)b.
для образца типа 4:
b = 2t; "лямбда" = (0,45...0,55)b; 1 <= 0,06b; L = 4b; L = L + 0,5b;
н 1
h = (0,35... 0,5)b.
См. рис. 5.6. - Тарировочный график для образца типа 4 размером: L = 120
1
mm; L =100 mm; L/2 = 60 mm; b = 25 mm; t = 12 mm; l = 12 mm, в зависимости
0
от длины трещины, нагрузки и коэффициента интенсивности напряжений.
4. Критический коэффициент интенсивности напряжений К определяют по
1C
диаграмме разрушения образцов, записанной в координатах "нагрузка - деформация".
После испытания образца измеряют длину исходной усталостной трещины "лямбда".
0
Форма трещины должна быть симметричной относительно оси образца, без перекосов.
Коэффициент интенсивности напряжений К вычисляют по формулам:
1C
для образцов 3 типа:
1/2
K = P Y / t (b) (5.1)
1C C 3
2
где Y = 13,74 [1 - 3,380("лямбда" ! b) + 5,572 ("лямбда" ! b)] (5.2)
3 н н
"лямбда" - длина надреза плюс длина начальной трещины, мм
н
и для образцов типа 4:
3/2
K = P L Y / t (b) (5.3)
1C С 4
2
где Y = 3,494 [1 - 3,396("лямбда" ! b) + 5,839 ("лямбда" ! b)] Р (5.4)
4 н н
Критическое значение коэффициента интенсивности напряжений (К ) определяют
1C
по результатам испытания не менее 3 образцов.
5. Построение кинетической диаграммы усталостного разрушения (КДУР)
производят путем измерения скорости роста усталостной трещины при постепенном
снижении значения К . Испытание проводят на образцах 3 и 4 типов. Максимальную
1
циклическую нагрузку (Р ) при заданном коэффициенте асимметрии цикла
мах
ступенчато снижают таким образом, чтобы при данном размере трещины каждое
снижение Р приводило к снижению K до значений ниже уровня предыдущей
мах 1
ступени. Одновременно на каждой ступени нагружения измеряют скорость роста
трещины. Испытание продолжают до тех пор, пока скорость роста усталостной
-8
трещины станет ниже 10 мм/цикл или будет равна нулю. В этом случае К будет
1
равен К . Пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений К
th th
определяют путем построения кинетической диаграммы усталостного разрушения не
менее 3 образцов.
Расчет коэффициентов интенсивности напряжений для образцов каждого типа
производят по формулам Д.1 - Д.4, в которых вместо Р используют значения Р
с мах
для каждой ступени нагружения, а вместо "лямбда" текущее значение длины трещины
н
при переходе на следующую ступень нагружения. Скорость роста усталостной трещины
на каждой ступени нагружения определяют из соотношения:
V = "Дельта" "лямбда" ! "Дельта" N,
t t
где "Дельта" "лямбда" - увеличении длины трещины при испытании на
t данной ступени циклической нагрузки;
"Дельта"N - число циклов нагружения на данной ступени циклической нагрузки.
4
Рекомендуется принимать "Дельта"N порядка 10 циклов при этом увеличение
длины трещины должно быть не менее 1 мм, исходя из точности измерения длины
трещины с помощью компаратора с 6-и кратным увеличением.
По результатам испытаний строят КДУР с указанием
K , K V = f(K или "Дельта"K ).
1C th t 1 1
В целях облегчения вычислений К для каждого образца рекомендуется
1
построить тарировочные графики в координатах "лямбда" - K при различных Р
t 1 мах
или Р - K при различной длине трещины "лямбда", рис. 5.6.
мах 1 t