Призматический образец для оценки механических свойств материала

 

Изобретение относится к испытательной технике. Целью изобретения является повышение точности оценки прочности материала , упрощение испытаний и снижение v- трудоемкости изготовления испытуемого об- . разца. В призматическом образце па его широкой грани выполняют центральную прорезь длиной а 0,84 + 2с1 перпендикулярно оси образца и двусторонние симметричные надрезы, имеющие форму ломаной линии, сообщающиеся с центральной прорезью и имеющие вертикальные участки длин ой b 20h, наклонные под углом Ф 19,5° к оси и образца, и перпендикулярные узким граням образца участка. Все звенья ломаной линии надрезов разделены друг от друга сквозными круглыми прорезями диаметром d (1,5-2) I, где h - толщина исследуемого образца в зоне надрезов; I-ширина надрезов исследуемого образца. 3 ил. деформации сдвига вдоль наклонных надрезов . Захваты многих испытательных машин не в состоянии в полной мере компенсировать относительное поперечное смещение головок образца с наклонными надрезами. Эта причина, а также отсутствие конкретных размеров известных образцов, особенно в их взаимосвязи с прочностными свойствами исследуемых материалов, делает надежность и точностью результатов испытаний этих образцов недостаточно высокой. Наиболее близким техническим решением , выбранным в качестве прототипа, является призматический образец для оценки прочности материала. Он имеет центральел С ч ю со Сл) го о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ сОЦЛАлистических

РеспуБлик (! 9) (I I ) ф)) тит (72) N 1 тол I. обр стия с.3жен точк тавропольский политехнический инсО.Г. Важен цев вторское свидетельство СССР

74820, кл. G 01 К 3/00, 1984. вторское свидетельство СССР

88539, кл. G О1 N 3/00, 1985. вторское свидетельство СССР

15126, кл. G 01 N 3/08, 1986. аженцев IO.Ã. и Богданов В.И. Расчет ины выточки растягиваемого плоского зца из ортотропного материала. ИзвеВУЗов. М.: Машиностраение, 1988, N 3, аженцев IO.Ã. и Богданов В.И. Напряо-деформированное состояние в вырастягиваемого плоского образца из тропного материала. — Известия BYM,: Машиностроение, 1988, М.»2, с.8 — 13, з обретение относится к испытательной технике, в частности к исследованию мех нических свойств материала. известны образцы, которые можно использовать для оценки механических свойств материалов при сложном напряженном состоянии. Существенным недо! стат!Ком указанных образцов является стро о фиксированный вид напряженного сост яния. Для расширения диапазона напрям(енных состояний необходимо испытывать несколько образцов с различными значениями геометрических параметров.

Кроме того, для одного образца в процессе испь(тания имеет место относительное поперечное смещение em головок вследствие

{57) Изобретение относится к испытательной технике. Целью изобретения является повышение точности оценки прочности материала, упрощение испытаний и снижение трудоемкости изготовления испытуемого образца, В призматическом образце lla его широкой грани выполняют центральную прорезьдлиной а 0,84+2d перпендикулярно оси образца и двусторонние симметричные надрезы, имеющие форму ломаной линии, сообщающиеся с центральной прорезью и имеющие вертикальные участки длиной Ь >

20h, наклонные под углом Ф = 19,5 к оси образца, и перпендикулярные узким граням образца участка. Все звенья ломаной линии надрезов разделены друг от друга сквозными круглыми прорезями диаметром d =(1,5-2) . I, где!i — толщина исследуемого образца в зоне надрезов; I — ширина надрезов исследуемого образца. 3 ил. деформации сдвига вдоль наклонных надрезов. Захваты MIIolllx испытательных машин не в состоянии в полной мере компенсировать относительное поперечное смещение головок образца с наклонными надрезами.

Эта причина, а также отсутствие конкретных размеров известных образцов, особенно в IIx взаимосвязи с прочностными свойствами исследуемых материалов, делает надежность и точностью результатов испытаний этих образцов недостаточно

Высокой.

Наиболее близким техническим решенисм, выбранным в качестве прототипа, является призматический образец для оценки прочности материала. Он имеет централь1793320 зоне надреза) и шарнирным опиранием на другом конце(у торца обреза). При растяжении образца материал переходит в пластическую стадию деформирования только в зоне надрезов, Вследствие сдвига вдоль наклонных надрезов вся балка как жесткое тело совершает поворот вокруг шарнирной опоры. Такой вид перемещения эквивалентен перемещению балки при пластической деформации в жесткой заделке при совместном действии нэ балку растягивающей нагрузки и изгибающего момента.

И наконец, точность оценки механических свойств исследуемого материала при использовании известного образца будет недостаточной вследствие того, что не указаны его основные размеры, особенно во взаимосвязи с прочностными свойствами материала.

55 ную прорезь, перпендикулярную оси образца, и симметрично расположенные на противоположных широких гранях образца плоские надрезы в виде ломаных линий, которые выходят из соответствующих концов . 5 центральной прорези и достигают боковых сторон образца. Надрезы состоят иэ прямолинейных участков, разделенных сквозными прорезями, которые выполнены на одной из захватных частей параллельно оси образца и располагаются между концами соответствующих прямолинейных участков ломаной линии надрезов и торцом указанной захватной части, 15

Недостатком известного образца является следующее. Во-первых, ввиду его достаточно сложной конструкции он имеет сравнительно большую трудоемкость в изготовлении, Во-вторых, процесс испытания 20 образца является также достаточно трудоемким. Действительно, необходимо проводить испытание на растяжение по отдельности каждой части образца между продольными прорезями, Для этого необхо- 25 димо предйринять специальные меры; чтобы приложение растягивающей нагрузки к каждой из этих частей было строго соосным.

Одновременное нагру>кение всех участков образца требует изготовления специально- 30

ro приспособления для захватной части с продольными прорезями. Кроме того, в этом случае в зойе наклонных участков плоских надрезов существенно искажается напряженно-деформированное состояние и 35 оно будет неоднородным по длине участков.

Это имеет место по следующей причине.

Часть образца между наклонным участком надреза, продольными прорезями и торцом образца схематически представляется как 40 балка с жесткой заделкой на одном конце (в

Цель изобретения — снижение трудоемкости изготовления, испытания образца и повышение точности оценки механических свойств материала.

Поставленная цель достигается тем. что каждая ломаная линия надрезов содержит по три участка, каждый иэ которых вполне определенно ориентирован по отношению к продольной оси образца, разделительные сквозные прорези между участками выполнейы в виде круглых отверстий, а размеры образца выбраны из условий, которые получены ниже.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения и прототипа показывает, что предлагаемый образец отличается тем, что сквозные разделительные прорези выполнены круглыми с диаметром d = (1,52) t, а параметры централ ь ной и рорези и участков надрезов выбираются из соотношений, приведенных ниже.

Сравнение заявляемого образца не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области йе позволило выявить в них признаки, являющиеся для заявляемого образца отличительными.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение заявляемого образца; нэ фиг, 2 — сечение А — А на фиг. 1; нэ фиг. 3 — диаграмма пластичности листовой стали 12 х 13.

Образец содержит захватные части 1 и

2, центральную прорезь 3 и плоские надрезы 6, 7 и 8, 9, выполненные в виде ломаных листов на противоположных широких гранях 4 и 5 образца. Между участками ломаной линии надрезов выполнены сквозные круглые отверстия 10 — 13. Первый участок, считая от бокового края образца, перпендикулярен к его продольной оси (Ф=

= 90 ), второй участок наклонен к оси под углом Ф= 19,5О, а третий участок параллелен продольной оси образца (Ф= 0 ).

Ввиду геометрической и силовой симметрии образца относительно его продольной оси в любой точке зоны плоских надрезов справедливо равенство

"" у" - erg /Ф /, (1)

Ех)

Гдв ух1у, F1 — СООтВЕтСтВЕННО дЕфсрМации сдвига и удлинзния в сечении вдоль участка надрезов, наклоненного к продольной оси образца под углом /Ф/.

Для иэотропного материала условие подобия девиаторов напряжений и деформаций имеет вид

Ех1 6э ) х1 у1 (2)

% 1 — то 2 тх1у1

1793320 где fo, a, — соответственно шаровые сос авляющие тензоров деформаций и напряений; стх1, гх у1 — соответственно нормальн е и касательное напряжение в сечении в оль наклонного участка надрезов.

В виду пластической несжимаемости м териэла е = 0 . а о0 = (ax t + ay) + az)/3.

В нашем случае oz = О, а вследствие того, что

ejt = О (имеет место плоская деформация и е 1 = — Fz), нормальное напряжение в на-! и авлении наклонного участка ayt =ax1/2.

Т гда

aо

axt +ayt %1

3 2 (3)

П сле подстановки найденных величин в (2)

r. лучаем, что

<,"х1 yt /%<1 = 0,25 ctg/ / (4)

При условии, что материал образца в з не плоских надрезов изотропен и в заплеч ках, примыкающих к зоне надрезов, наг ужен только упруго, толщина образца в з не надреза на каждом участке может быть н йдена по формуле

<Н <тг гав, (5) h - 0,7 Н <.гг/ а> (6)

I Целесообразно толщину образца в зоне пл ских надрезов на всех прямолинейных уч стках выполнять постоянной и равной ве ичине, определяемой равенством (6).

П и этом в заплечиках плоских надрезов на участках, перпендикулярных продольной осй образца (Ф= 90 ), интенсивность напр жений (ти близка к пределу текучести <тг ма ериала, а на других участках сги < ог.

Для обеспечения условий однородност напряженно- деформированного состояния в зоне плоских надрезов в соответствии с и инципом Сен — Венана ширина надрезов

1. лина прямолинейных участков b и диаме р разделительных круглых отверстий d до жны удовлетворять условиям

1- (3...5)И, (7)

b 20h, (8) . и лученной в соответствии с известной метоцикой, где Н вЂ” толщина образца вне зоны надрезов (ф <г. 2); сгг, сЪ вЂ” соответственно пределы текуче ст и прочности материала образца.

Исследование функции (5) показало, что м нимальное значение величины h имеет м сто при Ф= 90 и соответственно равно

d > (1,5...2)l. (9)

Напряжения на каждом участке плоских надрезов по соответствующим формулам известной работы, если в них, учитывая

5 соотношение (4), вместо ctg подставить

0,25 ctg Ф

4 пи sin/Ô/

ayt — — (4t/2, icos Ф ПOI

15 где a — интенсивность напряжения.

Остальные компоненты тензора напряжений равны нулю.

Длину центрального надреза а найдем из условия прочности перемычки между отверстиями 10. и 11.

Р

H(a — 2d)

25 где растягивающее усилие P определяется по формуле

P = 2T x) yt bh, (12)

После подставноки в (12) выражения sixty)

30 из (10) при Ф = О получаем Р = 2 a„bp/ .Г

Примем, что наибольшее значение силы P имеет место при ои «а>. Тогда с учетом найденной величины силы P и выражения (6) иэ формулы (11) получаем

35 а 0,84Ь + 2d. (13)

Диаграмма пластичности исследуемого материала (фиг. 3) представляет собой экспериментальную зависимость накопленной к моменту разрушения интенсивности де- формации Е от пакаэателя жесткости напряженного состоя ния К = 3 o<. .С учетом (3) и (10) получаем, что в зоне любого наклонного участка плоских надрезов

45 (14)

Для листовых металлических материалов, подвергаемым операциям листовой

5р штамповки, наиболее важным является уча, сток диаграммы пластичности при К О.

Для аналитической аппроксимации диаграммы пластичности любой кривой второго порядка достаточно иметь три точки. Жела55 тельно, чтобы средняя точка была примерно посредине между крайними. Две крайние точки соответствуют К = О (Ф= G ) и К =- 1,73 (Ф- 900). При условии, чтобы третья гочка соответствовала одноосному растяжению (К = 1), средний участок ломаного Hà i,реээ

1793320

Еи — — х i ч3

Ф . (15) Ух у!

7з или (16) должен быть наклонен к продольной оси образца, как это следует иэ формулы (14), под углом Ф= 19,5 . Как уже указано выше, в зоне наклонного участка надрезов у„1y< =

= Ex) сщ !Ф/, Ez= -81, а остальные компоненты тензора деформаций равны нулю. В этом случае интенсивность деформаций в зоне наклонного участка надрезов определяется по формулам

Для предлагаемого образца на поперечном участке (Ф = 90О) интенсивность деформаций целесообразно определять по формуле (15), а на наклонном (Ф= 19,5О) и продольном (Ф = 0 ) участках — по формуле (16). Напомним, что здесь ь1 — деформация удлинения в направлении ширины надреза, а х1у1 — относительный сдвиг вдоль надреза.

При проведении испытания на растяжение предлагаемого образца одновременно нагружаются зоны надрезов всех трех пар симметричных участков. Разрушение материала происходит последовательно сначала на крайних поперечных участках, затем на наклонных, а потом уже на продольных участках.

Формула изобретения

Призматический образец для оценки механических свойств материала, имеющий центральную прорезь длиной а, выполненную на широкой грани образца! перпендикулярно его оси, и двусторонние симметричные надрезы, имеющие форму ломаной линии, сообщающиеся с центральной прорезью, и имеющие вертикальные участки длиной b, наклонные под углом Ф к оси образца и перпендикулярные узким граням образца участки, а все звенья ломаной линии надрезов разделены друг от друга сквозными прорезями, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что. с целью повышения точности оценки прочности материала, упрощения испытаний и снижения трудоемкости изготовления образца, сквозные разделительТаким образом, по сравнению с образцом, заявляемый образец имеет меньшую трудоемкость изготовления (круглые отверстия вместо разделительных сквозных

5 .продольных разрезов до торца образца), проведения испытаний и высокую точность оценки механических свойств материала за счет конкретизации размеров образца.

Предлагаемая конструкция образца опробирована на примере листовой стали 1 2 х

13 толщиной Н = 5 мм в состоянии поставки.

Материал имеет характеристики: сг =

15 =450МПа,o =650МПа. Поформулам(6)-(9), (13) получены следующие значения размеров образца h = 2,42 мм (принимая h = 2 мм), ! = 10 мм, b =40 мм, d = 15 мм, а = 63 3 мм (принимаем а = 65 мм). На всех участках

20 надрезов была нанесена делительная сетка с квадратной ячейкой 1 х 1 мм. После испытания образца на инструментальном микроскопе были эамерены параметры искаженной делительной сетки и вычислены

25 по формулам (15) и (16) значения предельной интенсивности деформаций для каждого участка надрезов. Усредненные значения @ для каждой пары симметрично расположенных участков следующие: К = 1,73 (Ф = 90 ), 30 еи = 0.60; К = 1 (Ф= 19,5 ), еи = 0,81: К =

= 0 (Ф= О), я = 1,39. Диаграмма пластичности листовой стали 12 х 13 представлена на фиг. 3, ные прорези выполнены круглыми с диаметром d = (1,5-2)l, а параметры центральной

40 прорези и звеньев надрезов выбираются из следующих условий: а 0,84b+2d;

Ь >20h; Ф= 19 5;

h = 0,7Н уг/(ув, 45 =(3 — 5)h, где h — толщина исследуемого образца в зоне надрезов;

Н вЂ” толщина исследуемого образца вне зоны надрезов;

50 — ширина надрезов исследуемого образца; (тг- предел текучести материала образца;

0 - предел прочности материала образ55 ца.

l0

1 !

Составитель tO,Важенцев

Редактор IVI.CTpåëbíèêoBà Техред М.Моргентал Корректор 3.Салко

3 каз 499 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035 Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101