Udarno-ustalostnaja i staticheskaja treshhinostojjkost

157 MOTROL. Commission of Motorization and Energetics in Agriculture – 2015. Vol.17. No.9. 157-164 УДАРНО-УСТАЛОСТНАЯ И СТАТИЧЕСКАЯ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ КОНСТРУЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПОЛОСЫ ПЛАСТИЧНОСТИ У ВЕРШИНЫ ИСХОДНОЙ ТРЕЩИНЫ Николай Когут Львовский национальный аграрный университет ул. В. Великого, 1, Дубляни, Украина. Nikolay Kohut Lviv National Agrarian University V. Velykogo Str. 1, t. Dubljany, Ukraine. Аннотация. Описаны инженерные методики определения ударно-усталостной прочности Nцикл, ударно-усталостной K 1fc и статической K 1c трещиностойкости термически упрочненных пружинных сталей 60С2А, 65Г и конструкционной легированной стали 30ХГСА, а также серого СЧ20 и высокопрочного ВЧ50-2 чугунов на образцах, защемленных вблизи бокового концентратора балочных образцов и деформируемых ударно-усталостным консольным изгибом на специальной восьмиместной установке. Установлено, что максимальные значения усталостной прочности Nцикл, ударно-усталостной K 1fc и статической K 1c трещиностойкости из исследуемых материалов имеют сталь 30ХГСА, затем – 65Г и 60С2А, далее высокопрочный чугун ВЧ50-2 и СЧ20. Их значения качественно подтверждены деформационными пластическими полосами (изоклинами) на продолжении исходной трещины в материале балки, установленными на шлифах с помощью инструментального микроскопа, которые характеризируют полученные большие значения трещиностойкости K 1c по сравнению с K 1fc соответственно. Ключевые слова: балка, усталостная прочность, ударно-усталостная и статическая трещиностойкость, напряжения изгиба, пластические полосы, боковая трещина. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ. Для определения фундаментальных характеристик трещиностойкости металлических материалов в условиях плоской деформации К1с или плосконапряженного состояния Кс служат экспериментальные исследование [1-3], реализуемые на различных типах образцов с исходными трещинами - плоских, балочных, цилиндрических, призматических, дисковых и других [4-7]. Предельное значение коэффициента интенсивности напряжений (КИН) у вершины трещины для заданной схемы деформирования образца определяют с учетом его геометрии (размеров и трещины), а также структурного состояния материала (режимов термообработки, способа получения) та физико-механических свойств (прочности, пластичности). При этом нужно учитывать вид и способ нагружения испытываемого образца. АНАЛИЗ ПОСЛЕДНИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПУБЛИКАЦИЙ Трещиностойкость материалов средней и низкой прочности, например - сталей, определяется деформационным критерием [8-13]: δс – критическим раскрытием трещины, основанным на концепции модели Леонова-Панасюка-Андрейкива и J-интегралом или R-кривыми [14-18]. Использование этих критериев целесообразно в определенной мере для материалов со значительными пластическими деформациями на продолжении фронта исходной трещины. Вместе с тем, сама концепция контурного энергетического интеграла, сформулированная независимо Черепановым [19, 20] и Райсом [21, 22], нуждается в некоторых доработках [23-25], хотя основные положения и методика проведения исследований методом J-интеграла нашли свое применение в международных стандартах [26-30]. Необходимо отметить, что главной проблемой при реализации таких исследований, является отсутствие единой методики измерения фактического раскрытия трещины δс. До сих пор не установлено на каком расстоянии от вершины микротрещины (сотые, тысячные миллиметра или диаметр зерна структуры материала), можно корректно определить раскрытие трещины. Так, в работах [31, 32] было показано, что для узких прослоек призматических образцов с трещиной параметр δс можно подсчитать по формуле: δс =δпл  δупр, (1) где: δпл – пластическая и δупр – упругая составляющие деформаций при разрушении материала. В то же время, собственно, методика измерения δс сложна в реализации, требует жестких испытательных (разрывных) машин, сложную контрольноизмерительную технику (датчики, устройства и аппаратуру), а также весьма трудоемка технология изготовления опытного образца с исходной трещиной без образования механического наклепа впереди ее фронта. До настоящего времени не выделен эффективный тип испытуемого лабораторного образца и схема его деформирования для достоверного установления истинных значений КИН, например: КI – нормальный отрыв, КII – двиг, КIII – кручение или Николай Когут 158 параметра δс для заданного материала, а не для исследуемого образца [33, 34]. В данной статье приведены новые методики определения характеристик трещиностойкости К1с, К1fс в условиях квазихрупкого разрушения и параметров пластически-деформированной области, связанных с раскрытием трещины δс для некоторых конструкционных материалов. x0=0,035m. (5) Если принять расчетное В=20мм и оптимальный относительный размер боковой трещины λ=m/h=0,7, то можно определить длину пластической области l* и толщину B балочного образца, исходя из соотношения: l*=x0·λ·b·tg72º=0.35·0.7·b·tg72°. (6) ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Цель работы  исследовать конструкционные термически упрочненные стали 60С2А, 65Г, 30ХГСА, а также серый СЧ20 и высокопрочный ВЧ50-2 чугуны на балочных образцах, защемленных вблизи бокового концентратора и деформированных ударно-усталостным консольным изгибом на специальной установке; определить ударно-усталостную прочность Nцикл, ударно-усталостную трещиностойкость К1fc, и статическую трещиностойкость К1с, а также выявить пластически-деформированную область (полосы скольжения), формирующуюся впереди раскрытой трещины на боковой поверхности балочного образца. ИЗЛОЖЕНИЕ ОСНОВНОГО МАТЕРИАЛА Для корректного определения характеристики трещиностойкости (К1с) в случае изгиба балочного образца с боковой трещиной, толщина образца должна удовлетворять условию [35]: b ≥ 2,5(К1с /ζ0,2)2, (2) где: σ0,2 – предел текучести материала при условии 2%-ной деформации. Поскольку у вершины исходной трещины (рис. 1) всегда присутствуют пластические деформации, которые возникают во время деформирования консольным изгибом балочного образца в виде двух полос (изоклин), направленных под углом примерно α=72º к плоскости трещины, то приблизительно длину пластической области можно вычислить по формуле [36]: l*=0,184(К1с/ζ0,2)2. (3) С учетом размеров балочного образца длину исходной трещины можно найти из равенства: l=h–m, (4) где: m – высота балки в плоскости боковой трещины; h – высота балки. Тогда толщина изоклины: Рис. 1. Схема ударно-усталостного деформирования консольным изгибом балки, защемленной вблизи бокового концентратора, и параметры пластически-деформируемой области в вершине исходной трещины Fig. 1. Driving shock fatigue deformation scheme of cantilever bending beam clamped near the hub side and the parameters of the plastically deformable region at the top of the initial crack Если для ля полученного В = 21мм выполняются условия автомодельности зоны предразрушения [37], то тогда характеристика Кс = К1с, следовательно толщина балки В – достаточная для испытуемого образца. В случае неудовлетворения условий автомодельности толщину балочного образца нужно увеличить. В качестве исслед (...truncated)