Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении

ГОСТ 25.506-85

Группа В09

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

Расчеты и испытания на прочность

     
МЕТОДЫ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МЕТАЛЛОВ

Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении

     
Design, calculation and strength testing. Methods of mechanical testing of metals. Determination of fracture toughness characteristics under the static loading

МКС 77.040.10
ОКСТУ 0809

Дата введения 1986-01-01

Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 27 марта 1985 г. N 902 дата введения установлена 01.01.86

Ограничение срока действия снято по протоколу N 5-94 Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 11-12-94)

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 °С до плюс 600°С.

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Обозначения и единицы измерения величин, применяемые в настоящем стандарте, указаны в приложении 1.

Примечание. Пояснения к обозначениям приведены в приложении 2.

1.2. Для определения характеристик трещиностойкости испытывают с записью диаграмм "нагрузка-смещение" ("") или "нагрузка-прогиб" ("") образцы с предварительно нанесенной усталостной трещиной.

1.3. По результатам испытаний определяют следующие основные характеристики трещиностойкости:

силовые - критические коэффициенты интенсивности напряжений (или ): , , , ;

деформационная - раскрытие в вершине трещины ;

энергетические - критические значения -интеграла ил

и .

1.4. Трещиностойкость металлов оценивают по одной или нескольким силовым, деформационным и энергетическим величинам , , , , , .

При выполнении условий корректности определения характеристик трещиностойкости (п.5.1.3.2; 5.1.5.1 и 5.1.6) основной является величина .

В случае невыполнения условий корректности величин , , трещиностойкость металлов оценивают по величинам , , .

Прим

ечания:

1. Для определения трещиностойкости металлов в широком диапазоне длин трещин допускается использовать предел трещиностойкости (приложение 3).

2. Методы построения температурных зависимостей характеристик трещиностойкости и определение критических температур для малоуглеродистых и низколегированных сталей описаны в приложении 4.

1.5. Определяемые по настоящему стандарту характеристики трещиностойкости (наряду с другими характеристиками механических свойств) могут быть использованы для:

сравнения различных вариантов химического состава, технологических процессов изготовления, обработки и контроля качества металлов и сплавов;

сопоставления материалов при обосновании их выбора для машин и конструкций;

расчетов на прочность несущих элементов конструкций с учетом их дефектности, геометрических форм и условий эксплуатации;

анализа причин аварий и разрушений конструкций.

1.6. Для металлов, предназначенных для использования в машинах и конструкциях с заданными условиями эксплуатации, могут быть применены методы испытаний, типы образцов и характеристики трещиностойкости металла в соответствии с отраслевыми нормативно-техническими документами.

2. ОБРАЗЦЫ И ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЕ

2.1. Для определения характеристик трещиностойкости применяют следующие образцы: тип 1 - плоский прямоугольный с центральной трещиной для испытаний на осевое растяжение (черт.1); тип 2 - цилиндрический с кольцевой трещиной для испытаний на осевое растяжение (черт.2); тип 3 - прямоугольный компактный образец с краевой трещиной для испытаний на внецентренное растяжение (черт.3); тип 4 - плоский прямоугольный образец с краевой трещиной для испытаний на трехточечный изгиб (черт.4).

Тип 1

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

; ;

; ;

Черт.1

Тип 2

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

; ;

мм и

Черт.2

Тип 3

; ; ; ;

; ; ;

Черт.3

Тип 4

- расстояние между опорами

; ; ;

; ;

Черт.4

2.2. Соотношение размеров и схемы нагружения образцов показаны на черт.1-4. При этом рекомендуются следующие размеры образцов:

тип 1 ширина не менее 50 мм;

тип 2 диаметр не менее 12 мм;

тип 3 толщина не менее 20 мм;

тип 4 толщина не менее 10 мм.

В образцах типов 1 и 2 форму и размеры частей, служащих для крепления и нагружения, определяют после выбора конструкции захватов. Размер назначают в зависимости от способа изготовления надреза и крепления образца так, чтобы он не разрушился в захватах.

Примечания:

1. Для образцов типов 1, 3, 4 шероховатость их боковой поверхности вблизи вершины надреза и исходной усталостной трещины должна соответствовать 8-му классу.

2. Рекомендации по выбору образцов приведены в приложении 5.

2.3. Инициирующий надрез в образце типа 2 показан на черт.2, а в остальных - на черт.5. Ориентация надреза в случае анизотропии механических свойств должна быть одинаковой для всех образцов при данных испытаниях.

Для образцов типа 1 применяют надрезы вариантов 1, 2, 3 (черт.5), для образцов типов 3 и 4 вариантов 1 и 2.

Надрез изготовляют с помощью специальных фрез (см. черт.5, варианты 1 и 2) или шлифовального круга (вариант 2), пропиливанием от центрального отверстия (вариант 2) или электроискровым способом (вариант 3). В отдельных случаях допускается комбинировать различные способы. Инициирующий надрез для образца типа 2 изготовляют на токарном станке с последующей шлифовкой.

Примечание. 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.

мм

Черт.5

2.4. 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.

2.5. Усталостную трещину наносят таким образом, чтобы контур надреза находился между прямыми, пересекающимися под углом 2 20° - 30° в вершине трещины (черт.5), а разность была не меньше 1,5 мм.

2.6. Усталостные трещины в плоских образцах типов 1, 3 и 4 (черт.1, 3, 4) наносят при переменном растяжении с коэффициентом асимметрии цикла , а в образцах типа 2 - при круговом изгибе . При этом регистрируют минимальные и максимальные усилия цикла и число циклов. Номинальные напряжения при максимальном усилии цикла (должны быть не больше 0,5 ( определяют при температуре, при которой наносят усталостные трещины), а рекомендуемое число циклов нагружения при нанесении усталостной трещины - не меньше 5·10 .

Примечания:

1. В образцах типа 4 допускается нанесение усталостных трещин при знакопеременном консольном изгибе с соблюдением требований настоящего пункта.

2. При нанесении усталостной трещины на образцах, предназначенных для испытаний с целью определения , , и , максимальный коэффициент интенсивности напряжений цикла , рассчитанный для надреза как для трещины длиной , не должен превышать 0,75 , где - предполагаемое значение , а на конечном участке трещины длиной не менее 1,5 мм - не превосходить 0,6 . Если трещину наносят при температуре , а испытывают образец при температуре , то не должен превышать 0,6 . , где величины с индексом (1) относятся к температуре , а с индексом (2) к (см. при

ложение 6).

2.7. Отклонение длины нанесенной усталостной трещины на каждой из боковых поверхностей плоских образцов от заданной длины не должно превышать 2% от при мм и 0,5 мм при мм.

Угол отклонения плоскости усталостной трещины от плоскости надреза на всех образцах не должен превышать 10°.

2.8. Рекомендации по конструкциям приспособлений для крепления и нагружения образцов при нанесении усталостных трещин даны в приложении 6.

3. ИСПЫТАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

3.1. Для определения характеристик трещиностойкости используют машины с механическим, гидравлическим или электрогидравлическим приводом, метрологические параметры которых соответствуют ГОСТ 28840-90.

3.2. Необходимое максимальное усилие испытательной машины рассчитывают по формулам:

для образцов типа 1

;

для образцов типа 2

;

для образцов типа 3

;

для образцов типа 4

3.3. Для измерения смещений или прогибов применяют двухконсольные датчики тензорезисторного типа. Захватные части датчиков, способы их установки на образцах и размеры элементов датчиков в зоне их крепления приведены на черт.6. Расчет остальных размеров датчиков и схема соединения тензорезисторов для обеспечения термокомпенсации приведены в приложении 7.

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

Черт.6

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

3.3.1. Установку датчиков смещения на образцах типов 1-4 проводят с помощью накладных опорных призм (черт.6).

На образцах типов 3 и 4 допускается установка датчиков на призматических выступах, изготовленных на торцах образцов (черт.6).

3.3.1.1. 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.

3.3.1.2. Расстояние между осями отверстий (черт.6) для крепления накладных опорных призм должно быть для образцов:

типа 1 - не более 2;

типа 2 - не более ;

типов 3 и 4 - не более 2.

Примечание. На образцах типа 2 допускается изготовление лысок глубиной не более 0,15.

3.3.1.3. Расстояние между кромками призматических выступов на образцах типов 3 и 4 должно быть не более 2.

3.3.2. Двухконсольный датчик прогиба для образцов типа 4 устанавливается на опорных призмах, одна из которых жестко закреплена на нагружающем ноже, а другая на траверсе испытательной машины.

3.4. Датчики смещений или прогибов , а также устройства для записи диаграмм "" и "" должны обеспечивать:

тангенс угла наклона линейного участка диаграмм "" и "" к оси или в пределах 1-3;

масштаб диаграммы по оси и не менее 25:1.

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

3.5. 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.

3.6. Приспособления для крепления и нагружения образцов (см. приложение 6) 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 .

4. ПОДГОТОВКА И ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

4.1. Испытательные машины должны быть аттестованы в соответствии с ГОСТ 24555-81*, при этом должны быть выполнены требования разд.3.
________________
* На территории Российской Федерации действует ГОСТ Р 8.568-97.

4.2. Размеры образцов и , а также толщина накладных опорных призм перед испытаниями измеряют с погрешностью не выше 0,1 мм.

4.3. Скорости нагружения образцов устанавливают по скорости перемещения подвижного захвата в пределах от 0,02 до 0,2 мм/с.

При испытаниях на определение , , и скорость нагружения должна соответствовать скорости роста коэффициента интенсивности напряжений в пределах 0,5-1,5 МПа·м/с на линейном участке диаграмм "" или "".

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°С при температурах от минус 269 °С до 20°С и ±5°С при температурах от 20 °С до 600°С.

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

4.5. При определении характеристик , , и испытания образцов и типов 1-4 проводят до разрушения с регистрацией диаграмм "".

Характерные типы диаграмм "" (или "") приведены на черт.7.

Черт.7

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

Диаграмма II типа характеризуется наличием локального максимума нагрузки (точка ), находящегося левее прямой . Разрушение образца происходит в точке диаграммы, расположенной левее прямой , наклоненной к оси (или ) под углом , тангенс которого на 30% меньше, чем тангенс угла наклона касательной (угла ).

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

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

Примечание. Прямую удобно строить следующим образом: из точки опускают перпендикуляр на ось (или ) и откладывают отрезок . Через точку и проводят прямую . Построение прямой проводят таким же образом, но величина до

лжна быть равна 0,3 .

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

4.5.1.1. Длину в плоских образцах типов 1, 3 и 4 вычисляют с округлением 0,1 мм как среднеарифметическое измерение (с погрешностью не более 0,1 мм) не менее чем в трех точках на контуре усталостной трещины, расположенных через равные промежутки по толщине образца, исключая боковые поверхности (черт.8).

Схемы изломов

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

Черт.8

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

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

4.5.1.3. В образце типа 2 измеряют расстояние между центрами поперечного сечения и статического долома образца, а также диаметры контура усталостной трещины в двух взаимно перпендикулярных направлениях , и вычисляют их среднее значение (черт.8). Если величина и (или) значение превышает 0,08, образец отбраковывают

4.5.2. Все измеренные и вычисленные величины заносят в протокол испытания (приложение 8).

4.6. Значения раскрытия трещины определяют при испытании образцов типов 1-4 до разрушения с записью диаграмм "".

4.6.1. Измерения и вычисление длины исходной усталостной трещины в образцах типов 1, 3 и 4 и размеров и в образцах типа 2 проводят в соответствии с п.4.5.1.

4.6.2. Все полученные при испытании величины ( или ) совместно с диаграммами "" заносят в протокол испытания.

4.7. Критические значения -интеграла определяют на образцах типов 3 и 4 с записью диаграмм "" для образцов типа 3 и "" для образцов типа 4.

4.7.1. Первый образец доводят до разрушения. По полученной при испытании диаграмме "" или "" анализируют, к какому характерному типу диаграмм она относится (см. п.4.5).

4.7.2. В случае получения при испытании диаграммы I типа (черт.7) по излому образца проводят вычисление длины исходной усталостной трещины в соответствии с п.4.5.1.1.

Получение этого типа диаграмм проверяют на не менее трех одинаковых образцах в одинаковых условиях испытаний. Полученные значения для каждого образца совместно с диаграммами "" или "" заносят в протокол испытания (приложение 8).

4.7.3. Если при испытании первого образца по п.4.7.1 была получена диаграмма "" или "" II, III или IV типа, необходимо проведение дополнительных испытаний на одинаковых образцах в одних условиях испытаний.

4.7.4. Следующий образец статически нагружают до заранее выбранного смещения или прогиба , составляющего не менее 0,9 или 0,9 для диаграмм III и IV типов и 0,9 или 0,9 для диаграмм II типа (черт.9). При этом значения и назначают по диаграммам, полученным при испытании по п.4.7.1. Затем образец разгружают, фиксируют контур статически подросшей трещины и доламывают.

Примечание. Способы фиксации контура статического подроста трещины указаны в приложении 9.

Схемы нагружения и разгрузки образцов при испытании по п.4.7.4

- диаграмма II типа; - диаграмма III типа; - диаграмма IV типа

Примечания:

1. Пунктиром показаны диаграммы, полученные при испытании первого образца по п.4.7.1.

2. о - точка разгрузки образцов.

Черт.9

4.7.5. Длину исходной усталостной трещины вычисляют в соответствии с п.4.5.1.1.

4.7.6. Статический подрост трещины вычисляют с округлением до 0,1 мм как среднеарифметическое измерение не менее чем в пяти точках на контуре статически подросшей трещины, расположенных через равные промежутки по толщине образца, исключая боковые поверхности (черт.10). Каждое измерение следует проводить с погрешностью не более 0,1 мм.

Схема измерения излома плоского образца со статическим подростом трещины

1 - граница надреза; 2 - контур усталостной трещины; 3 - площадь статически подросшей трещины; 4 - контур статически подросшей трещины; 5 - статический долом

Черт.10

4.7.7. В случае, когда статический подрост трещины образца, испытанного по п.4.7.4, оказался меньше 0,3 мм для образцов толщиной не более 30 мм или для образцов толщиной свыше 30 мм, то величины и , полученные по пп.4.7.5 и 4.7.6, совместно с диаграммами "", или "" заносят в протокол испытания

4.7.8. В случае, когда статический подрост трещины образца, испытанного по п.4.7.4, оказался больше 0,3 мм для образцов толщиной не более 30 мм и для образцов свыше 30 мм, то необходимо испытать дополнительно не менее четырех одинаковых образцов в одних условиях испытания. При этом длины исходных усталостных трещин , измеренных на боковых поверхностях образцов, должны отличаться не более чем на 10%.

4.7.8.1. Каждый образец нагружают до заранее выбранного смещения или прогиба , меньших 0,9, или 0,9 для диаграмм III и IV типов и 0,9 или 0,9 для диаграмм II типа. При этом значения , , или назначают по диаграммам, полученным при испытании по п.4.7.1. Затем образец разгружают, фиксируют статический подрост трещины и доламывают.

Примеча

ния:

1. Схемы нагружения и разгрузки образцов приведены на черт.11.

2. Способы фиксации контура статического подроста трещины приведены в приложении 9.

Схемы нагружения и разгрузки образцов при испытании по п.4.7.8.1

- диаграмма II типа; - диаграмма III типа, - диаграмма IV типа

Примечания:

1. Пунктиром показаны диаграммы, полученные при испытании первого образца по п.4.7.1.

2. о - точка разгрузки образцов.

Черт.11

4.7.8.2. Длину исходной усталостной трещины вычисляют по п.4.5.1.1.

4.7.8.3. Статический подрост трещины вычисляют в соответствии с п.4.7.6.

4.7.8.4. Полученные значения , , , , , , , , , для каждого образца совместно с диаграммами "" или "" заносят в протокол испы

тания.

4.7.9. В случае, когда при испытании по п.4.7.4 образец разрушился до достижения выбранного значения или и диаграмма "" или "" получилась IV типа, необходимо дополнительно испытать не менее пяти одинаковых образцов в одних условиях испытания. При этом длины исходных усталостных трещин, измеренных на боковых поверхностях образцов, не должны отличаться более чем на 10%.

4.7.9.1. Каждый образец нагружают до заранее выбранного значения или . Затем образец разгружают, фиксируют статический подрост трещины и доламывают.

Примечания:

1. Рекомендуется первый образец нагружать до начала спада нагрузки на диаграммах "" или "" . Каждый из последующих образцов нагружают последовательно до меньшей величины смещения или прогиба , как показано на черт.12, и затем образец разгружают.

2. Способы фиксации статического подроста трещины указаны в приложении 9.

Схема нагружения и разгрузки образцов при испытании по п.4.7.9.1

О - точка разгрузки образца

Черт.12

4.7.9.2. Длину исходной усталостной трещины вычисляют по п.4.5.1.1.

4.7.9.3. Статический подрост трещины вычисляют по п.4.7.6.

4.7.9.4. Полученные значения для каждого образца, совместно с диаграммами "" или "" заносят в протокол испытания.

4.7.10. В случае, когда при испытании по п.4.7.4 образец разрушился до достижения выбранного значения или и диаграмма "" или "" получилась II или III типа, проводят вычисление длины исходной усталостной трещины по п.4.5.1.1.

4.7.10.1. Полученные значения совместно с диаграммами "" или "" заносят в протокол испытания.

4.8. Толщину в зоне максимального сужения разрушенных плоских образцов типов 1, 3 и 4 (черт.8) определяют как среднеарифметическое двух измеренных значений толщины у вершины трещины на обеих половинках разрушенного образца. На образцах типа 1 также измерения проводят у двух вершин трещины.

4.9. Все измеренные и вычисленные при испытании величины и машинные диаграммы "" или "" заносят в протокол испытания (приложение 8).

4.10. Требования по технике безопасности при проведении испытаний - по ГОСТ 12.2.003-91.

5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ

5.1. Вычисление критических коэффициентов интенсивности напряжений и .

5.1.1. По диаграммам "" определяют нагрузки и . Характерные типы диаграммы "" показаны на черт.7.

Для диаграммы I типа принимают ,

для диаграммы II типа - .

По диаграммам III и IV типов нагрузки определяют в точке пересечения диаграммы с прямой

.

5.1.2. По значениям вычисляют величины по формулам для коэффициентов интенсивности :

,

где

при для образца типа 1;

,

где

;

,

при и для образца типа 2;

,

где

при для образца типа 3

,

где

при для образца типа 4.

Значения функций и приведены в табл.1-3.

Таблица 1

Значения поправочной функции для образцов типа 1

Таблица 2

Значения поправочных функций и для образцов типа 2

Таблица 3

Значения поправочных функций и для образцов типов 3 и 4

Примечания:

1. Допускается вычислять поправочные функции , , и по формулам:

;

;

;

.

2. При испытании образцов предпочтительных размеров (приложение 5) значение вычисляют по формуле . Значения функции для образцов типов 1, 2, 3 и 4 приведены в приложении 5.

5.1.3. Вычисление значения приводят по формулам для по п.5.1.2.

5.1.3.1. По полученным для заданной температуры испытаний в соответствии с п.5.1.2 величинам и пределам текучести при той же температуре вычисляют расчетные размеры сечения для плоских образцов (черт.1, 3, 4)

,

где безразмерный коэффициент принимают равным 2,5 для алюминиевых, титановых, магниевых сплавов и сталей; 0,6 - для чугунов;

для цилиндрических образцов (черт.2)

, .

5.1.3.2. Величину , определенную по п.5.1.3, принимают равной , если для диаграмм "" III и IV типов , a для диаграммы II типа и если для плоских образцов типов 1, 3, 4 выполняются неравенства одной из двух групп:

1. и

2. для диаграмм III и IV типов и для диаграмм II типа. Значения и находят графически по полученным диаграммам "" в соответствии с черт.7, а для цилиндрических образцов (тип 2)

и .

Если приведенные неравенства не удовлетворяются, то для определения следует испытать образцы большей толщины или диаметра .

Примечание. Для нахождения или на диаграммах "" из точек или , соответственно, опускают перпендикуляр на ось . Величины
или соответствуют расстоянию от точки до точки пересечения перпендикуляров с осью (черт.7)

5.1.3.3. В протокол испытания (приложение 8) записывают полученную величину с указанием, какая группа неравенства п.5.1.3.2 удовлетворяется. Если ни одна группа неравенств п.5.1.3.2 не выполняется, то в протоколе испытания приводят величину .

5.1.4. Вычисление значений проводят по формулам п.5.1.2 с заменой на .

Полученные значения принимают равным .

5.1.5. Перед вычислением необходимо вычислить величины по формулам:

для образцов типа 1

;

для образцов типа 2

;

для образцов типа 3

;

для образцов типа 4

,

где значения берут по п.5.1.1.

5.1.5.1. В случае, когда меньше 0,8 по формулам п.5.1.2 вычисляют значения .

5.1.5.2. По полученным по п.5.1.5.1 значениям вычисляют значения для плоских образцов типов 1, 3 и 4 по формуле

и

для цилиндрических образцов типа 2

,

где при от 1х10 до 20х10 и при больших 20х10

5.1.5.3. Значение получают по формулам п.5.1.2 с заменой на , на для образцов типов 1, 3 и 4 и на для образцов типа 2

5.1.6. Вычисление , при условии, когда меньше 0,8 , проводят в соответствии с п.5.1.5 с заменой на и на

5.1.7. Полученные значения , , , , , , и с учетом п.5.1.3.3 заносят в протокол испытани

5.2. Вычисление раскрытия трещины

5.2.1. Величину вычисляют для точек диаграмм "" I-IV типов (черт.7) по формулам:

для образцов типов 1 и 2

;

для образцов типа 3

;

для образцов типа 4

,

где вычисляют по п.5.1.4 для соответствующих типов образцов, а находят графически из полученных диаграмм "" в соответствии с черт.7.

Примечание. Для нахождения на диаграммах "" из точки проводят прямую, параллельную начальному линейному участку диаграммы, до пересечения с осью (на черт.7 показана пунктиром). Величина соответствует расстоянию на диаграмме между точкой и точкой пересечения этой прямой с осью .

5.2.2. Полученные значения , и заносят в протокол испытания (приложение 8).

5.3. Вычисление критических значений

5.3.1. По диаграммам "" или "", полученным при испытании образцов по п.4.7.2. или 4.7.10, выделяют пластическую часть (черт.13 , , ) и вычисляют работу , соответствующую пластической части площади под диаграммой.

Схема выделения пластической части по диаграммам
"" или ""

- диаграмма I типа; - диаграмма II типа; - диаграмма III типа; - при разгрузке образца; о - точка разгрузки образца

Черт.13

Примечание. Для разделения площади под диаграммами "" или "" из точки диаграммы (черт.13, , ) проводят прямую, параллельную начальному линейному участку диаграммы.

5.3.1.1. Значение вычисляют по формуле

,

где вычисляют в соответствии с п.5.1.4;

- значение исходной длины трещины, вычисленное по пп.4.7.2 и 4.7.10.

Значение и для образцов:

типа 3

, ,

типа 4

=2, =1.

5.3.2. В случае, если при испытаниях, проводимых по п.4.7.4 и в результате измерений по п.4.7.6, оказалось, что статический подрост трещины менее 0,3 мм на образцах толщиной не более 30 мм или менее 0,01 при толщине образцов более 30 мм (п.4.7.7), то для вычисления по диаграмме "" или "" выделяют пластическую часть (черт.13) и вычисляют работу , соответствующую пластической части под диаграммой, ограниченной точкой разгруз

5.3.2.1. Значение вычисляют по формуле п.5.3.1.1 с заменой на и на (значение вычисляют в соответствии с п.5.1.4 с заменой на

5.3.3. При получении результатов испытаний по п.4.7.8.4 по диаграммам "" или "" вычисляют для каждого испытанного образца работу (черт.13), соответствующую пластической части площади под диаграммой, ограниченной точкой разгрузки.

5.3.3.1. Значение для каждого образца вычисляют по формуле

,

где вычисляют в соответствии с п.5.1.4 с заменой на , а значения параметров и по п.5.3.1.1.

5.3.3.2. В координатах "" для образцов толщиной не более 30 мм или "" для образцов толщиной более 30 мм наносят расчетную прямую (черт.14), вычисленную по формуле

- при не более 30 мм,

при - при более 30 мм.

- скорректированные значения
Черт.14

5.3.3.3. Для образцов толщиной не более 30 мм параллельно полученной по п.5.3.3.2. прямой на расстояниях , равных 0,15; 0,60; 1,05 и 1,50 мм, проводят прямые , , и .

5.3.3.4. Для образцов толщиной более 30 мм параллельно полученной по п.5.3.3.2 прямой на расстояниях , равных 0,005; 0,020; 0,035 и 0,050, проводят прямые , ,

и .

5.3.3.5. Для образцов толщиной не более 30 мм вычисленные по п.5.3.3.1 значения для каждого образца при соответствующих значениях (п.4.7.8.4) представляют графически в виде точек в координатах "" (черт.14).

5.3.3.6. Для образцов толщиной более 30 мм вычисленные по п.5.3.3.1 значения для каждого образца при соответствующих величинах (п.4.7.8.4) представляют графически в виде точек в координатах "" (черт.14).

5.3.3.7. Если не менее четырех точек, построенных по п.5.3.3.5 или 5.3.3.6, попало в интервал между прямыми и и в каждом из интервалов - , - и - находится не менее одной точки, то через эти точки проводят прямую линию

.

5.3.3.8. Если из всех точек, построенных по п.5.3.3.5 или 5.3.3.6 не более двух находятся правее прямой , а не менее двух точек лежат в различных интервалах между и , то для образцов, соответствующих точкам, лежащим правее прямой , необходимо дополнительно вычислить длину контура и площадь статически подросшей трещины по формулам:

и

5.3.3.9. Для точек, лежащих правее прямой , скорректированное значение вычисляют по формуле

.

Вычисленное скорректированное значение наносят на график "" в виде точек.

5.3.3.10. Через точки, лежащие левее прямой и удовлетворяющие условиям п.5.3.3.8 и через скорректированные точки по п.5.3.3.9 проводят прямую .

5.3.3.11. Если условия пп.5.3.3.7 и 5.3.3.8 не выполняются, необходимо провести дополнительные испытания образцов.

5.3.3.12. Значение , соответствующее точке пересечения прямых и , принимают равным .

5.3.4. В случае проведения испытаний по п.4.7.9 результаты испытания (п.4.7.9.4) обрабатывают по методике п.5.3.3.

5.3.5. Величины , полученные по пп.5.3.1.1, 5.3.2.1, 5.3.3.11 и по п.5.3.4, принимают равными , если они удовлетворяют неравенству

где

Коэффициент равен 200 при , меньших 0,6

и

при значениях , больших или равных 0,6.

5.3.6. Если условия п.5.3.5 не выполняются, то для получения величины следует испытать образцы большей толщины.

5.3.7. По полученным по п.5.1.3 величинам допускается вычислять значения по формуле

5.3.8. Полученные для каждого образца значения или , или , или заносят в протокол испытания (приложение 8) с указанием формулы вычисления . Кроме того, в протокол испытания заносят значения и .

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 (обязательное). ОБОЗНАЧЕНИЯ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИН

ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Обязательное

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 (справочное). ТЕРМИНЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В СТАНДАРТЕ, И ПОЯСНЕНИЯ К НИМ. ТАБЛИЦЫ ПЕРЕВОДА ЕДИНИЦ ИЗМЕРЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Справочное

Таблица перевода единиц механического напряжения (давления)

Таблица перевода единиц коэффициента интенсивности напряжений

Таблица перевода единиц энергии и работы

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 (рекомендуемое). ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛА ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ

ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Рекомендуемое

1. Предел трещиностойкости - количественная мера сопротивления материала распространению трещины, представляющая собой критические значения условных коэффициентов интенсивности напряжений в широком диапазоне исходных длин трещин , определенных при максимальных нагрузках , выдерживаемых образцами.

Для металлов, имеющих диаграммы I типа (черт.7 настоящего стандарта), предел трещиностойкости естественным образом переходит в критические коэффициенты интенсивности напряжений и с соблюдением условий корректности (п.5.1.3.2 настоящего стандарта) в при данной длине трещины.

2. Предел трещиностойкости при широком варьировании длин трещин может быть использован в соответствии с п.1.5 настоящего стандарта.

3. Предел трещиностойкости определяют на сериях кратковременных статических испытаний плоских образцов:

типа 1 (черт.1 настоящего стандарта) при ;

типа 4 (черт.4 настоящего стандарта) при .

типа 5 (черт.1) при

Примечание. Различие по длинам трещин от образца к образцу ориентировочно равно для образцов типа 1 и для образцов типов 4 и 5.

Тип 5

- расстояние между частями образца, служащими для крепления в захватах

;

Черт.1

4. Требования к образцам, их изготовлению, испытательному оборудованию и подготовке и проведению испытаний должны соответствовать требованиям настоящего стандарта.

5. По результатам испытаний образцов определяют разрушающую нагрузку (п.5.1.1 настоящего стандарта) для всех видов диаграмм.

Кроме того, по результатам испытания до разрушения гладкого образца находят предельную нагрузку .

6. После испытания образцов измеряют длину трещины в соответствии с п.4.5.1.

7. По значению нагрузки и длине трещины вычисляют величину по формулам:

для образца типа 1

,

где ;

для образцов типа 4

,

где ;

для образцов типа 5

,

где .

На черт.2-4 графически представлены функции , и .

Черт.2

Черт.3

Черт.4

8. По серии нагрузок для образцов с различными длинами трещин и без них определяют номинальное разрушающее напряжение по формулам:

для образцов типов 1 и 5

;

для образцов типа 4

.

Примечание. Вместо при допускается использовать величину временного сопротивления (предела прочности) при заданной температуре, определяемого в соответствии с ГОСТ 1497-84 или ГОСТ 9651-84, или ГОСТ 11150-84, или ГОСТ 22706-77.

9. Полученные результаты для каждого образца заносят в протокол испытания (см. приложение 8). Результаты по определению предела трещиностойкости представляют в виде таблицы.

Допустимо также представить результаты испытаний в виде графиков "", "" или "".

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 (рекомендуемое). ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ

ПРИЛОЖЕНИЕ 4
Рекомендуемое

1. Определение температурных зависимостей характеристик трещиностойкости

1.1. Для построения температурных зависимостей требуется не менее трех значений характеристик трещиностойкости , , , , , , полученных при каждой температуре.

1.2. Для построения полной температурной зависимости характеристик трещиностойкости , , , , , проводят испытания не менее чем при пяти температурах.

1.3. Температуры испытаний выбирают таким образом, чтобы охватить диапазон хрупкого, квазихрупкого и вязкого разрушений. При этом температуры испытаний следует назначать не более чем через 20°С - 30 °С.

1.4. При построении температурных зависимостей, указанных в п.1.1 настоящего приложения, характеристик трещиностойкости по оси ординат откладывают значения данной характеристики трещиностойкости, а по оси абсцисс - температуру испытаний . Допускается построение температурных зависимостей характеристик трещиностойкости, когда по оси абсцисс откладывают приведенную температуру, равную разнице температуры испытания и критической температуры хрупкости материала , устанавливаемой по отраслевой НТД. При этом включение последнего указания необходимо в тех случаях, когда испытывают образцы, изготовленные из заготовок различных плавок.

1.5. В качестве основного сводного материала испытаний по настоящему стандарту следует строить рекомендуемые зависимости характеристик трещиностойкости , , , , , с выделением области действительных значений , , (см. чертеж).

Схематическое изображение температурных зависимостей характеристик трещиностойкости

2. Определение критических температур для малоуглеродистых и низколегированных сталей

2.1. Критические температуры и получают при испытаниях серии образцов для определения характеристик трещиностойкости в соответствии с требованиями настоящего стандарта.

Переход от вязких разрушений к квазихрупким определяют по первой критической температуре , а от квазихрупких к хрупким по второй критической температуре .

2.1.1. Для определения и строят зависимости "" (процент вязкой составляющей в изломе - температура испытаний ) и "" (номинальные разрушающие напряжения в опасном сечении - температура испытаний

2.1.2. По температурной зависимости "" при устанавливают , а при по температурной зависимости "" устанавливают . При этом предел текучести определяют при соответствующей температуре испытаний

.

2.1.3. Если при разрушении в рассматриваемом диапазоне температур четко выраженный переход от вязкого разрушения к квазихрупким не устанавливается, то величину устанавливают как минимальную температуру по сужению в зоне разрушения , составляющему 0,8 максимального, соответствующего полностью вязкому разрушению, или - по .

2.2. Определение процента вязкой составляющей в изломах испытуемых образцов проводят макрофрактографическим методом. Определение в изломах образцов типов 1, 2, 3 и 4 основаны на измерении площади хрупкой составляющей . Процент вязкой составляющей в изломах вычисляют по формуле

где - площадь хрупкой составляющей в изломе;

- площадь образца в ослабленном исходной усталостной трещиной сечении.

Для образцов типа 1

для образцов типа 2

для образцов типа 3 и 4

.

2.2.1. Измерение в изломах образцов осуществляется с помощью инструментальных микроскопов или путем планиметрирования изображения излома. При этом абсолютная погрешность измерений не должна превышать 10%.

2.2.2. В случае, если зоны хрупкого разрушения имеют сложную форму, то при необходимости планиметрирование площади соответствующего участка производят на увеличенном изображении.

2.2.3. При наличии в изломе нескольких зон хрупкого разрушения измеряют площади отдельных хрупких участков и суммируют их по всему излому.

2.3. Критические температуры и указывают на представленных графически температурных зависимостях характеристик трещиностойкости (см. чертеж).

ПРИЛОЖЕНИЕ 5 (рекомендуемое). ВЫБОР ОБРАЗЦОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ

ПРИЛОЖЕНИЕ 5
Рекомендуемое

1. Тип и размеры образцов выбирают исходя из цели испытаний, размера и формы заготовок или деталей, из которых они вырезаются, механических свойств исследуемого металла при температуре испытания, максимальной нагрузки, создаваемой испытательной машиной, конструкции и размеров термо- или криокамеры и экономических соображений.

2. Для листового металла толщиной:

от 1 до 10 мм рекомендуется использовать образцы типа 1;

от 20 до 100 мм рекомендуется использовать образцы типа 3;

от 10 до 200 мм и более рекомендуется использовать образцы типа 4.

Для пруткового материала круглого сечения диаметром от 12 до 40 мм рекомендуется использование образцов типа 2.

Для пруткового материала квадратного или прямоугольного сечения толщиной 10-40 мм рекомендуется использовать образцы типа 2; при диаметрах и толщинах более 40 мм - образцы типов 3 и 4.

Для фасонного проката с различной формой поперечного сечения (двутавры, швеллеры, уголки, трубы и т.п.) форму и размеры образцов устанавливают по дополнительному согласованию с учетом анализа наибольшей нагруженности деталей из проката.

3. Образцы для испытаний на трехточечный изгиб применяют для металлов низкой и средней прочности (с относительным удлинением более 15%), как наиболее простые в изготовлении и не требующие мощной испытательной техники.

4. Образцы для испытаний на внецентренное растяжение применяют для сталей всех категорий прочности, а также цветных металлов.

5. Корректность получения достоверных значений величины по испытаниям образцов определяется требованиями к их размерам по толщине или диаметру согласно п.5.1.3.2.

Ориентировочно толщину плоских образцов типов 1, 3 и 4 или диаметр цилиндрических образцов (тип 2) устанавливают с использованием модуля упругости и предела текучести материала (кроме образцов из магниевых сплавов) по табл.1.

Таблица 1

6. При определении величин , , , , следует толщину образца выбирать равной толщине заготовки или рассматриваемого элемента конструкции.

7. Если при изготовлении и испытании образцов отсутствуют специальные требования по выбору их габаритов, предпочтительными являются размеры образцов, указанные в табл.2.

Таблица 2

8. При определении характеристик трещиностойкости металлов по результатам испытаний образцов типов 1-4 размеров, приведенных в табл.2, значения рекомендуется определять по формуле

где - поправочная функция.

8.1. Значения , вычисленные по формулам п.5.1.2 стандарта, приведены в табл.3-6.

Таблица 3

Значения для образцов типа 1

м

м

м

м

м

м

м

м

Таблица 4

Значения для образцов типа 2

Таблица 5

Значение для образцов типа 3

м

м

м

м

м

м

м

м

Таблица 6

Значение для образцов типа 4

м

м

м

м