РОЗДІЛ 2
ПРОГРАМА, ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ОБЛАДНАННЯ ТА МЕТОДИКА ВИПРОБУВАНЬ НА МАЛОЦИКЛОВУ
ВТОМУ МЕТАЛЕВИХ СПЛАВІВ ПРИ БАГАТОВІСНОМУ РЕГУЛЯРНОМУ ТА БЛОЧНОМУ
НАВАНТАЖУВАННІ
Для реалізації завдань дослідження були проведені випробувань на малоциклову
втому за простими і складними траєкторіями деформування. Програма випробувань,
експериментальне обладнання та методика досліджень представлені у даному
розділі.
2.1. Програма випробувань.
Програма експериментальних досліджень передбачала реалізацію наступних базових
траєкторій деформування у просторі типу Мізеса (рис. 2.1): розтягання-стискання
(траєкторія " a ", ), знакозмінне кручення (траєкторія " t ", ), колова
траєкторія – непропорційне навантажування з кутом зсуву фаз (траєкторія
" o ").
Рис. 2.1. Типи базових траєкторій деформування
Вибір кругової траєкторії в якості граничної зумовлений тим експериментальним
фактом, що саме для цієї траєкторії, яка реалізована в просторі повних або
пластичних деформацій типу Мізеса, спостерігається максимальне додаткове
зміцнення.
Рис. 2.2. Програми випробувань титанових сплавів ВТ9 та ВТ1-0
Загальна програма випробувань включала:
1) випробування на статичне розтягання та кручення зразків (з метою визначення
стандартних фізико-механічних характеристик матеріалів);
2) випробування на малоциклову втому при регулярному навантажуванні (з метою
визначення втомних характеристик матеріалів):
– одновісне розтягання-стискання (рис. 2.1, траєкторія " a ");
– знакозмінне кручення (рис. 2.1, траєкторія " t ");
– непропорційне деформування (рис. 2.1, траєкторія " o ");
3) випробування на малоциклову втому при блочному навантажуванні:
– випробування при блочному навантажуванні зі зміною величини амплітуди
еквівалентної деформації типу Мізеса при незмінній формі траєкторії
деформування (рис. 2.1, траєкторії " a ", " t "; рис. 2.2, програми A.1, A.2,
A.3, A.4);
– випробування при блочному навантажуванні зі зміною типу траєкторії
деформування при незмінній амплітуді еквівалентної деформації за Мізесом (рис.
2.2, програми B.1, B.2, B.3, B.4, B.5, B.6);
– випробування при блочному навантажуванні зі зміною величини амплітуди
еквівалентної деформації за Мізесом та типу траєкторії деформування (рис. 2.2,
програми C.1, C.2, C.3, C.4).
2.2. Експериментальне обладнання.
У практиці механічних випробувань використовується велика кількість методів
реалізації складного напруженого стану і засобів випробувань.
Найбільшого розповсюдження набула методика випробувань тонкостінних трубчатих
зразків, які піддаються дії комбінованих навантажень (осьової сили, моменту
кручення, внутрішнього та зовнішнього тиску). Поширення даної методики
пояснюється тим, що на трубчатих зразках забезпечується широкий діапазон
напружених станів і реалізуються усі можливі комбінації компонент девіатора
напружень.
Експериментальні дослідження виконувалися на випробувальному комплексі "УСНС-3"
(рис. 2.3), який було створено на кафедрі динаміки і міцності машин та опору
матеріалів Національного технічного університету України "Київський
політехнічний інститут" [30, 33]. Комплекс дозволяє здійснювати статичне і
циклічне навантажування тонкостінних трубчастих та суцільних зразків осьовою
силою N і крутним моментом Мкр за довільними плоскими траєкторіями з контролем
за деформаціями (жорсткий режим). Основні характеристики комплексу наведені в
табл. 2.1.
Таблиця 2.1.
Основні технічні характеристики комплексу
№ п/п
Характеристика
Величина
1.
Максимальне навантаження на зразку:
осьове зусилля, кН
момент кручення, Нм
2.
Похибки вимірювання навантаження:
осьового зусилля, %
моменту кручення, %
3.
Межі вимірювання деформацій на базі 20 мм
осьової, мм
0…1
кутової, рад
0…1,57
4.
Похибки вимірювання деформацій:
лінійних, %
кутових, %
5.
Мінімальна тривалість циклу, сек.
40
6.
Максимальний хід активного захвату, мм
300
7.
Габаритні розміри, мм
8.
Загальна вага, кг
1000
У випробуваннях використовувався електромеханічний тензометр, призначений для
вимірювання поздовжніх і кутових деформацій тонкостінного трубчастого зразка
(рис. 2.3). Тензометр складається із пристрою для вимірювання осьових
переміщень, який встановлюється безпосередньо на зразку, і пристрою для
вимірювання величини кутового переміщення (див. рис. 2.3, б), винесеного з
робочої зони випробувальної машини і з'єднаного з першим пристроєм за допомогою
тросиків.
а)
б)
Рис. 2.3. Деформометр: а) – пристрій для вимірювання осьових переміщень; б) –
пристрій для вимірювання кутових переміщень.
2.3. Методика проведення випробувань
Випробування на малоциклову втому при регулярному та блочному навантажуванні
проводилися в жорсткому режимі навантажування з контролем за деформаціями. При
цьому осьова деформація та деформація зсуву змінювались за синусоїдальним
законом, як показано на рис. 2.4. У просторі повних деформацій складові осьової
деформації і деформації зсуву задавалися так:
, , (2.1)
де , – амплітуда осьової деформації та деформації зсуву відповідно, – колова
частота, – кут зсуву фаз.
Рис. 2.4. Траєкторії зміни осьової деформації та деформації зсуву
Вибір жорсткого режиму випробувань обумовлений наступними міркуваннями.
Незважаючи на те, що більшість елементів конструкцій та деталей машин в техніці
працюють за умов м’якого навантажування, для розрахунків елементів конструкцій
на малоциклову втому широко використовують критерії, де основними параметрами
малоциклового руйнування є деформації. Це пов’язано з тим, що в зонах
концентрації напружень виникають умови жорсткого навантажування навіть то