Исследование трещиностойкости сплава ОТ4-1

Методика проведения исследований

Важность изучения процессов распространения трещин в конструкционных материалах обусловлена также тем, что подобные случаи разрушения конструкций свидетельствуют о недостаточности оценки прочности материалов, из которых они изготовлены, на основе стандартных механических характеристик (σ_В, σ_Т, δ, ψ, КСV и др.).

Более полную информацию о механическом поведении конструкции в условиях хрупкого разрушения (при номинальных напряжениях ниже предела текучести материала) дает использование при анализе подобных разрушений критериев оценки трещиностойкости материала К_С или К_1С (вязкость разрушения); критического раскрытия трещины в ее тупиковой части δс; плотности энергии разрушения γ, работы распространения трещины при ударном нагружении и др.

Сущность применяемого метода способа сводится к тому, что образец (рис. 2.3) устанавливается в центрах токарного станка (рис. 1.1, а) и с помощью специального нагружающего устройства (рис. 1.2, б), закрепленного в держателе токарного станка, в месте кольцевого надреза подвергается круговому изгибу с последующим циклическим деформированием.

В результате на дне кольцевого надреза в нагруженном образце зарождается усталостная кольцевая трещина строгой концентричности. Глубина трещины зависит от времени вращения образца или от количества циклов его деформирования.

Режим нагружения образца, т.е. радиальную нагрузку при изгибе, следует выбирать в диапазоне от предела усталости до предела текучести данного материала. Иными словами, нагрузка деформирования должна соответствовать упругой стадии нагружения исходя из прочностных свойств исследуемого материала (К_f = 0,67 K_1C, где К_f – коэффициент интенсивности напряжений при усталостном деформировании образца; K_1C – характеристика трещиностойкости материала).

Рисунок 1.1. Цилиндрический образец с кольцевой трещиной для осевого растяжения

Рисунок 1.2. Схема образования кольцевых трещин в цилиндрических образцах (а) и конструкция нагружающего устройства (б): 1 – поводковый центр; 2 – образец; 3 – вращающийся центр; 4 – шарикоподшипники; 5 – вилка наружная; 6 – резцедержатель станка; 7 – ось; 8 – болт

Статическая трещиностойкость материала при испытании образца оценивается критическим коэффициентом интенсивности напряжений в вершине трещины K_1C, называемым по Дж. Ирвину вязкостью разрушения, который можно определить из соотношения.

                                                                                                       (1.1)

                                                                                                   (1.2)

где F* – разрушающая нагрузка для образца с трещиной;

Y – поправочная функция, зависящая от значения относительного размера трещины;

  , (d – диаметр образца в плоскости кольцевой трещины; D – наружный диаметр цилиндрического образца).

На основе соотношений (1.1) и (1.2), а также значения разрушающей нагрузки F=F* для каждого образца, устанавливаемой в результате его испытания, после определения диаметров d и D рассчитывалась характеристика К_1C материала оковок

Материалы и оборудование

Для исследования трещиностойкости образцов из титанового сплава ОТ4-1 использовался токарно-винторезный станок 16К20 (рис. 1.3).

Характеристика сплава ОТ4-1

Рисунок 1.3. Токарно-винторезный станок 16К20

Результаты испытаний

На рисунке 1.4 представлены результаты исследования трещиностойкости образцов. Как показывает график трещиностойкости  титанового сплава ОТ4-1, находится в прямой зависимости от количества циклов нагружения.

Рисунок 1.4. График зависимости  сплава ОТ4-1 от количества циклов нагрузки