Способ определения порогового коэффициента интенсивности напряжений

Способ определения порогового коэффициента интенсивности напряжений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

„„5Q„„1755121 А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)з G О1 N 17/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ деформации у вершины усталостной трещины и постепенном снижении нагрузки до полной остановки роста трещины. По конечным знанениям нагрузки и длине трещины, применяя известные формулы, определяют значения Kf see.

Недостатками способа являются: низкая точность из-за и Гвбзможностй определения ранней стадии начала роста трещины — старта трещины, в случае, когда она локально растет по фронту внутри образца, а также момента остановки роста по этой же

Изобретение относится к коррозионным испытаниям материалов, в частности к испытаниям на водородное охрупчивание вйсокопрочных сталей.

Известен способ определения нижнего порогового значения коэффициента интенсивности напряжений Kieee. материалов при постепенном ступенчатом увеличении нагрузки на образец, помещенный в коррозионную среду, до начала роста трещины, проращивании трещины при постоянйой нагрузке через йсходную зону пластической

1 ..::2 (21) 4836266/28 .. - момента страгивания и остановки трещин; (22) 12.04,90 . Испытывают образец без трещины с кон(46) 15.08.92. Бюл, ¹30 .: .. центратором напряжений, который нагру(71) Физико-механический институт АН жают до величины нагрузки, необходимой

УССР и Специальное конструкторско-техно- для создания зоны пластической деформалогическое бюро:...: ции возле концентратора в рабочей среде. (72) А.Е.Андрейкив, В,P.Ñêàëüñêèé и При этом фиксируют суммарный счет акуН.В.Лысак . стической эмиссии Np за некоторое время (56) Авторское свидетельство СССР .: .: .: наблюдения. Этотуровень значений No npuN. 547683, кл. 6 01 N 17/00, 1977.. нимается за исходнйй критерий. Затем о6ГОСТ 9903-81. Стали и сплавы высоко- разец с трещиной нагружают до исходного прочные. Методы ускоренных испытаний на значения коэффициента интенсивности накоррозионное растрескивание. : пряжений Kl, при котором начинается эф(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОРОГОВО- фективный рост трещины в тех же условиях

ГО КОЭФФИЦИЕНТА ИНТЕНСИВНОСТИ рабочей средыификсируютсуммарныйсчет 3

НАПРЯЖЕНИЙ сигналов АЭ вЂ” Ni. При превышении величиИзобретениеотноситсяккоррозионнымис- ны N уровня No сразу переходят к ступен- М пытаниям материалов, в частности к оспы- . чатому сниженйю нагрузки на величину таниям на водородное охрупчивание 2-37ьиопятьпройзводятотсчетйьТакподвысокопрочных сталей. Цель изобретения — ходят к минимальному значению К . Если за повышение достоверности определения фиксированное время наблюдения значенижнего порогового значения коэффициен- . HMe N не превысит значения No при минита интенсивности напряжений за счет обес- — мальном К!, то его величина принимается за печения более точного определения величинуK(eee,2ил.,1табл. 4

Ql (Jl

1755121

4 причине и, как следствие, большие временные интервалы наблюдения эа ростом трещины в период между ступенями нагружения, Наиболее близким по технической сути является способ определения Ki>«no схеме аналога, описанной выше, но момент начала роста трещины и момент прекращения ее роста фиксируется по изменению электросопротивления и интенсивности сигналов акустической эмйссйи,(АЭ).

Недостатком"спосбба является необхо10 димость измерения скорости применения способа определения Klsee при коррозионном растрескивании, обусловленный размерами образцов небольших сечений, так как на больших сечениях образцов при локальном скачке трещины по фронту метод мало эффективен, вследствие очень мизерных изменений величины электросопротивления в этот момент.

Цель изобретения - повышение. досто20 верности определения нижнего порогового значения коэффициента интенсивности напряжений за счет обеспечения более точно25 го определения момента страгивания и

ooTàíoâêé трещийы.

Укаэанная цель достигается тем, что перед образцом с трещиной в раббчую среду помещают образец с концейтратором напряжений беэ трещины, который йагружают до величины нагрузки, необходимой для создания эоны пластической деформации возле койцентратора и определяют величину

30 суммарного счета сигналов акустической эмиссии при нагружении образца с трещиной величины Суммарного счета сигналов акустической эмиссии йри нагружении образца с кбнцентратором беэ трещины и осу40 ществляют до достижения равенства этих

" .величин.

В прототипе учитнврется влияние на

А3, на ранней стадии начала роста трещины, механизма локального внодньго pacraoрения металла в вершине трещины и лишь при ее субкритическом росте, в-результате электролитического водородйого охрупчивания, что приводит к возрастанию мощности сигналов АЭ, можно оценить взаимосвязь сигналов АЭ с процессами роста трещины.

При водородном охрупчивании высокопрочных сталей в среде газообразного во55 дорода под напряжением происходит локальное микрорастрескивание пь границам зерен или транскристаллитное микрорастрескивание, которые обусловлены воздействием водорода и нагрузки и сопросуммарного счета сигналов акустической эмиссии, а снижение величийы нагрузки на- 35 чинают в момент превышенйя величины вождаются АЭ существенной энергии, а также происходят процессы образования пластической зоны в вершине растущей трещины, в результате чего излучаются также сигналы АЭ с достаточной для регистрации их мощностью. Оценить это по способу прототипа, т.е. различить макророст трещины и указан н ые и роцессы весьма и весьма сложно, вследствие чего К е определяется некорректно, особенно на образцах большой толщины (большого поперечного сечения). В заявляемом способе это учитывается даже в случае различных значений, устанавливаемых в разных условиях измерений уровней дискриминации сигналов АЭ, независимо от амплитудно-частотной характеристики первичных преобразователей сигналов АЭ, а значит, исключает неоднозначность определения Klsee

В результате воздействия механических нагрузок и водородной среды на образец можно выделить две фазы разрушения: а) инкубационный период разрушения; б) период скачков макротрещины, В первом случае сигналы А3 характеризуются непрерывной АЭ с невысокой скоростью счета и низкими амплитудами как дискретных вспышек так и непрерывной АЭ, а момент старта тре цины выделяется на акустограмме резким возрастанием скорости счета и амплитуд сигналов АЭ дискретного типа.

Как показано у материалов, склонных к водородному охрупчиванию, рост трещин при совместном воздействии деформаций и критической концентрации водорода сначала сопровождается возникновением микротрещин, вследствие образования скопления дислокаций под влиянием водорода и внешних напряжений, что приводит к созданию локальных растягивающих напряжений. Поэтому при достижении ими значительных величин происходит межкристаллитное или транскристаллитное (в зависимости от структуры материалов) микрорастрескивание, которое сопровождается сигналами

АЭ.

Способ основан на том, что рассчитывают величину нагрузки и радиус кривизны концентратора напряжений для пробного образца без трещин, который нагружают до величины, полученной в результате расчета, нагрузки, способной создать образование пластической зоны возле концентратора, по, обьему равной расчетной зоне пластической деформации в вершине растущей трещины при исходном верхнем значении Кь

Расчеты проводят, используя известные формулы, Сначала вычисляют радиус пластической зоны возле трещины. Для этого

1755121

После нагрузки образца его помещают в камеру с рабочей. средой, например, газообразным водородом и создают необходимые рабочие параметры среды, Под воздействием внешней нагрузки и водоро- 30 да происходят процессы микрорэстрески -" вания и образования пластической зойы возле концентратора. При этом фиксируют уровень суммарного счета АЭ No за некото-". рое начальное время наблюдения за образ- 35 цом, например, за 10 ч. Этот уровень является исходным критерием для опреде- . ления начала роста трещины или ее остановки, что определяется следующйм образом.

Образец с трещиной нагружают до вер- 40 хнего исходиого значеййя-коэффициента интенсивности напряжения Ki,при котором начинается эффективный рост трещийы,в среде газообразного водорода и фйксирувт суммарный счет сигналов АЭ йь При превы- 45 шении величины N уровня NNe переходят c ступенчатому понижению нагрузки на величину 2-3 /, регламентированную в (2) и опять производят отсчет N . При превышении Nt значения N< снова п роизводится сни= 50 жение нагрузки; Так подходят к минимальному значению К и при этом увеличиваютвремя наблюдений, но не более10 ч согласно (2) (метод 2). Если за это время .значения Н не превысят значения No, то 55 величина конкретного значения К при этом принимается за величину К зее исследуемого материала. используен формулу, описывающую распределение напряжений (т„у возле концентратора радиуса р

Оуу 5

1/л(2 х +р) где Kl — коэффициент интенсивности напряжений, х — расстояние от вершины концентратора.

Предположим; что течение наступает 10 тогда, когда о„у = vÃÇ а Подстави8 это значение о у в формулу (1),находят: — 1ГЗ (Тг,(2) 2

1 _#_ (2 хп + р ) 15 где хп — точка:тела, в которой наступило течение и которая находится на максимальном расстоянии от концентратора, Величина нагрузки на образец с кон центратором радиуса р, при которбй возле 20 него образовалась бы пластическая зона радиусом хп,определится из формулы:

На фиг.1 и 2 приведены блок-схема установки для реализации способа и гистограммы распределения суммарного счета АЭ в процессе исследований.

Установка состоит из образца 1, рабочей камеры 2 с волноводом 3 и крышкой 4, фор-, вакуумного насоса 5, вентилей 6, резервуара с рабочей средой 7, редуктора 8, первичного . преобразователя 10, предварительного ycuwrens 11, фильтров 12, блока обработки сигналов АЭ 13 и регистратора 14.

Пример. Образец 1 с концентратором нагружаЮт до величины нагрузки, опреде. ленной по формулам и йомещают в рабочую камеру 2 на волноводе 3. Камеру герметизируют крышкой 4 и с гюмощью форвакуумно го насоса 5 и вентилей 6 производят откачку до глубины вакуума 1;33 Па. Затем объем камеры зэполйяЮт газообразным водородом из резервуара 7 через редуктор 8 и доводят давление в камере до необходимой величины при заданййх температурах, Давление контролируют с помощью манометра

9, После этого опять выпускают водород, производят откачку и снова создают необ- . ходимые рабочие условия среды газообразного водорода. Такую водородную промывку объема камеры делают йесколько раз после каждой загрузки камеры и приступают к измерениям сигналов АЭ, которые через волновод 3 поступают на первичный преобразователь сигналов АЭ 10 и через .предварительной усилитель 11, фильтр 12 подаются йа блок обработки сигналов АЭ

13, после чего регистрируются на регистри. рующем устройстве 14.

Для измерений йараметров сигналов

АЭ использовали преобразователь с резонансной частотой 260 кГц, коэффициент усиления предварительного усилителя был равен 34 дБ, а суммарййй коэффициент уси ления измерительного тракта равнялся 84 дБ при полосе пропускания фильтров 160—

350 кГц с уровнем дйскриминации 0,4 В.

Расчетная величина нагрузки Р и значения соответствующего ей Ki для образца с концентратором, а также другие экспериментальные результаты приведены в таблице.

На протяженйи 10 часов фиксируют суммарный счет сигналов АЭ (гистограмма на фиг.2а), No на образце с концентратором напряжений (без трещины), значение которого принимается за уровень от счета. После этого- приступают к исследованию образцов с трещинами для определения

Klsee. Осуществляется зто следующим образом.

Образец нагружают до принятого при расчетах исходного верхнего значения К, фиксируют нагрузкуи размещают образец в

1755121 регламентированную по ГОСТ 9,903-81 (гистограмма нз фиг.2б-ж) и опять регистриру- 10 ют значение М, При подходе к значению

15 все время наблюдений, т.е. не было превышения уровня N0. установленного при реги- 20 страции суммарного счета АЭ образца с

40 такого подрастания электросопротивления . на толщине образца материала прототипа и 45

50 на образец. который влияет на электрохи- 55 мическую ситуацию. в вершине трещйны и, следовательно, на процессы анодного раскамере 2 на волноводе 3. Дальнейшие манипуляции по созданию необходимых идентичных условий эксперимента и измерению сигналов АЭ осуществляют по схеме, описанной выше, Затем начинают регистрацию суммарного счета сигналов АЭ Nl. При достижении величины Nl > No ступенчато снижают нагрузку на величину

Klsee УВЕЛИЧИВаЮт ВРЕМЯ НабЛЮДЕНИЯ За Образцом, но не более чем 10 ч, как того требует ГОСТ (метод 2), За значение Klsee в нашем случае принятэ величина К = 11,4 МПа Гм, так как нэ протяжении 10 ч наблюдения не зарегистрисовано значений N > 5 импульсов за концентратором напряжений в среде газообразного водорода рабочих параметров.

Результаты исйытаний приведены в таблице.

Согласно (2) минимальная толщина образца при испытаниях на К1 6 регламентируется соответствующими расчетами, чтобы получить плоскодеформируемое состояние образца с целью конкретности определения

Klsee. ПОЭТОМУ На ВЕЛИЧИНУ РЭЗМЕРЭ ТОЛЩИны образца существенное влияние имеет значение критического значения коэффициента концентРации напРЯжений Kle и пРедела текучести материала Ooz .Для материалов с большой вязкостью разрушения минимальная толщина образца будет значительно больше чем для высокопрочных материалов, Следовательно, при единичном скачке трещины в тонких пластинах прирост величины сопротивления будет более значительным, чем для большйх толшин, Сопоставление результатов измерения нэ образцах, используемых в способе (разница толщин на 1 порядок), показало разницу на-2 — 3 порядка отличающуюся в сторону. уменьшения электросопротивления на образце заявляемого способа, Учитывая то. что для устранения этого недостзтка, т.е. получения возможности фиксации маленьких скачков трещины на толстых образцах необходимо повышать внешний потенциал творения при коррозионном воздействии среды, то можно констатировать, что способ

30 прототипа мало эффективен для определеНИЯ Klsee МатЕРИаЛОВ На ОбРаЗЦаХ бОЛЬШОй толщины, Таким образом можно выделить следующие преимущества способа определения

Kisee по сравнению с существующими способами: упрощение методики измерения за счет устранения необходимости предварительной тарировки измерения длины трещины. э также устранение такого измерения в процессе исследования образцов матери= алов на Кь, устранение необходимости неоднократной балансировки измерительной схемы при переходе на последующие диапазоны измерения при росте трещины в течение одного процесса исследования; устранения технологических операций по выращиванию усталостной трещины на тарировочном образце; устранение роста трещины в процессе исследований и предварительных длительных тзрировочных операций нэ образце с трещиной, а также узкий диапазон; расширение диапазона применения способа путем использования его для определения К)зее на образцах больших толщин в соответствии с требованиями создания плоскодеформированного состояния образца; исключение влияния внешнего прикладываемого к образцу электропотенциала на электрохимическую си1уацию в вершине трещины при исййтэниях на Kfsee

Формула изобретения Способ определения йорогового коэффициента интенсивности напряжений высокопрочных сталей и сплавов, по которому образец с трещиной помещают в.коррозионную среду, нагружают увеличивающейся нагрузкой до начала роста трещины, которое фиксируют по сигналам акустической эмиссии, проращивэют трещину за исходную зону пластической деформации, снижают нагрузку до полной остановки трещины, определяют коэффициент интенсивности напряжений по нагрузке в момент остановки трещины. э о моменте роста и остановки трещины судят по сигналам акустической эмиссии, отл ичэ ю щи йс я тем, что, с целью повышения достоверности зэ счет обеспечения. более точного определения момента страгивания и остановки трещины, используют дополнительный образец без трещины, но с пластической зоной, равной пластической зоне в основном образце перед исходной трещиной. а увеличение и снижение нагрузки проводят по достижению соответственно равенства или неравенства суммарного счета сигналов акустической эмиссии.

1755121

10! е

tt)

Q.

1О

О! е а О о

tU

Q. о

3tg

О.

tx э

=т х

М

О

S ч а о

t о

ttf

fO о

Э ч

Ф а

S Э

S Э а е д о ч зх

Э X

W S

v э

v )3

S tt:

X C

Q. e

C S

X S

3- to о

Y X >x m о s

l D о х о э

Х IS X х а е в- е" х

X Э

Y S

f- Х

v &

s О

Q. A э о

I- Y а s е х х э

X tO х

s e

S . o о

V 3 .z o

m в о

>х g х о

О 3= о

I 1- Ф е х и Ф S ,е Э

X о э

CL .3 L о. о е о

С» Т х »

X о

:ч оо л

mo о

II ей, 8р х о z

ttt э х Q.

S fЕ; ttf о э

3- IQ

tg е =f ч о о ч о

I в. в 1

I

1

1 в

1

1 1 1 1

l 1

I

) I

l

1 !

I !

) !

1 о

CO м

CV о м

3

1

l

1

I

l о в о о, ь

Ln О о м

I

1

I в

I о о

ОЪ о м о м О

° \ О о

)S о

I (D

I, Q.

I lсв) м л о м

C)

C) . в

) =Г

3 Ф

I Л

3 !

I !

I е а

Ю

Ct о о. в

Ф

1 в в

I в

I

l

3 ! о. ао о о

tA л в о! е

I

I !

I !

2l

X

Ф а

З

Э (К

z x е

ttf f» о а е

3 а

tt3 Ч х о

М 6.:

I

1

1 в е

К .I"

z z o л Ф Я, х ч

Q К

-с

l» fO Х э е о у х ч

o Q с

>х О «О

З X tft х а. а Ф. е с а е э

:ье а аО

l !

l! З а ! l-.! !

l

1

I

1

I

3 !

I.

I

1

1

l с

I Е е с е х е л

I У ! ! tX

I .S ! э

3 )E

1 К

1 C е

1 X

1 S

) о о

t x

I Ф, I X о х

I Ф

I f1 I

) X

1 ! IS

I ф

I ) ! z

1 Я

"Я о в у

I.

1. 1.

1 I.

I 1

l В 1 В в I

1 Е

l 1

1 I .3 I ! I

- Е 1

l 1

I 1

I В

1 дв 1

3 I ! т» )

I —

I l

I 1

1 3

I, Е ! в

1 м 3 во) л t

1 W Е Е л-

1. 3

I l.

I 3

) М 3

l I е в .1 л- Е

f 1.

I 1

f . 3 ! М\ ) е м в

3 л I

)if! I

) л- I 3 1

3 в

1 t

3 в

1 l

1 1 В LA I

I - 3

I W

1 л l

1 I

1,

I l

«а)

I, -. f

1 .В во)

tсчв е в

3 I

l I

3 I

1 О ! ce в 0

l c0

1 3)Ъ Е - 1 .t.

1

I в

I

I.

3

I .1

I в

I

I ..в

1 е в . I о л о Ф

°, Д» о

* ф!

О 3-) i ф л- . X I

) I

I о . е- в л ф 3

cV . X I

I в

1 I с

1 1

oO f- l

Ф 1 и . x в

1 йЧ" 3 - 1 ф I

X 3

I б!

О .," I

1 I

) 1.

I I I о

Е 1

X I.0 в

З3-1

ХО) з о в. их е

З зо1

Ч 3-" 1

s o э хяв

Q. З Ъз I Ф и 1

1755121

ФОО

, Ос 0 Г 1чОсР Я /,цу

Г 4 6гtж

О 2 t,÷àñ 4 6,цас

Корректор Н,Тупица

Редактор M.Òîâòèí

Заказ 2886 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат" Патент",г.Ужгород,уд, Гагарина,101

Составитель B.Ñêàëüñêéé

Техред М.Моргентал

-3

urban