RU2267767C2 - Method of determining characteristics of crack resistance of material - Google Patents

Abstract

FIELD: investigating or analyzing materials.

SUBSTANCE: method comprises loading and breaking specimens having a crack and same specimen without the crack. The value of the coefficient of the dynamical strengthening obtained from the testing for various loading rates are used for determining critical length of the crack.

EFFECT: enhanced accuracy and reliability of testing.

Description

Заявляемое изобретение относится к исследованию процессов разрушения хрупких композитных материалов и может быть использовано при определении критической длины макротрещины, при которой дальнейшее увеличение растягивающей нагрузки, действующей перпендикулярно развивающейся магистральной трещине, приводит к неустойчивому ее развитию и окончательному разрушению образца материала.The claimed invention relates to the study of fracture processes of brittle composite materials and can be used to determine the critical length of a macrocrack, in which a further increase in the tensile load acting perpendicularly to the developing main crack leads to its unstable development and the final destruction of the material sample.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является способ определения критической длины магистральной трещины путем испытания партии образцов с искусственно созданной трещиной, вдвое превышающей максимальный размер включений композитного материала, и партии образцов, не имеющих такой трещины. По величинам предельных напряжений определяют критическую длину трещины [а.с. № 819618, 1981 г. - прототип].The closest in technical essence and the achieved result to the claimed invention is a method for determining the critical length of a main crack by testing a batch of samples with an artificially created crack, twice the maximum size of inclusions of the composite material, and a batch of samples without such a crack. The critical crack length [a.s. No. 819618, 1981 - prototype].

Недостатком способа является недостаточная точность и достоверность определения критической длины макротрещины ввиду того, что пределы прочности испытываемых образцов с искусственной трещиной и без нее определялись только при одной (стандартной) скорости нагружения. Однако вязкость разрушения и длина магистральной трещины зависят от скорости нагружения.The disadvantage of this method is the lack of accuracy and reliability of determining the critical length of a macrocrack due to the fact that the tensile strength of the test specimens with and without artificial crack was determined only at one (standard) loading speed. However, the fracture toughness and the length of the main crack depend on the loading rate.

При испытании композитного материала, в частности бетона, полученное значение критической длины макротрещины по прототипу, равное максимальному размеру включений бетона и в 10 раз меньшее линейного размера образца, по которому развивалась трещина, не может считаться достоверным. Многочисленными экспериментальными исследованиями установлено, что критическая длина трещины развивалась примерно до 1/2 и более размера сечения бетонного образца, что связано с торможением трещины при попадании ее на более прочный крупный заполнитель. Дальнейшее продвижение макротрещины происходило только при увеличении действующей на образец растягивающей нагрузки.When testing a composite material, in particular concrete, the obtained value of the critical length of the macrocrack according to the prototype, equal to the maximum size of the inclusions of concrete and 10 times smaller than the linear size of the specimen along which the crack developed, cannot be considered reliable. Numerous experimental studies have established that the critical length of the crack developed to about 1/2 or more of the cross-sectional area of the concrete sample, which is associated with braking of the crack when it hits a more durable coarse aggregate. Further advancement of the macrocrack occurred only with an increase in the tensile load acting on the specimen.

Задачей заявляемого изобретения является повышение точности и достоверности определения критической длины магистральной трещины.The task of the invention is to increase the accuracy and reliability of determining the critical length of a main crack.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения характеристики трещиностойкости материалов, включающем нагружение растягивающим усилием и доведение до разрушения образцов с искусственно созданной трещиной с длиной, превышающей не менее чем вдвое максимальный размер включений композитного материала и перпендикулярной этому усилию, и идентичных образцов, не имеющих таковой трещины, - по величинам коэффициентов динамического упрочнения, полученным в результате испытания образцов при различных скоростях нагружения определяют критическую длину магистральной трещины по следующей формуле:The problem is solved in that in a method for determining the fracture toughness characteristics of materials, including loading by tensile force and bringing to failure specimens with an artificially created crack with a length exceeding at least twice the maximum size of the inclusions of the composite material and perpendicular to this force, and identical samples that do not have of such a crack, according to the values of the dynamic hardening coefficients obtained as a result of testing the samples at various loading rates, The critical length of the main crack is determined according to the following formula:

где l_кр. - критическая длина макротрещины;where l _cr. - critical length of macrocracks;

h - линейный размер образца (толщина или высота);h is the linear size of the sample (thickness or height);

- функция, зависящая от формы образца и схемы испытания (растяжение);

- a function depending on the shape of the sample and the test design (tension);

а - длина искусственно созданной трещины;a is the length of the artificially created crack;

К^/ _Д.У. - коэффициент динамического упрочнения образца с искусственно созданной трещиной;C ^/ _D.U. - coefficient of dynamic hardening of a specimen with an artificially created crack;

К_Д.У. - коэффициент динамического упрочнения образца, не имеющего начальной искусственно созданной трещины.To _D.U. - dynamic hardening coefficient of a sample that does not have an initial artificially created crack.

Как известно, коэффициент динамического упрочнения показывает отношение предела прочности образца, полученной при максимальной скорости нагружения (т.е. при которой рост прочности прекращается), к пределу прочности, полученному при минимальной (ниже стандартной) скорости нагружения (т.е. при которой прочность минимальная). Использование вместо предела прочности, определяемого только при одной (стандартной) скорости нагружения, коэффициента динамического упрочнения позволяет более точно определить момент старта макротрещины (минимальная прочность при самой низкой скорости нагружения) и момент достижения образцом предельного механического состояния, т.е. разрушения (максимальная прочность при максимальной скорости нагружения), что является новым техническим эффектом заявляемого способа, повышает точность и достоверность полученных результатов.As is known, the dynamic hardening coefficient shows the ratio of the tensile strength of a specimen obtained at the maximum loading speed (i.e., at which the strength growth stops), to the tensile strength obtained at the minimum (below standard) loading speed (i.e. at which the strength minimum). Using instead of the tensile strength, determined only at one (standard) loading speed, the dynamic hardening coefficient allows you to more accurately determine the start time of a macrocrack (minimum strength at the lowest loading speed) and the moment the specimen reaches its ultimate mechanical state, i.e. fracture (maximum strength at maximum loading speed), which is a new technical effect of the proposed method, increases the accuracy and reliability of the results.

Чем больше разница в прочностях, полученных на образцах с искусственной трещиной и без нее, или чем меньше К^/ _Д.У./К_Д.У., тем выше чувствительность материала к образованию трещины и тем меньше ее критическая длина. Чем больше К^/ _Д.У./К_Д.У., тем меньше материал чувствителен к образованию макротрещины и тем больше ее критическая длина l_кр..The greater the difference in strengths obtained on specimens with and without artificial crack, or the less K ^/ _D.U. / To _D.U. , the higher the sensitivity of the material to cracking and the less its critical length. The more K ^/ _D.U. / To _D.U. , the less sensitive the material to the formation of macrocracks and the greater its critical length l _cr. .

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

Изготавливают две партии идентичных образцов, в частности бетона, в одной из которых выполняют искусственную трещину путем установки специальной пластины в процессе изготовления образца или посредством надреза специальным диском с алмазным покрытием после окончания твердения и набора прочности материала. При этом, размер искусственной трещины а не менее чем в 2 раза превышает максимальный размер включений композитного материала d_max, а отношение длины трещины к высоте сечения образца a/h равно 0,2-0,4. Размеры образца превосходят d_max не менее чем в 10 раз. Испытание двух партий образцов проводят растягивающей нагрузкой в широком диапазоне скоростей нагружения. С увеличением скорости нагружения прочность образцов бетона возрастает до некоторой величины. Дальнейшее увеличение скорости нагружения не приводит к росту прочности в связи с отсутствием роста трещины.Two batches of identical samples are made, in particular concrete, in one of which an artificial crack is made by installing a special plate during the manufacturing process of the sample or by notching with a special diamond-coated disk after curing and curing of the material. Moreover, the size of the artificial crack a is no less than 2 times the maximum size of the inclusions of the composite material d _max , and the ratio of the length of the crack to the height of the sample cross section a / h is 0.2-0.4. The dimensions of the sample exceed d _max not less than 10 times. The test of two batches of samples is carried out by tensile load in a wide range of loading speeds. With an increase in the loading speed, the strength of concrete samples increases to a certain value. A further increase in the loading speed does not lead to an increase in strength due to the absence of crack growth.

По полученным значениям прочностей определяют коэффициент динамического упрочнения в каждой партии образцов, а по ним находят критическую длину магистральной трещины.The obtained values of the strengths determine the coefficient of dynamic hardening in each batch of samples, and from them find the critical length of the main crack.

Пример конкретного выполнения.An example of a specific implementation.

Образцы-балочки размером 100×100×400 мм изготавливали из бетона состава 1:1,8:3,65 и В/Ц=0,51. Максимальный размер гранитного заполнителя d_max=10 мм. В качестве вяжущего использовали портландцемент марки «500». Искусственную трещину выполняли алмазным диском после затвердения образца длиной а=40 мм и толщиной 2 мм. Таким образом, отношение длины трещины к высоте сечения образца a/h, по которому будет развивалась магистральная трещина составило 0,4.Sample beams with a size of 100 × 100 × 400 mm were made of concrete with a composition of 1: 1.8: 3.65 and W / C = 0.51. The maximum size of the granite aggregate is d _max = 10 mm. As a binder used Portland cement brand "500". An artificial crack was performed with a diamond disk after hardening of the sample with a length of a = 40 mm and a thickness of 2 mm. Thus, the ratio of the crack length to the height of the sample cross section a / h, along which the main crack will develop, was 0.4.

Испытания растягивающей нагрузкой проводили на двух партиях образцов (с надрезом и без него) со скоростями нагружения от 10^-7 м/с до 10^-1 м/с. Определяли средние значения пределов прочности при различных скоростях нагружения. Для каждой партии образцов находили коэффициенты динамического упрочнения, которые составляли: К^/ _Д.У.=1,1 и К_Д.У.=1,8. Значение функции

- для краевой трещины в случае растяжения составляет 1,12. В соответствии с предложенной формулой критическая длина магистральной трещины l_кр. составила 68 мм, т.е. более половины размера сечения бетонного образца. Таким образом, в бетоне, являющемся грубонеоднородным материалом, образовавшаяся магистральная трещина постоянно встречает на своем пути более прочный крупный заполнитель с площадью сечения в несколько раз превышающей размер (ширину раскрытия) трещины. Это способствует замедлению разрушения и увеличению критической длины макротрещины.Tensile loading tests were carried out on two batches of samples (with and without notches) with loading speeds from 10 ^-7 m / s to 10 ^-1 m / s. The average values of tensile strengths were determined at various loading rates. For each batch of samples found the coefficients of dynamic hardening, which were: K ^/ _D.U. = 1.1 and K _D.U. = 1.8. Function value

- for an edge crack in the case of tension is 1.12. In accordance with the proposed formula, the critical length of the main crack l _cr. amounted to 68 mm, i.e. more than half the size of the cross section of the concrete sample. Thus, in concrete, which is a grossly inhomogeneous material, the resulting main crack constantly encounters a more durable coarse aggregate with a cross-sectional area several times the size (opening width) of the crack. This helps to slow down the fracture and increase the critical length of the macrocrack.

Claims (1)

Способ определения характеристики трещиностойкости материалов, включающий нагружение растягивающим усилием и доведение до разрушения образцов с искусственно созданной трещиной длиной, превышающей не менее чем вдвое максимальный размер включений композитного материала и перпендикулярной этому усилию, и идентичных образцов, не имеющих таковой трещины, отличающийся тем, что по величинам коэффициентов динамического упрочнения, полученным в результате испытаний образцов при различных скоростях нагружения, определяют критическую длину магистральной трещины по следующей формуле:A method for determining the fracture toughness characteristics of materials, including loading by tensile force and bringing to fracture specimens with an artificially created crack with a length exceeding at least twice the maximum size of the inclusions of the composite material and perpendicular to this force, and identical specimens without such a crack, characterized in that the values of the dynamic hardening coefficients obtained as a result of testing samples at various loading speeds determine the critical length main crack by the following formula:

где l_кр. - критическая длина макротрещины;where l _cr. - critical length of macrocracks; h - линейный размер образца (толщина или высота);h is the linear size of the sample (thickness or height);

- функция, зависящая от формы образца и схемы испытания (растяжение);

- a function depending on the shape of the sample and the test design (tension); а - длина искусственно созданной трещины;a is the length of the artificially created crack; К^/ _Д.У. - коэффициент динамического упрочнения образца с искусственно созданной трещиной;C ^/ _D.U. - coefficient of dynamic hardening of a specimen with an artificially created crack; К_Д.У. - коэффициент динамического упрочнения образца, не имеющего начальной искусственно созданной трещины.To _D.U. - dynamic hardening coefficient of a sample that does not have an initial artificially created crack.