образец для определения коэффициента интенсивности напряжений материалов сварных конструкций

Формула изобретения

ОБРАЗЕЦ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ МАТЕРИАЛОВ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ, выполненный в виде двутавровой балки с разрезом, стенка, полки и опорные ребра которой соединены сваркой, отличающийся тем, что разрез выполнен Т-образной формы таким образом, что полка Т-образного разреза выполнена в полке образца перпендикулярно ее продольной оси симметрии, а стойка разреза выполнена в стенке вдоль лежащей в плоскости стенки оси симметрии образца.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к испытаниям материалов на прочность, а именно к образцам для определения коэффициента интенсивности напряжений и может быть использовано в строительстве при оценке несущей способности стальных сварных подкрановых балок с вертикальными трещинами в стенках.

Известен образец для определения коэффициента интенсивности напряжений, представляющий собой стальную пластину с боковым разрезом по оси образца, который снабжен отверстиями, через которые осуществляется захват в силовой установке (см. а.с. N 927030, кл. G 01 N 3/00, 1980).

Недостатком этого образца является невысокая точность определения коэффициента интенсивности напряжений при использовании малоуглеродистых строительных сталей небольших толщин в связи с податливостью образца в захватной части.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является образец для определения коэффициента интенсивности напряжений, выполненный в виде стальной балки из трех листов, соединенных сваркой, со сквозным разрезом в станке, параллельным нейтральной оси образца, с повышенной изгибной жесткостью в вертикальном направлении и снабженной опорными ребрами (см. а.с. N 1307286, кл. G 01 N 3/00, 1985).

Известный образец не позволяет определять предельное значение коэффициента интенсивности напряжений при действии сдвиговых напряжений и не пригоден для определения предельного значения коэффициента интенсивности напряжений при действии нормальных к концентратору напряжений (деформация типа 1 отрыв).

Задачей предлагаемого изобретения является расширение возможностей известного балочного образца, т.е. сделать его пригодным для определения коэффициента интенсивности напряжений материалов сварных конструкций, которые разрушаются с реализацией частной деформации типа "отрыв".

Поставленная задача достигается тем, что в образце для определения коэффициента интенсивности балки с разрезом, стенка, полки и опорные ребра которого соединены сваркой, разрез выполнен Т-образной формы. При этом полка Т-образного разреза выполнена в полке образца перпендикулярно ее продольной оси симметрии, а стойка разреза выполнена в стенке вдоль лежащей в плоскости стенки оси симметрии образца.

Выполнение разреза Т-образной формы связано с необходимостью подращивания трещины в стенке образца усталостным путем.

Выполняя единый разрез не только в стенке, но и в растянутой полке, не увеличивая внешнюю нагрузку, можно увеличить уровень напряжений в вершине трещины стенки, что будет способствовать успешному подращиванию трещины в стенке образца. Уменьшение сечения образца в целом не целесообразно, так как в силу масштабного фактора не будет получена автомодельность процессов разрушения в образце и стенке реальных конструкций.

На фиг. 1-3 представлен предлагаемый образец (на фиг.1 вид сверху; на фиг.2 вид со стороны стенки; на фиг.3 вид сбоку).

Образец выполнен в виде балки из трех листов, соединенных сваркой (на фиг.1,2,3 позиции 1,2,3, где 1 стенка, 2,3 полки), снабжен ребрами 4-7, которые крепятся к стенке и полкам сваркой, в стенке 1 и полке 3 расположен Т-образный разрез 8. Ребра выполняют из листовой стали и располагают относительно осей симметрии балки симметрично. При испытании образец устанавливают на опоры таким образом, чтобы опоры располагались напротив ребер (4-7, фиг. 2,3) и нагружают двумя поперечными усилиями Р, которые прикладываются через листовые прокладки. Полка 3, в которой есть разрез, должна быть растянутой.

Нагружение осуществляют сначала в циклическом режиме до образования усталостной трещины из вершины разреза 8, расположенной в стенке, а затем статически доламывают образец. Расстояние между двумя поперечными силами Р должно быть достаточным для возникновения в образце зоны чистого изгиба.

П р и м е р. Испытывали образец, выполненный из стали с пределом текучести 450 МПа и величиной временного сопротивления 650 МПа, на машине SDM-250 (Изготовлена в ГДР), предназначенной для испытания образцов и моделей на изгиб и растяжение-сжатие при статическом или циклическом нагружении.

Для создания усталостной трещины прикладывали циклическую нагрузку частотой 5 1/с величиной 350 кН в центре образца. Толщина стальной прокладки в период подращивания трещины была 30 мм. Исходный концентратор в стенке образца имел величину 15 мм (расстояние от внутренней грани полки до вершины разреза). Подращивание разреза осуществлялось 20 тыс. циклов нагружения до величины 35 мм. Разрушение образца осуществлено статической нагрузкой. Образец был установлен на опоры, толщина подкладок составляла 40 мм. Температура испытаний (- 32^оС). Разрушение образца произошло при нагрузке 2Р 890 кН (5% секущей на диаграмме "нагрузка-раскрытие трещины" соответствует 800 кН), что и принято за нагрузку 21* (нагрузка при которой произошло страгивание трещины в период статического долома образца).

Предельное значение коэффициентов интенсивности напряжений в стенке рассчитывают по формуле, вытекающей из общих положений механики разрушения

K₁= (0,25+0,75d)

где d

₁=

где а 40 см расстояние от ребра до точки приложения силы;

p* величина силы;

h высота образца;

t толщина пояса;

t- толщина стенки;

b ширина растянутого пояса;

l₅ длина концентратора в поясе;

2l длина концентратора в стенке.

Y₁=

Реализуя приведенные формулы имеем

₁ 342 МПа, 2l 35 мм, К_с 66,46 кН/см^3/2.

На основании приведенных данных следует вывод, что предложенный образец позволяет расширить границы применимости известного образца, т.е. определять коэффициент интенсивности напряжений для частной деформации типа "отрыв" конструкционных строительных сталей малой толщины.

Учитывая, что на величину коэффициента интенсивности напряжений часто оказывают влияние трудно учитываемые факторы (сварочные напряжения, конфигурация образца.) наиболее достоверные данные дают такие образцы, которые наиболее полно моделируют работу конструкции и ее изготовление. Это предопределяет область использования результатов испытаний предложенного образца для оценки несущей способности существующих подкрановых балок с вертикальными трещинами в стенках или выбор марки стали для этих конструкций.