Способ определения трещиностойкости материалов

Способ определения трещиностойкости материалов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к испытательнрй технике и может быть использовано для Изобретение относится к испытательной технике. Целью испытаний является четкая регистрация момента страгивания трещины. Координаты точки, соответствующей этому моменту, на диаграмме Р - v являются расчетными для последующего определения параметров трещиностойкости. При испытаниях получаются диаграммы Р - v трех типов. Диаграммы 1-го и II-го типов получаопределения трещиностойкости материалов .,Цель изобретения - повышение точности определения трещиностойкости. Используют образец с надрезом. Первоначально рассчитывают удельную мощность qv тепла, выделяемого возникающей в процессе нагружения образца пластической зоной в устье надреза. Определяют скорость нагружения по формуле v (qv ДРо)/( АТ«О р), где ДТ - точность прибора, измеряющего температуру; Сирсоответственно удельная теплоемкость и плотность материала образца; ДРо - задаваемая максимальная погрешность измерения нагрузки . Растягивают образец с постоянной скоростью нагружения v до разрушения. В процессе нагружения непрерывно измеряют нагрузку на образец, температуру в устье надреза и строят график зависимости на- . грузки от температуры. По условию в точке перегиба кривой на графике определяют величину усилия в момент страгивания трещины , которую используют для расчета характеристик трещиностойкости материалов . 4 ил. ются при практически хрупком (упругом) разрушении и имеют характерный излом в момент страгивания трещин. Диаграмма III- го типа характеризует упруговязкое или вязкое разрушение, при котором в вершине трещины образуется достаточно протяженная пластическая зона. На этих диаграммах для определения PQ - нагрузки, соответствующей моменту страгивания трещины,. проводят, секущую под углом, тангенс котоt/ С оо ю о го VI со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 Й 3/00

ГОСУДАРСТВЕН ЮЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4805665/28 (22) 21.03.90 (46) 07.06.93. Бюл. М 21 (71) Новосибирский электротехнический институт (72) Г.А.Куриленко и А.Б.Пшеничный (56) Пашков Ю.И., Моношков А.Н, Совершенствование методов оценки трещиностойкости пластичных листовых материалов. Завод. лаб., 1985, N. 2, с.66-96.

Авторское свидетельство СССР

М 135970, кл. G 01 N 3/00, 1986.

Микляев П.Г. и др..Кинетика разрушения, M. Металлургия, 1979; с.66-68.

Хеллэн К., Введение в механику разрушения. Мир„1988, с.181-186.

Куриленко Г.А. и др. Обратная задача об источнике тепла применительно к испытаниям материалов на трещиностойкость. В сб. Динамика. судовых механизмов и.систем с упругими звеньями. Новосибирск: Изд.

НИИВТ, 1982, с.56-59. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к испытатель- нрй технике N может быть. использовано для

Изобретение относится к испытательной технике.

Целью испытаний является четкая регистрация момента страгивания трещины. Координаты точки, соответствующей этому моменту, на диаграмме P — ч являются расчетными для последующего определения параметров трещиностойкости. При испытаниях получаются диаграммы P — ч трехтипов, Диаграммы 1-го и II-го типов получа 5U 1820278 А1 определения трещиностойкости материалов..Цель изобретения — повышение точности определения трещиностой кости.

Используют образец с надрезом. Первоначально рассчитывают удельную мощность о» тепла, выделяемого возникающей в процессе нагружения образца пластической зоной в устье надреза. Определяют скорость нагружения по формуле ч - (q»

ЬРО)/(ЬТ С р), где ЬТ вЂ” точность прибора, измеряющего температуоу; С и р — соответственно удельная теплоемкость и плотность материала образца; ЬРΠ—. задаваемая максимальная погрешность измерения нагрузки. Растягивают образец с постоянной скоростью нагружения ч до разрушения. В процессе нагружения непрерывно измеряют нагрузку на образец, температуру в устье надреза и строят график зависимости нагрузки от температуры. По условию в точке перегиба кривой на графике определяют величину усилия в момент страгивания трещины, которую используют для расчета характеристик трещиностойкости материалов. 4 ил. ются при практически хрупком (упругом) разрушении и имеют характерный излом в момент страгивания трещин. Диаграмма 1Иго типа характеризует упруговязкое или вязкое разрушение, при котором в вершине трещины образуется достаточно протяженная пластическая зона. На этих диаграммах для. определения Pa — нагрузки, соответствующей моменту страгивания трещины,. проводят секущую под углом, тангенс кото1820278 рого на 5 меньше тангенса угла наклона касательной к начальномулинейномуучастку диаграммы. Определяют ординату Ро точки пересечения секущей и диаграммы

Р-v. flo величине Ро определяют затем характеристику трещи ностойкости материалов.

Целью изобретения является повышение точности определения момента страгивания трещин.

Цель достигается тем, что по способу определения трещиностойкости материалов, заключающемуся в том, что образец с надрезом подвергают статическому растяжению до разрушения с постоянной скоростью нагружения, непрерывно измеряют нагрузку на образец, определяют момент страгивания трещийы и нагрузку в этот момент, которую испольэуютдля расчета параметров трещиностойкости, йри этом предварительно определяет удельную мощность. gv тепла, выделяемого возникающей пластичвской зоной в устье надреза, на испытываемом образце непрерывно изме: ряют температуру в устье йадреза, скорость нагружения задают исходя из соотношения

v= .„(1) где hT — точность прибора. измеряющего температуру;

С M р — удельная -теплоемкость и плотность образца;

hPa — задаваемая максимальная по. грешность измерения нагрузки,. строят график зависимости нагрузки от температуры, а усилие в момейт страгивания трещины определяют по.усилию в точке перегиба кривой на графике.

Иа фиг.1 приведена функциональная схема: устоойства,.реализующего предлага,емый способ; на фиг.2 — образец для испытаний;.на фиг.3- совмещенная диаграмма Р— v (1) и Р— -hT (31), построенные для одного . из испытанных образцов, где ЬТ -. изменение температуры в устье надрез (с учетом предварительно на нанесенной усталостной трещиной); v - смещение берегов над.реза;: на фиг.4 показаны те же диаграммы для образца с острыми пропилами от. вершины надреза.

Устройство (фиг.1) содержит подвижный (верхний) 1 и неподвижный (нижний) 2 зажимы испытательной машины 3 для установки испьпуемого образца 4(фиг.2). Тепловиэор 5 предназначен для измерения температуры в устье надреза образца 4, Выход тепловизора 5 подключен к входу Х двухкоординатного самописца 6, вход У которого связан с датчиком 7 омического сопротивления, используемым для измерения нагрузки, Р, действующей на образец 4.

Способ осуществляется следующим образом.

5 Первоначально рассчитывают удельную мощность qv тепла, выделяемого возникаю.щей в процессе нагружения образца пластической зоной в устье надреза в момент страгивания трещины по методике Я. Опре10 деляют скорость нагружения образца по формуле (1).

Уравнение теплопроводности т С.

1- > где а — коэффициент температуропровод- . н ости 2, V — оператор Лапласа; остальные обозначения использовались ранее при описании кинетики температуры на

20 поверхности источника тепла Qv. упрощается

Т qv

С ре (3)

В конечно-разностной форме

25 Я q„

"р .. (4)

Из выражения (4) можно определить минимальное время, необходимое для "проявления" на поверхности образца темпера30 туры ЛТ, равной точности прибора, измеряющего температуру лт ср

Задаемся максимально допустимой ве-личиной ошибки.(д ) в расчете величины

PQ, тогда максимальная погрешность определения

Ра -gg . -(6)

Pa д

Учитывая постоянство скорости нагружения при испытаниях, выразим время, не обходимоедля фиксации APE;

Na=р- APa ..P) с

Условием для того, чтобы эа время fata прибор с точностью измерения температуры ЬТ среагировал на изменение нагрузки, является выражение

50 - .. Жо> ATMO., (8)

Из соотношения .

Рс

v мй т с.учетом выражений (5), (7), (8) получается

55 формула(1), Скорость нагружения Ч образца 4; определенную из соотношения (1), задают после, включения разрывной машины 3 как скорость перемещения верхнего зажима 1. Производят статическое растяжение с

1820278 постоянной скоростью нагружения Yдораз- . номинальное разрушающее напряжение IIo. рушения образца с надрезом, В процессе ослабленномусечениюобраэца о<о пофорнэгружения непрерывно измеряют нагрузку . муле

Р на образец 4 и температуру Т в устье c7gp Pp/(Ü вЂ” 2I)t (11) надреза. строят график зависимости нагруз- 5 если д» < 0,8аЬ.г аь,2(— условный предел ки от температуры. Нагрузку Р измеРяют текучести),вычйсляюткритическийКИНдля датчиком 7 омичесяого сопротивления, ус- образца данной толщины по формуле

;тановленным в системе нагружения испыта-, тельной машины 3. Датчик.7. имеет К»т- роу*1/tff (12) линейную характеристику в рабочем диапа- 10 где зоне нагрузки. Температуру Т в устье.надреза а испыТуем м обРэзгце 4 Р д ляют FfpH У*1 - 0,380 (1 + 2,388 (21 /Ь) + 2,439 (21/I») }; помощи..прибора, бвсконтактно измеряющего,температуру, - тепловизора 6, настро- I, - I+ 1/3,9 д(КО/,ф еймого в эту точку через овтический визир. 15 и К - критический КИН для образца данной . - . ДлЯ поСтРоений ГРэфика ЗависимоСт" "а . толщины при максимальной нагрузке: грузки от температуры информация с датчика 7 нагрузки Р и тепловизора 5 в процессе Kc - Р у1*/t Я (13) испытаний постояннопоступаетсоответст- Все полученные величины заносят в венно на.входы- Y è X двухкоординатного 20 протокол испытаний и используютдля оцен- . самописца 6 (планшетного типа), ко орый ки технологии изготовления, обработки мевыдает в рвзультагв машинную диагР®ммУ вЂ” таллов и сплавов, обоснования их выбора

Р -ЬТ {фиг.З, П), где P — нагрузка, Действую- для машин и конструкций, расчетов на прочц ая нэ образец 4 в процессе растяжения до ность с учетом их дефектности. рээгруаения; Т вЂ”.. изменение температуры в 25 Изобретение иллюстрируется следуюустье надреэа образца 4. - : I! t ee ПРимеРом. Рассмотрим определение

На:графике зависимости. нагрузки от . трещиностойкости стали 20- материала, ис- температуры Р—. ЬТ стначЬлтв наблюдается - пол ьзуемого для изготовления труб и харакнебольшое снижение температуры на вели-: теризуемого вязким разрушением чину порядка 0.15-0,2яС (эФфект Томсона),. 30 (диаграмма III-го типа). Образцы материала затем. начийается процесс интенсивйогго -представлялисобой прямоугольные пласти пластическогодеформирования в устье над= ны из стали 20 толщийой t = 9 мм (реальная.

Резал котоРый совпадает с моментом. стРа- толщина стенки тРУбы) и шиРиной Ь-50 мм. гивэния .трещины. Кривая на графике Перед испытаниями на образцах изготавлизавиеимости нагрузки от .температуры- в 35 вали центральный надрез шириной 24 14

- этом месте имеет перегиб, усилие в момент мм, Предварительно перед испытаниями страгивания трещины.определяют «Y - . определялась удельная мощность gv тепла, we в точке перегиба кривой, ардинэта пе- выделяемого. возникающей. пластической региба принимается равной величине Р0 зоной в ртье надреза по методике 5J: IIY: rIp значению PQ определяют характертисти- 40 -8;б 10 Вт/мз, По формуле(1) рассчитываки трещиностойкооти материала, по кото- лась скорость нагружения Ч.

: рым судят о трещиностойкости мэтеРиэла: исходные данные для расчета скорости наKQ — расчетная величина коэффициента ин- гружения: ЬТ 0,1ОС вЂ” чувствительность тенсивности напряжений материала: прибора, измерявшего температуру (тепло;45 визора Рубин-МТ")в эксперименте; С-662

Kp Pp Гггт Ь, . fgj дж/кг К вЂ” удельная теплоемкость стали 20; гдеУз -0380(1+ 2308 (2I/Ь)+2439 (2I/ -) р - 78 10 кг/мз — плотность стали 20,"Рс — толщина образца; Ь вЂ” ширина образ-. -100 кН вЂ” предполагаемое (по оценочному ца: I — полудлина пропила образца. пРичем расчету или справочным данным) значение в расчете используют также Разрушающую, 50 максимальной нагрузки; Ро - 50 кН вЂ” преднагрузку Рс, которая соответствует ордина- . полагаемое значение Расчетной нагрузки, те практически горизонтального участка ин- соответствующей моменту страгивания третенсивного росте температуры диаграммы щины; д- 1 — зададимся такой величиной:.::

1 -ЬТ (фиг 3). Таким образом определяют максимальной погрешности при определехарактеристики. трещиностойкости: умыслов- 55. нии Ра при этих значениях.по формуле (10) ный критический коэффициент интенсивно- 50.1 сти напряжений (КИН) материала Кс* по, Q 100 -формуле При вязком и упруговязком Разрушении

Кс* Pc >/t » ° (10) можносчитэть.чтоприобразовании nIIacw-

18202У8 ческой зоны в устье трещины как бы дейст- венную экономию времени при подготовке вует источник тепла, потому что большая . образцовкиспытаниям.Прииспцтанияхтачасть энергии при пластическом деформи- кихобразцовдиаграмма Р-AT качественно ровании переходит в тепло. сохраняет свой вид и, следовательно, позвоПри этих исходных данных скорость на- 5 ляет рассчитать характеристики трещиногружения образцах стойкости, а диаграмма Р— ч получается а,б "105 0,5 непригодной для обработки (см. фиг.4). По083 «Н/с этому на части образцов были нанесены предварительные усталостные трещины чтосоответствУе д а азонускоростей. Ре 10 (этиобразцы помечены+и я нихm актеристики трещиностойкости рассчитывались комендуемых в прототипе.

Затем подготовленный а им >бРазо обоимиспособэми),внадругойчастиобраз образец устанавливали в зажимы испыта- цов вместо устэлостных трещин делались тельной разрывной машины УГ-20 и под- тонкие острые надрезы (пропилы), у этих . sePraли однокРатномУ статическомУ. >5 образцов характеристики трещиностойкорастяжению до разрушен я со скоростью сти определялись только предлагаемым. нагРУжения Ч - 0,83 кН/с. способом

ВпроцессеиспытанийнепреРыв о он- нефиг,зприведенысовмеМенныедиаг тролировалась а РУзка Р,дейстэующаЯ на раммы р () и Р Т ® образец, ДлЯ этого использовали датчик 20 об эзцовсна ощенной о омического сопротивления; установлен о „ои а .на ф„„4 я об о разцов с нарощенной усталостной трещиной, а на фиг.4 — для образца с острым в системе на Руже иЯ ис ы а bHo . надрезом(длядругихиспытанныхобразцов шины, Одновременно в устье надреза не- эти диаграммы имеют аналогичный вид). реРывно (бесконтактнО) контРолиРовали Анализи я зти иаг аммы не б итемпеРатУРУ Т при помощи теплов зоре" РУ- 25 мо отметить следующее бин-MT". Информацию об изменении на- Д™иа раммы Р „ при о грузки Р и температуры Т выводили на та ха акте истик е ос иаграммы Р— Т пригодны для расчедвухкоординатный самописец "Endtrn

620.02", который в процессе испытаний вывисимо от того, имеют ли они черчивал диаграмму P — AT (фиг.3, И). Диаги л д 30 трещины или тонкие острые надрезы.

Характерные точки диаграмм P-AT коркоторого обозначали Pa — зто усилие, соответствующее моменту страгивания трещирелируют с расчетными точками диаграмм Р ны. Величину разрушающей нагрузки Рс нымит е Pèами а Ре — v для образцов с нарощенными усталостными трещинами, а именно ординатэ точки определяли как ординату практически гори 35 перегиба кривой Р -AT соответствует ордизонтального участка диаграммы Р -ЛТ. Характеристики трещиностой кости определяли по формулам (9) — (13), По по. лученным данным можно судить о трещиноДля проверки корректности предлагаемого способа полученные характеристики

Далее была проведена статистическая трещиностойкости сопоставлялись с соотобработка определена достоверность и рассчитаны среднеквадратические ошибки ными по способу-прототипу. Для этого при о полученных по обоим способам оп еделеиспытаниях,. наряду с диаграммами Р-ЬТ строились диаграммы Р— ч, предусмотрен- Р о хэ РактеРистики рая показала, что хэракте истики, рассчитанные по предлагаемому способ ные при работе по способу-прототипу, на (по диаграмме P — ЬТ) лежат кучнее, э следокотарых расчетные точки Q определялись. проведением 5 -ной секущей. Здесь необ- 50 вательно, точность их определения более ходимо отметить следующее. Было замечеспособу совсем не обязательно при техно возможность при подготовке обРэзцов к ислогической подготовке образцов наносить заменить РудоемкийпРоцесСна пытаниям заменить т доемкий и о есс на предварительные усталостные трещины от ращивания усталостной т ещины и остым вершины инициирующего надреза, которые способе-прототипе. Зти усталостные тре- опРеделениЯ тРещиностойкости материанадрезами (пропилами), что дает сущест- о сРавнен ю со способом-прототипом:

1820278

10 вать при испытаниях материалов с вязким разрушением (диаграммы P — v III-го типа) момент страгивания трещины, по которому 5

25 строить при работе по предлагаемому способу, имеет четкий перегиб в точке, соответ- 35 ствующей моменту страгивания трещины.

Ордината,точки излома соответствует расон позволяет точнее, а вернее, с заданной (регламентированной) точностью фиксирозатем рассчитываются параметры трещиностойкости. Для этого необходимо предварительно определить удельную мощность qv тепла, выделяемого возникающей пластической зоной в.устье надреза в образце, что дает воэможность рассчитать скорость нагружения в зависимости от требуемой точности определения характеристик трещиностойкости, задавая Pa — максимальную погрешность измерения нагрузки, hT — точность прибора, измеряющего температуру.

Предлагаемый способ имеет ясную физическую интерпретацию при разделении физической и геометрической нелинейностей на диаграмме P — v, Как было сказано выше, момент страгивания трещины обуславливается только геометрической нелинейностью и происходит непосредственно перед началом процесса интенсивного пластического деформирования материалов в вершине трещины, а возникающая при этом проблема отделения физической нелинейности во всех известных способах решается с большой долей произвола. Предлагаемый способ позволяет эту проблему решить корректно и с наперед задаваемой точностью.

Диаграмма P-Ь Т, которую необходимо четной нагрузке Ро. Это подтвердилось проведенными экспериментами и сопоставлением полученных характеристик трещиностойкости с соответствующими характеристиками, определенными по способу-прототипу.

Кроме того, предлагаемый способ позволяет существенно уменьшить время (в

100 раз) на испытания за счет замены длительного и трудоемкого процесса наращи40

45 вания усталостной трещины достаточно простым процессом нанесения острых надрезов.

Предлагаемый способ опробовался при исследбваниях трещиностойкости тонкостенных труб, предназначенных для трубопроводов газлифтных систем добычи нефти и обустройства газовых месторождений. Полученные экспериментальные результаты дают основание считать, что при широком практическом использовании предлагаемого способа исследования трещиностойкости материалов можно с высокой точностью и производительностью определить необходимые -характеристики трещиностойкости материалов.

Формула изобретения

Способ определения трещиностойкости материалов, по которому образец с надрезом подвергают статическому растяжению до разрушения с постоянной скоростью нагружения, непрерывно измеряют нагрузку на образец, определяют момент страгивания трещины и нагрузку в этот момент, которую используют для расчета параметров трещиностойкости, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что, с целью повышения точности; предварительно определяют удельную мощность q< тепла, выделяемого возникающей пластической зоной в устье надреза, на испытуемом образце непрерывно измеряют температуру в устье надреза, скорость v нагружения задают исходя иэ соотношения

„ а Юа ч д.- - —, гдеЬ Т вЂ” точность прибора, измеряющего температуру;

С и р — удельная теплоемкость и плотность образца;

Pg - задаваемая максимальная погрешность измерения нагрузки, строят график зависимости нагрузки от температуры, а усилие в момент страгивания трещины определяют по усилию в точке перегиба кривой на графике.

1820278.

"Фж.1.

/s gas У, 4ни

В Ys j- 47 .

1820278

Фиг.4.

Редактор

Заказ 2026 . 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

Ж ф бФ

dTP

oZ . pp gg g8 Ið gг уу О

Составитель Г.Куриленко

Техред М.Моргентал Корректор А.Козориэ