Способ оценки сопротивления конструкционных материалов развитию трещин

Способ оценки сопротивления конструкционных материалов развитию трещин

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: исследование прочностных свойств материалов, оценка сопротивления конструкционных материалов развитию трещин. Цель: расширение функциональных возможностей за счет воспроизведения эквивалентных двухосному нагружению коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) при одноосном нагружении. Сущность изобретения: для воспроизведения эффектов двухосности нагружения в каждый момент времени обеспечивается равенство заданного КИН для двухосного нагружения и реализованного КИН для эквивалентного одноосного нагружения путем монотонного изменения номинального одноосного напряжения и угла приложения нагрузки (по отношению к плоскости трещины ) по закону, определяемому этим равенством . Положительный эффект: обеспечивается возможность воспроизведения эффектов двухосности нагружений при изучении характеристик циклической трещиностойкости конструкционных материалов для смешанных мод разрушения при программном одноосном растяжении. 4 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 N 3/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4905463/28 (22) 25.12.90 (46) 30,03;93. Бюл, N. 12 (71) Казанский физико-технический институт Казанского филиала АН СССР (72) В.Н,Шляпников (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1114917, кл. G 01 N 3/08, 1985.

Патент ФРГ № 3041704, кл, G 01 N 3/08, 1989. (54) СПОСОБ ОЦЕНКИ СОПРОТИВЛЕНИЯ

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ РАЗВИТИЮ ТРЕЩИН (57) Использование: исследование прочностных свойств материалов, оценка сопротивления конструкционных материалов развитию трещин, Цель: расширение функциональных возможностей за счет воспроизведения эквивалентных двухосному

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств материалов, а именно к способам оценки сопротивления конструкционных материалов развитию трещины, Цель изобретения — повышение информативности исследования характеристик циклической трещиностойкости в случае смешанных мод разрушения за счет воспроизведения эквивалентных двухосному нэгружению коэффициентов интенсивности напряжений при одноосном нагружении.

Это позволяет воспроизвести эффекты двухосности нагружения при изучении характеристик циклической трещиностойкости конструкционных материалов для

„, ЫХ„„1805319 А1 нагружению коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) при одноосном нагружении. Сущность изобретения: для воспроизведения эффектов двухосности нагружения в каждый момент времени обеспечивается равенство заданного КИН для двухосного нагружения и реализованного КИН для эквивалентного одноосного нагружения путем монотонного изменения номинального одноосного напряжения и угла приложения нагрузки (по отношению к плоскости трещины) по закону, определяемому этим равенством, Положительный эффект: обеспечивается возможность воспроизведения эффектов двухосности нагружений при изучении характеристик циклической трещиностойкости конструкционных материалов для смешанных мод разрушения при программном одноосном растяжении, 4 ил. смешанных мод разрушения при программ(Л ном одноосном растяжении, B данном случае не требуются уникальные многоцилиндровые электрогидравлические 0 стенды, реализующие двухосное номинальное НДС, а достатонно сериинои однооснои (. » разрывной машины типа УРС вЂ” 20 с программатором нагружения. В предлагаемом способе для воспроизведения эффектов двухосности нагружения в каждый момент времени обеспечивается равенство заданного КИН для двухосного нагружения и реализованного КИН для эквивалентного одноосного нагружения путем монотонного изменения номинального одноосного напряжения и угла приложения нагрузки (по

1805319 отношению к плоскости трещины) по закону, определяемому этим равенством. При замене натурных двухосных испытаний эквивалентными одноосными достигается экономия материальных затрат при оценке и исследованиях одного и того же явления смешанных мод разрушения.

Способ поясняется чертежами (фиг.1 — 4) и осуществляется следующим образом, Используют плоский образец с симметрично расположенными относительно центрального надреза 1 (фиг.1) тремя парами отверстий 2 (фиг,1) для крепления захватов, Надрез располагается вдоль одной из осей симметрии образца. Образец закрепляется в S-образных захватах (фиг.2), имеющих по три крепежных отверстия 1 (фиг,2) и по 13 нагрузочных отверстий 2 (фиг.2). Исходя из заданных величины и соотношения номинальных напряжений при двухосном напря- 20 женном состоянии Д и д из заданного угла ориентации исходной трещины j3 рассматривают величину номинальных напряжений при эквивалентном одноосном растяжении Д,По этой величине напряже1 ний определяют величину и направление приложения нагрузки относительно плоскости ориентации исходного надреза (4 .Тем самым назначается первоначальная пара противоположных нагрузочных отверстий в

S-образных захватах, к которым через соответствующее приспособление прикладываются растягивающие усилия от испытательной установки (не показаны). К 35 образцу прикладывают циклическую одноосную нагрузку d изменяющуюся по рассчитанному закону, исходя из условия эквивалентности двухосному напряженному состоянию, За развитием трещины на- 40 блюдают в микроскоп. Этой изменяющейся циклической нагрузкой образец нагружают до тех пор, пока разность между двумя последовательHblми положениями вершины

I трещины на траектории ее развития а) и 45

3. — ) не будет определяться наперед заданным шагом по углу приложения нагрузки в S-образных захватах через соответствующие отверстия, т.е. разностью углов (а() а — ) ) между двумя последовательными направлениями приложения нагрузки, В тот момент времени, когда длина трещины а достигнет такой величины, что ( о 55

QI а — <) станет равным, допустим, 3, циклическое нагружение прекращают, образец вместе с S-образными захватами перемещают так, чтобы нагрузку можно было приложить к следующей соседней паре нагрузочных отверстий, Линия действия нагрузки в этом случае, проходящая через пару противоположных нагрузочных отверстий в S-образных захватах, будет ориентирована относительно плоскости исходного надреза в образце под углом а1 В этом положении опять образец нагружают циклической нагрузкой, изменяющейся в соответствии с законом эквивалентности двухосного и одноосного напряженных состояний, За развитием трещины наблюдают в микроскоп, последовательно фиксируя длину трещины и соответствующее ей число циклов нагружения, Таким образом, меняя пары отверстий для приложения нагрузки в

S-образных захватах в строгой последовательности в моменты времени, определяемые соответствующей длиной трещины, образец доводится до полного разрушения.

По результатам измерений в эксперименте строят зависимости длины трещины от числа циклов нагружения, которые в свою очередь перестраивают в диаграммы в координатах скорость роста трещины — коэффициент интенсивности напряжений, По линейным участкам этих диаграмм определяют экспериментальные константы, являющиеся характеристиками циклической трещиностойкости данного материала при двухосном номинальном напряженном состоянии. Величина шага по углу прило>кения нагрузки в S-образных захватах не должна превышать 3 в связи с тем, что в противном случае погрешность в расчете долговечности будет более 20% из-за грубого воспроизведения траектории роста трещины.

Пример. Требовалось реализовать условия двухосного растяжения с соотношением номинальных напряжений д = 0,5 и исходной ориентацией трещины /3 = 20 при одноосном растяжении. Заданная амплитуда наибольшей компоненты двухосных номинальных напряжений составляла д = 100 МПа, Рассчитывали параметры эквивалентного двухосному одноосного нагружения по следующим формулам: амплитуда эквивалентных одноосных напряжений угол прило>кения начальной нагрузки (соответствующий д )

Д -д)Д ц1+(1 — р д 2i 2 ((1 + iy ) + (1 — у ) cos 2 P ) + ((1 t rP) + (1 — ) cos 2 /) ) (2) 1805319 — 23+1,4

w — u

sin а

Кг

d а > a (SMa ice )n

Характер изменения амплитуды напряжений д по числу циклов нагружения, пол1 ученный в результате расчета по формуле (1), показан на фиг. 3, Расчетное значение

5 угла d составило 80 .

Для испытаний использовали образец с размерами 135 х 80 х 7 мм из сплава D16AT с боковым односторонним надрезом длиной 1=36 мм. Закрепляли его в S-образных захватах, которые в свою очередь фиксировали в гидрозахватах установки УРС вЂ” 20 и нагружали под первоначальным углом а, = 82 к плоскости ориентации исходного надреза. Образец нагружали монотонноиз- 15 меняющейся амплитудой напряжений д

3а развитием трещины наблюдали в бинокуля рн ый микроскоп М БС вЂ” 10 с 24-кратн ы м увеличением и замеряли соответствующее число циклов нагружения. Этот процесс 20 циклического нагружения осуществляли до тех пор, пока длина развивающейся трещи1 ны от надреза не стала равной а 1 величину которой рассчитывали по формуле исходя из заданного шага по углу приложения нагруэки (d< — d1 l— 1) = 3

al = al — > (cos (ul — а — 1 ) + sin (ul — u) — 1 ) 10(- - — и + м — а1 — 1 ) ) 30

В данном случае нагружение под углом г4 = 82 осуществляли до достижения трещиной длины а = 28 32 мм, После этого образец вместе с S-образными захватами переставляли в захватах установки УРС-20 35 таким образом, чтобы линия приложения нагрузки по отношению к плоскости ориентации исходного надреза в образце составляла уже 85 .Затем образец опять нагружали монотонноизменяющейся амплитудой напря- 40 жений по закону, с начальным значением напряжения соответствующим последнему значению д перед перестановкой образца, В этом положении образец разрушился при длине трещины а; = 32,7 мм до достижения 45 новой расчетной длины, определенной по формуле (3), необходимой для следующей перестановки захватов.

В процессе эксперимента замерялась длина трещины и соответствующее ей на- 50 копленное число циклов нагружения, Исходя из величины приложенной нагрузки F, соответствующей äl размеров образца и массива замеренных длин трещин рассчиTblBàëè значения коэффициентов интенсивности напряжений К> и К, необходимых для интерпретации результатов экспериментов

0,26 + 2,65

+ cosa — 1 — — 1+055 — 008()

wc W w — а w — и — 1 гга 1 — — 1 — 0,67 +2.08 ()

Г а а а

w1 W и — и w à

По отношению приращений длин трещин и соответствующих им приращений чисел циклов нагружения рассчитывали скорость роста трещины da/dN. Ей в соответствие ставились значения К> и К2, которые в совокупности образовывали диаграмму усталостного разрушения в координатах da/dN-S, где S — эквивалентное значение коэффициента интенсивности напряжений в случае смешанных мод разрушения 1 и 2

S = а 11К1 +2 <.12K1K2+ а 22К2 (4) где а 1) — упругие константы материала.

Линейный участок диаграммы усталостного разрушения, полученной экспериментально для сплава D16AT аппроксимировался уравнением где 5*м8к0,п — искомые параметры свойств трещиностойкости сплава D16AT в условиях, воспроизводящих смешанные моды двухосного растяжения при эквивалентном одноосном. Для данного материала они оказались равными n=1,773, S*= 0,1467 0,3 MPa P

Вид полученной экспериментально диаграммы усталостного разрушения в соответствии с предложенным способом показан на фиг. 4.

Предложенное техническое решение позволяет воспроизвести эффекты двухосности нагружения при изучении характеристик циклической трещиностойкости конструкционных материалов для смешанных мод разрушения при программном одноосном растяжении, Формула изобретения

Способ оценки сопротивления конструкционных материалов развитию трещин, заключающийся в том, что через пару противоположных отверстий в S-образных захватах к исследуемому образцу с трещиной прикладывают одноосную нагрузку под фиксированным углом к плоскости ориентации исходного надреза и регистрируют приращение длины трещины по числу циклов

1805319

Об И/сс(. 07W

a /= O, èá

С = 0,6OW/ = олой/

Д = 0,/5W нагружения до полного разрушения образца, а о сопротивлении материала развитию трещин судят по зависимости скорости роста трещин от размаха эквивалентного коэффициента интенсивности напряжения, отл и- 5 ч а ю шийся тем, что, с целью повышения информативности за счет воспроизведения эквивалентных двухосному нагружению коэффициентов интенсивности напряжений при одноосном нагружении, одноосное на- 10 гружение осуществляют с монотонным изменением напряжений О) по закону: где (т — заданные напряжений при двухосном нагружении вдоль одной из осей симметрии; 20 д — соотношение двухосных номинальных напряжений;

P — заданный угол приложения компоненты двухосных напряжений о относительно плоскости ориентации исходного надреза (трещи н ы), при этом начальную нагрузку прикладывают под углом к плоскости ориентации исходного надреза, определяемым соотношением 9 24>— !+ + 1 — > cos2 з!д2 ((! + )7 ) + (1 !7) cos 2 p ) + ((1 + q ) + (! — tf ) c os 2 /3 ) до достижения длины трещины ai, равной (=1((al и — 1)sin(а(- — ><)!!!(+ ° Q yQ ) )) где ai-< — длина надреза или трещины на

1 предыдущем этапе, ориентированных пор углом а

0 — угол, определяющий дальнейший рост трещины в зависимости от ее ориентации под углом а

1 а — a -); — угол между двумя последовательными направлениями приложения нагрузки, после чего нагрузку прикладывают в направлении, отстоящем от предыдущего на угол, не превышающий Зо, и повторяют цикл изменения величины и направления нагрузки до полного разрушения образца, 1805319

1 ХС3

9. 00 а.00 —..

1. J 3 - - T7 . T " - = ; T I" " т- - - W - - -; - » 7H) г 4.) 60 BQ 100 уело::t поклона t ðещины и

Ф й

».Ga -„

Ю

06 М/

0<5vl

1805319

5 00 --

1.20 1.4-0 1.6С, i ..Л(.. 3(.,20 2 коэффициент интенслвно,тн напр аений

ФИГ. 4

Редактор

Заказ 935 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, ул.Гагарина, 101

-1.00

Ф

Ф

Э"

«лФ Ф

-< ryr 1 11 т т 1т тттпт1тт! т тп

1 7 > .40 "aQ 28) Составитель В.Шлянников

Техред М,Моргентал Коррзктор Н.Ревская