книги / Практическое применение механики разрушения для оценки прочности конструкций
..pdfРис. 4 1 . Влияние температу |
||||||||
ры испытаний на сопротивле |
||||||||
ние развитию трещины |
K jc |
|||||||
стали А 53 3 -В |
по данным ис |
|||||||
пытаний различных типоразме |
||||||||
ров |
(а) |
и при различных ско |
||||||
ростях нагружения и толщинах |
||||||||
образцов (б) |
|
|
|
|
|
|||
|
1 - |
IX WOL ; 2 |
- |
1ТСТ; |
||||
3 - 2ТСТ; 4 - 4ТСТ; 5 - |
||||||||
6ТСТ; |
6 - |
10ТСТ; |
7 |
- |
||||
12ТСТ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Проблема |
влияния скорости |
||||||
нагружения еще не |
решена |
|||||||
настолько, |
чтобы |
полученные |
||||||
результаты можно было с о |
||||||||
поставить |
и использовать на |
|||||||
практике |
с |
полной |
надеж |
|||||
ностью. Однако такие массив |
||||||||
ные конструкции, как роторы |
||||||||
турбин и генераторов, а так |
||||||||
же толстостенные |
сосуды дав |
|||||||
ления, к которым может быть |
||||||||
применена |
теория |
линейной |
||||||
механики разрушения, как пра |
||||||||
вило, не несут |
динамических |
|||||||
нагрузок. |
Поэтому |
в |
ука |
|||||
занных |
случаях |
расчеты |
||||||
на |
прочность |
следует |
про |
|||||
водить с использованием во- |
||||||||
личин |
сопротивления |
рас |
||||||
пространению |
|
трещины |
K^CJ |
|||||
измеряемых |
при статических |
|||||||
скоростях нагружения. |
|
|||||||
Этот |
подход |
необходим, когда можно полагать, что нестабильное |
хрупкое разрушение конструкции, обладающей большим запасом упругой энергии, приведет к полному разрушению. Однако возможны случаи, когда необходимо учитывать характеристику материала, называемую
сопротивлением |
остановке |
трещины |
.Так, в работе |
[7 6 ] рассмат^- |
ривается сосуд |
давления с |
кольцевым |
сварным швом, |
в котором К^с |
наплавленного металла или зоны термического влияния меньше, чем основного металла. Разрушение сосуда может начаться в этом случае
от дефекта в сварном соединении, |
и возникшая трещина будет двигать |
|||
ся при входе |
в |
основной металл с высокой скоростью. Трещина может |
||
остановиться |
в |
основном металле, |
если |
имеет достаточную вели |
чину. При наличии значений К|0 материала для анализа прочности кон струкций, в которых возможно образование бегущих трещин, приемлем обычный анализ механики разрушения [7 6 ] .
трещины, так что в характеристику материала должны входить не толь
ко напряжение, но и размеры трещины, в чем и заключается сущность характеристики К . Возмож ность предотвращения разрушения массивных
деталей конструкций, содержащих дефекты, с помощью условия разру
шения вида К < Kj является |
основной целью, |
которая заставляет |
опре |
||||
делять Kic . |
|
|
|
|
|
|
|
Главной причиной |
почти |
исклю чительного' использования К^с |
для |
||||
оценки сопротивления |
распространению |
трещины |
материалов |
Б .Н . Д р оз- |
|||
довский и Е .М . М орозов считаю т то т |
факт, |
что |
все решения |
линейной |
механики разрушения базируются на образовании плоских поверхностей разрушения, перпендикулярных поверхности тела. Теоретические реше ния для определения коэффициента интенсивности напряжений К при
смешанном или косом изломе не разработаны, что практически не дает возможности использовать характеристики Кс .
Вторая и также важная причина предпочтительного использования
Kjc заключается |
в ее более |
слабой зависимости от геометрии образ |
ца по сравнению с |
величиной |
К . Последняя не только принципиально |
меняется с толщиной, но и довольно существенно зависит от ширины образца и длины исходной трещины. Для определения действительных
значений |
K jc |
в работе |
[ 2 0 ] сформулированы правила, |
которые |
послу |
|
жили основой |
проектов американского |
[ 7 8 ] и британского стандартов |
||||
[7 9 ] |
Они |
были также |
использованы |
при разработг |
авторами |
проек |
та технических условий по определению сопротивления распространению трещин при плоской деформации для тяжелого, энергетического и транспортного машиностроения [ 8 0 ] .
Основная цель указанных технических условий состоит в установ лении единых требований к испытаниям образцов и методике расчета
Эти испытания в отличие от обычных механических испытаний со
держат два этапа: образование усталостной трещины и распростране ние трещины до разрушения образца при статическом нагружении.
Размеры образцов для таких испытаний определяются условиями, обес печивающими получение действительных результатов.
Действительные значения К^с позволяют, пользуясь методами линей
ной механики разрушения [ 5 9 ] , оценить опасность хрупких разрушений
конструкций. Подобной расчетной оценке должны подвергаться конс'г- рукции, в которых при наличии дефектов разрушения м огут происходить в условиях плоской деформации, например роторы турбин и генерато ров, насадные диски, бандажные кольца, корпуса реакторов, другие толстостенные сварные изделия или конструкции меньших сечений из высокопрочных материалов.
Методика включает в себя рекомендации по конструкциям образцов, последовательности испытаний и обработке экспериментальных данных для определения сопротивления распространению трещины при плоской деформации К^с , а также требования к экспериментальному оборудова
нию. Методика пригодна для измерения характеристик основного м ате риала, наплавленных материалов и зон термического влияния при сварке.
Основные требования к размерам образцов определяются упоминав шимся выше условием (1 1 .1 7 ) . Экспериментальное обоснование необхо
Рис. 4 2 . Зависимость |
К [с от |
избыточной температуры |
(обоб |
щенная диаграмма) для ряда перлитных и нержавеющих сталей
1,3 - минимальная и макси мальная кривые, соответствующие
образцам с надрезом |
IV |
типа; |
||
2 - минимальная кривая, соот |
||||
ветствующая |
образцам |
с надре |
||
зом |
I типа; |
4 - кривая, |
соот |
|
ветствующая середине |
полосы раз |
|||
броса по образцам с надрезом |
||||
IV |
типа |
|
|
|
Рис. 43 . Образец для определения сопротивления материалов развитию трещины при испытаниях на сосредоточенный изгиб
В = 0 ,5 У /; |
/ = (0 ,4 5 - 0 ,5 5 )1 /; У = (0 ,2 5 - 0 ,4 5 ) W; K<i/lbW ; если |
||||
W =13 мм, то |
У =0,25W , (} = 0 f1 5 W • |
если 1У = 1 5 0 мм, |
то |
3 = |
|
=0,45 W, |
6 = 0 ,5 5 W Непаралдельность |
наружных плоскостей |
не |
более |
|
0,02 мм |
на 1 0 0 мм длины |
|
|
|
%3 5
Рис. 4 5 . Образец И |
типа для определения сопротивления материалов |
развитию трещины при испытаниях на внецентренное растяжение |
|
I = ( 0 ,4 5 + 0 ,5 5 ) W ; |
B = 0,5W ; C=1,251V;D=0,251V;/Г«1/16Ж ; |
если W * 2 5 мм, К = 1 ,5 мм; Е = 0 ,2 7 5 W ; F = 0 ,4 5 W ; f e O , 5 5 W ; |
|
Н = 0 ,6 W |
|
Тип |
|
В |
W |
|
с |
|
1 |
|
к |
Е |
Г |
|
н |
|
D |
|
0 |
|
|
11 |
- |
13 |
1 3 |
26 |
3 2 ,5 |
1 4 |
,5 |
1 ,5 I |
7,2 |
11 |
,7 |
1 5 |
,6 |
6,5 |
1 4 |
,3 |
|||
11 |
- |
25 |
25 |
50 |
6 2 |
,5 |
2 7 |
,5 |
3,1 |
13 ,8 |
2 2 |
,5 |
30 |
|
1 2 |
,5 |
2 7 |
,5 |
|
И - 50 |
50 |
1 0 |
0 |
1 2 5 |
|
55 |
|
6,3 |
2 7 ,5 |
4 ,5 |
60 |
|
25 |
|
55 |
|
|||
II - |
75 |
7 5 |
1 5 |
0 |
18 8 |
|
8 2 |
,5 |
9 ,4 |
4 1 ,5 |
67 |
|
90 |
|
38 |
|
83 |
|
|
Н - 100100 |
2 0 |
0 |
2 5 0 |
|
11 0 |
|
1 2 ,5 |
55 |
90 |
|
1 2 0 |
|
50 |
|
1 1 0 |
|
|||
II - |
150150 |
3 0 0 |
3 7 5 |
|
1 6 5 |
|
1 8 ,5 8 2 ,5 1 3 5 |
|
18 0 |
|
75 |
|
1 6 5 |
|
|||||
Неперпендикулярность наружных плоскостей не более |
|
0 ,0 5 |
мм |
на |
|
|
|
||||||||||||
100 мм длины |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
быть использованы в зависимости от конкретных условий испытаний и материала.
При определении сопротивления развитию трещин конкретных заго товок образцы должны вырезаться из наиболее напряженных мест де талей, а направление надреза в образцах должно быть перпендикулярно направлению главных напряжений. Образцы механически обрабатывают ся до необходимых размеров. Если механическая обработка материала затруднена, образец следует изготовить с припуском порядка 0 ,5 мм в отожженном состоянии, который снимается механически после терми ческой обработки.
Усталостная трещина создается от надреза. При изготовлении пря мого надреза радиус у вершины должен быть не более ОД мм*. Зарож
|
|
|
|
Толщина, |
Длина |
Ширина |
Длина |
Объем |
РК : ' |
Гил образца |
мм |
трещи |
или диа |
образ |
образца, |
||||
|
|
|
|
|
ны, мм |
метр, мм |
ца, мм |
см3 |
С М 2 |
Надрезанный круг |
|
|
|
|
|
||||
лый с трещиной |
|
6 3 ,5 |
2 5 4 |
1 0 1 6 |
5 1 8 0 0 |
95 |
|||
Плоский |
с |
централь |
|
|
|
|
|
||
ной трещиной |
6 3 ,5 |
12 7 |
2 5 4 |
1 0 1 6 |
1 6 4 0 0 |
4 8 ,4 |
|||
Плоский с |
двумя |
|
|
|
|
|
|||
боковыми |
трещинами 6 3 ,5 |
6 3 ,5 |
2 5 4 |
1 0 1 6 |
1 6 4 0 0 |
5 0 ,4 |
|||
Плоский |
с |
одной |
бо |
|
|
|
|
|
|
ковой трещиной |
для |
|
|
|
|
|
|||
растяжения |
6 3 ,5 |
6 3 ,5 |
12 7 |
508 |
4 1 2 5 |
1 0 ,3 |
|||
Плоский |
с |
одной |
бо |
|
|
|
|
|
|
ковой трещиной для |
|
|
|
|
|
||||
чистого |
изгиба |
6 3 ,5 |
6 3 ,5 |
127 |
1 0 6 6 |
8 4 5 0 |
2 ,1 3 |
||
Плоский |
с |
одной |
бо |
|
|
|
|
|
|
ковой трещиной для |
|
|
|
|
|
||||
сосредоточенного |
|
|
|
|
|
||||
изгиба |
|
|
6 3 ,5 |
6 3 ,5 |
12 7 |
53 4 |
4 3 2 0 |
3 ,2 2 |
|
Образец для внецен- |
|
|
|
|
|
||||
трсиного |
растяжения |
|
|
|
|
|
|||
1 |
типа |
|
|
6 3 ,5 |
3 1 ,7 5 |
8 9 |
63, |
3 7 0 |
2,3 8 |
Образец для внецен |
|
|
|
|
|
||||
тренного растяжения |
|
|
|
|
|
||||
11 |
типа |
|
|
6 3 ,5 |
6 3 ,5 |
1 5 8 ,5 |
15 4 |
1 5 5 0 |
3 ,7 4 |
смотреть возможность свободного вращения роликов относительно цен тров. Диаметры опорных роликов следует принять в пределах ( 1 /3 - 1)W.
При испытании опорные ролики должны быть равноудалены с точ ностью до 0 ,5 % S (здесь 5 - расстояние между осями роликов) от оси приложения изгибающей силы. Плоскость надреза необходимо
устанавливать с |
точностью до |
2 ° относительно |
осей роликов. |
Образец для |
внецентренного растяжения I |
типа испытывается с |
|
помощью захвата, конструкция |
которого приведена на рис. 48, и резь |
бовой тяги. Захват, соединяемый с образцом пальцем, следует изго тавливать из термообработанной стали типа 40ХН, а пальцы и резь бовые тяги - из термообработанной стали типа ЗОХГСА. Резьба на тяге в месте присоединения ее к образцу обрабатывается шлифованием для увеличения стойкости резьбы при циклическом нагружении в про цессе создания усталостной трещины.
Образец II типа для внецентренного растяжения испытывается при передаче усилий через два захвата и пальцы. Конструкция захватов приведена на рис. 4 9 .
Усталостная трещина должна наноситься на образец, полностью тер мически и механически обработанный. Конечная длина усталостной тре щины должна находиться в пределах (0 ,4 5 - 0 ,5 5 ) W.
Р и с. 4 6 . Конструкция элементов скобового’ датчика для измерения смещений в области трещины. Размер 6 ,3 мм должен быть
больше на 3 ,8 мм на чальной базы измере ния
1 - конусность по толщине от 0 ,5 до 0 ,8 мм
перемещений а - установка скобового датчика, сопротивление фольгового датчи
ка сопротивления около 5 00 |
ом; б - схема |
включения датчика смеше |
||
ния; |
в - схема |
установки непосредственно на образце; г - прямоуголь |
||
ные |
ножи; д - |
прямоугольный |
и заостренный |
нож |