Механические свойства требуемые в работе вал-шестрени

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНЕЦКИЙ  НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

 

 

 

 

Домашнее  индивидуальное задание

по  предмету:

«Механические свойства и конструкционная

прочность материалов»

Вариант № 16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:                                                                                                ст. гр. ПС-09

Жук А.Н.

Проверил:                                                                                           Крымов В. Н.

 

 

 

 

 

Донецк - 2011

 

Задание

 

Труба большого диаметра для магистрального трубопровода, предназначенного для  работы в условиях севера. Основное требование – высокая вязкость разрушения. Назначить методы испытания(возможно технологического).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Наиболее важными для обеспечения работоспособности изделия

являются  следующие механические свойства материала:

- высокая вязкость разрушения(трещиностойкость).

2. Вязкость разрушения определяют по следующему методу металлических испытаний на определение трещиностойкости при статических напряжениях в соответствии с ГОСТом  25.506-85.

3.  Настоящий стандарт устанавливает методы механических испытаний для определения характеристик трещиностойкости металлов при статическом кратковременном нагружении на образцах толщиной не менее 1 мм при температуре от минус 269 до плюс 600 °С.

Под трещиностойкостью понимают способность твёрдых тел воспринимать действующие на них нагрузки без образования трещин.

 

3.1 Общие положения

1.2. Для определения характеристик  трещиностойкости испытывают с записью диаграмм «нагрузка-смещение» («Р-n») или «нагрузка-прогиб» («Р-f») образцы с предварительно нанесенной усталостной трещиной.

1.3. По результатам испытаний  определяют следующие основные характерис-тики трещиностойкости:

силовые - критические коэффициенты интенсивности напряжений К (или KI): KIC, K*C, KQT, KC;

деформационная - раскрытие в вершине трещины dC;

энергетические - критические значения J-интеграла JC или JIC.

Трещиностойкость металлов оценивают по одной или нескольким силовым, деформационным и энергетическим величинам KIC, K*C, KC, KQT, dC, JC (JIC).

При выполнении условий корректности определения характеристик трещиностойкости основной является величина KIC.

В случае невыполнения условий корректности величин KIC, KC, KQT трещиностойкость металлов оценивают по величинам K*C, dC, JC (JIC).

 

Примечания:

Для определения  трещиностойкости металлов в широком диапазоне длин трещин допускается использовать предел трещиностойкости IC.

 

3.2 Подготовка образцов к измерениям

 

Для определения  характеристик трещиностойкости применяют следующие образцы: тип 1 - плоский прямоугольный с центральной трещиной для испытаний на осевое растяжение; тип 2 - цилиндрический с кольцевой трещиной для испытаний на осевое растяжение (Рис. 1); тип 3 – прямоугольный компактный образец с краевой трещиной для испытаний на

внецентренное растяжение; тип 4 – плоский прямоугольный образец с краевой трещиной для испытаний на трехточечный изгиб.

 

Рисунок 3.2.1 – Общий вид образца

L - расстояние между частями  образца, служащими для крепления в захватах;

L = 5D; d = (0,6 - 0,7)D; L1 ³ 7D

l0 = 0,5(D - d) ³ h + l,5 мм и l0 ³ 3,7h tga

DK = D - 2h(0,65 - 0,85)D,

где диаметр D не менее 12 мм.

В нашем случае используется именно такой тип образца.

В образце форму и размеры частей, служащих для крепления и нагружения, определяют после выбора конструкции захватов. Размер h назначают в зависимости от способа изготовления надреза и крепления образца так, чтобы он не разрушился в захватах.

 

 

Примечания:

1. Для образца шероховатость боковой поверхности вблизи вершины надреза и исходной усталостной трещины должна соответствовать 8-му классу.
2. Инициирующий надрез для образца  изготовляют на токарном станке с

последующей шлифовкой.

3. Для уменьшения нагрузки и времени, необходимых для зарождения трещин, можно применять лазерную, электронно-лучевую и другие обработки вершины надреза при условии, что область нарушенного состояния исходного материала у вершины надреза будет меньше длины создаваемой исходной усталостной трещины.
4. При вырезке и изготовлении образцов необходимо обеспечить минимальные наклеп, остаточные напряжения, а также изменения структуры и фазового состава в зоне разрушения образца. Окончательную механическую обработку образцов и нанесение исходной усталостной трещины проводят после термической обработки образцов.
5. При нанесении усталостной трещины на образцах, предназначенных для испытаний с целью определения KIC, KC, K*C и KQT, максимальный коэффициент интенсивности напряжений цикла KMAX, рассчитанный для надреза как для трещины длиной h, не должен превышать 0,75 KIC, где KIC - предполагаемое значение KIC, а на конечном участке трещины длиной не менее 1,5 мм – не превосходить 0,6 KIC. Если трещину наносят при температуре T(1), а испытывают образец при температуре T(2), то KMAX не должен превышать 0,6 KIC×s(1)0,2/s(2)0,2, где величины с индексом (1) относятся к температуре T(1), а с индексом (2) к T(2).  

3.3 Испытательное оборудование

 

Для определения  характеристик трещиностойкости используют машины с механическим, гидравлическим или электрогидравлическим приводом, метрологические параметры которых соответствуют ГОСТ 7855-84.

Необходимое максимальное усилие испытательной  машины

рассчитывают  по формуле:

Для образцов нашего типа  -   PMAX ³ 0,4d2(s0,2 + sB)

 

Для измерения  смещений v или прогибов f применяют двухконсольные датчики тензорезисторного типа. Захватные части датчиков, способы их установки на образцах и размеры элементов датчиков в зоне их крепления приведены на Рис. 3.3.1. Расчет остальных размеров датчиков и схема соединения тензорезисторов для обеспечения термокомпенсации приведены в рекомендуемом приложении 1.

1 - образец; 2 - накладные опорные призмы; 3 - датчик смещения; 4 - плоскость надреза; 5 - призматические выступы

Рис 3.3.1 – Захватные датчики и способ их установки

 

Разность  показаний прямого и обратного  хода и нелинейность в диапазоне рабочего хода датчика и погрешность измерения датчика не должны превышать 2 % от рабочего диапазона датчика. Тарировку датчика проводят с погрешностью не более ± 0,01 мм.

Установку датчиков смещения на образцах проводят с помощью  накладных опорных призм (рис. 2а).

Оси отверстий  для установки накладных опорных  призм или призматические выступы должны располагаться на одинаковом расстоянии от плоскости надреза, с погрешностью не более ± 0,2 мм.

Расстояние между осями  отверстий Z (рис.2) для крепления накладных опорных призм должно быть для образцов типа 2 - не более (D - d). На образцах типа 2 допускается изготовление лысок глубиной не более 0,15 (D - d).

Датчики смещений v или прогибов f, а также устройства для записи диаграмм «Р-n» и «Р-f» должны обеспечивать:

тангенс угла наклона линейного  участка диаграмм «Р-n» и «Р-f» к оси v или f в пределах 1-3;

масштаб диаграммы по оси v и f не менее 25:1.

Примечание. При испытаниях по определению KIC масштаб по оси v увеличивают не менее, чем в два раза по сравнению с приведенными выше.

Температуру образца измеряют термоэлектрическими датчиками (термопарами), приваренными к образцу вблизи вершины исходной усталостной трещины.

Примечание. Допускаются  иные способы крепления термопар, при условии обеспечения надежного контакта спая термопары с поверхностью образца. Температуру образца измеряют приборами класса точности не ниже 0,5.

Приспособления  для крепления и нагружения образцов  должны обеспечивать реализацию заданной схемы нагружения, в частности, точную центровку образца и исключить его разрушение в захватах.

При испытании  образцов типа 4 номинальные диаметры опорных

роликов и центрального нагружающего ножа должны быть равными b/3.

 

3.4 Подготовка и проведение  испытаний

 

 

Испытательные машины должны быть аттестованы в соответствии с ГОСТ 24555-81, при этом должны быть выполнены требования.

Размеры образцов l0, b, D и t, а также толщина накладных опорных призм z перед испытаниями измеряют с погрешностью невыше 0,1 мм.

Скорости  нагружения образцов устанавливают по скорости перемещения подвижного захвата в пределах от 0,02 до 0,2 мм/с. При испытаниях на определение KIC, KC, KQT и K*C скорость нагружения должна соответствовать скорости роста коэффициента интенсивности напряжений в пределах (0,5-1,5) МПа×м1/2/c на линейном участке диаграмм «Р-n» или «Р-f».

Примечание. При наличии  в НТД на металлопродукцию особых указаний допускается проведение испытаний при других скоростях нагружения. В этих случаях скорость нагружения должна быть указана в протоколе испытаний.

4.4. При проведении испытаний при температурах, отличающихся от комнатной, должны соблюдаться требования к испытаниям, установленным ГОСТ 22706-77, ГОСТ 11150-84, ГОСТ 9651-84. В процессе испытания контролируют температуру образца. Погрешность соблюдения заданной температуры образца в сечении с трещиной не должна превышать ±2 при температурах от минус 269 до 20 °С и ±5 °С при температурах от 20 до 600 °С.

Примечание. Температурный  диапазон испытаний на трещиностойкость не должен включать температуры, при которых происходят структурные превращения и возникают деформации ползучести.

При определении  характеристик KIC, KC, KQT и K*C

испытания образцов и типов 1-4 проводят до разрушения с регистрацией диаграмм «Р-n». Характерные типы диаграмм «Р-n» (или «Р-f») приведены на

рис 3.4.1.

Диаграмма I типа характеризуется расположением  вершины (точка С) левее прямой ОВ, наклоненной к оси v (или f) под углом  a5, тангенс которого на 5 % меньше тангенса угла a наклона касательной ОА к начальному линейному участку диаграммы. Разрушение образца происходит в точке С диаграммы.

Диаграмма II типа характеризуется наличием локального

максимума нагрузки (точка D), находящегося левее прямой ОВ. Разрушение образца происходит в точке С диаграммы, расположенной левее прямой OG, наклоненной к оси v (или f) под углом a30, тангенс которого на 30% меньше, чем тангенс угла наклона касательной ОА (угла a).

Диаграмма III типа характеризуется наличием максимума нагрузки (точка С), соответствующей разрушению образца, лежащей левее прямой OG.        

                          

 

 

 

Рис 3.4.1 – Характерные типы диаграмм.

 

 

Диаграмма IV типа представляет собой кривую с максимальной нагрузкой в точке С. Разрушение образца происходит в точке F диаграммы, расположенной правее точки С.

Примечание. Прямую ОВ удобно строить следующим образом: из точки А опускают перпендикуляр АЕ на ось v (или f) и откладывают отрезок АВ=0,05 АЕ. Через точку О и В проводят прямую ОВ. Построение прямой OG проводят таким же образом, но величина AG должна быть равна 0,3 АЕ.

После разрушения образцов вычисляют, с округлением до 0,1 мм, длину исходной усталостной трещины l для плоских образцов типов 1, 3 и 4 или для образцов типа 2 диаметра образца d.

4.5.1.1. Длину l в плоских образцах типов 1, 3 и 4 вычисляют с округлением 0,1 мм как среднее арифметическое измерение (с погрешностью не более 0,1 мм) не менее чем в 3 точках на контуре усталостной трещины, расположенных через равные промежутки по толщине образца, исключая боковые поверхности (Рис 3.4.2).

 

Схемы изломов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а - плоских образцов типов 1, 3 и 4; б - цилиндрического образца типа 2; 1 - граница надреза; 2 - контур усталостной трещины; 3 - статический долом

 

                Рис 3.4.2 – Схемы изломов

 

Если какие-либо два из указанных результатов  измерений отличаются более, чем на 10 %, образец отбраковывают.

Если в  образце типа 1 значение средней  длины усталостной трещины справа и слева от центра образца отличается более чем на 10 %, образец отбраковывается.

В образце  типа 2 измеряют расстояние s между центрами поперечного сечения и статического долома образца, а также диаметры контура усталостной трещины в двух взаимно перпендикулярных направлениях d1, d2 и вычисляют их среднее значение d (Рис. 3.4.2б). Если величина 2s/d и (или) значение

превышает 0,08, образец отбраковывают.

Значения  раскрытия трещины dC определяют при испытании образцов типов 1-4 до разрушения с записью диаграмм «Р-n».

Первый образец  доводят до разрушения. По полученной при испытании диаграмме «Р-n» или «Р-f» анализируют, к какому характерному типу диаграмм она относится.

В случае получения  при испытании диаграммы I типа (Рис 3.4.1) по излому образца проводят вычисление длины исходной усталостной трещины l.

Получение этого типа диаграмм проверяют на не менее треходинаковых образцах в одинаковых условиях испытаний.

Если при  испытании первого образца была получена диаграмма «Р-n» или «Р-f» II, III или IV типа необходимо проведение дополнительных испытаний на одинаковых образцах в одних условиях испытаний.

Следующий образец  статически нагружают до заранее выбранного смещения n или прогиба f, составляющего не менее 0,9 nC или 0,9 fC для диаграмм III и IV типов и 0,9 nD или 0,9 fD для диаграмм II типа (Рис 3.4.2). При этом значения nC, fC, fD и nD назначают по диаграммам, полученным при испытании. Затем образец разгружают, фиксируют контур статически подросшей трещины и доламывают.

Статический подрост трещины Dl вычисляют с округлением до 0,1 мм как среднее арифметическое измерение не менее, чем в 5 точках на контуре статически подросшей трещины, расположенных через равные промежутки по толщине образца, исключая боковые поверхности (рис 3.4.3). Каждое измерение следует проводить с погрешностью не более 0,1 мм.