Способ определения усталостной поврежденности материала
Изобретение относится к механическим испытаниям, к способам определения усталостной поврежденности материала. Цель изобретения - повышение точности за счет повышения чувствительности определения показателя поврежденности до образования усталостных трещин. Образцы материала с различной циклической наработкой разрушают статически. Определяют в качестве характеристики остаточной прочности деформацию на ниспадающем участке диаграммы растяжения при уровне истинного напряжения, равном уровню циклического нагружения. 3 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 N 3/32
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
-К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
6 (21) 4720324/28 (22) 18.07.89 (46) 07.07.91. Бюл. N. 25 (71) Киевский политехнический институт им.50-летия Великой Октябрьской социалистической революции .(72) В.П.Байков и Г.П.Христов (53) 620.178 (088.8) (56) Школьник Л;М, Методика усталостных испытаний.- М.:. Металлургия, 1978, с.33—
39. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСТАЛОСТНОЙ ПОВРЕЖДЕННОСТИ МАТЕРИАЛА
Изобретение относится к механическим испытаниям, к способам определения усталостной поврежденности материала.
Цель изобретения — повышение точности за счет пОвышения чувствительности определения показателя поврежденности до образования усталостных трещин.
На фиг.1 показаны кривые деформирования предварительно нагруженных образцов; на фиг.2 — диаграммы, пересчитанные в истинные напряжения— логарифмические, деформации; на фиг.3— зависимость поврежденности от числа циклов нагружения.
Устройство для реализации способа представляет собой испытательную машину для циклического и статического нагружений, снабженную средствами регистрации кривой нагружения.
Способ реализуется следующим образом.
Образцы материала с различной наработкой нагружают статически, определяют. Ж 1661621 А1 (57) Изобретение относится к механическим испытаниям, к способам определения усталостной. поврежденности материала; Цель изобретения — повышение точности за счет повышения чувствительности определения показателя поврежденности до образования усталостных трещин. Образцы материала с различной,циклической наработкой разрушают статически. Определяют в качестве характеристики остаточной прочности деформацию на ниспадающем участке диаграммы растяжения при уровне истинного напряжения, равном уровню циклического нагружения. 3 ил. деформацию в шейке образца на ниспадающем участке диаграммы при уровне истинных напряжений, равном уровню циклического нагружения. По изменению этой деформации судят об усталостной поврежденности, по которой определяют остаточную долговечность материала конструкции. 0
Пример, Испытывают образцц из О»» алюминиевого сплава AIMnC, вырезанные в из пластины толщиной 10 мм. Диаметр О»» образцов dp- 2 мм и длина рабочей части
Ip=5 мм. Нагружение мягкое. циклическое. пульсирующее на трех уровнях максимальных напряжений сЪахк, равных соответственно 130(К=1), 98 (К=2) и 71 (К=З) МПа. В Ф состоянии поставки (начальном сосгоянии) этот материал имеет следующие значения стандартных механических характеристик: предел прочности ав=150 МПа, относительное удлинение пятикратного образца д5= 20 Его диаграмма деформирования
a (e ) с ниспадающим участком В С1Д1, ос1661621
35 для —
-1 (6) откуда с учетом (5) 50 о)уст12=1 ехР{е!р12 eip1) 55 реднения по результатам испытаний восьми образцов, проведенных в соответствии со способом, изображена на фиг,1 (кривая
1).
Первую партию образцов (5 шт.) подвергают предварительному циклическому нагружению Umax1= 130 МПа до l)11= 2500 циклов нагружения, Вторую партию (также
5 шт) подвергают такому же нагружению до п12=5000 циклов. Для этих двух партий образцов строят диаграммы деформирования с ниспадающими участками U(e), которые изображены на фиг.1, причем осредненная по пяти реализациям кривая 2 относится к первой партии, а кривая 3 — ко второй. Как видно из фиг.1, предварительное циклическое нагружение образцов уменьшает их деформационный ресурс.
Параллельно построению этих диаграмм фиксируют размер минимального поперечного сечения шейки растягиваемых образцов и строят экспериментальные зависимости относительного сужения фот я)которые для всех образцов лежат примерно на одной кривой ф(е) (фиг.1). Затем по известным ниспадающим участкам
В1С101)В2С2Р2 и ВзСз0з диаграмм
U(е ) определяют статистическую поврежденность материала в минимальных поперечныхх сечениях образцов. развивающуюся вследствие статического растяжения; г))„(е) = (о — U(i.))
N бтр — диаметр центральной трещины 8 минимальном поперечном сечении разорванного образца, который можно принять равным размеру чашечки в изломе
dy, — конечный наружный диаметр этого сечения.
С учетом этой поврежденности определяют степень деформации или логарифмическую деформацию для элемента материала, выделенного в минимальном поперечном сечении образца: е п (e) = In — — -.т- <- п
1 (3) и находят истинные напряжения
S (я ) = о (е ) ехр (еь (к ) ), (4)
По формулам (3) и {4) осуществляют пересчет условных диаграмм U(r,) в истинные $(еь). На фиг.2 цифрами 1,2 и 3 обозначены диаграммы S(eia), соответствующйе диаграммам U(я) фиг,1. По этим диаграммам определяют величины пре5 дельных деформаций. соответствующих статическому разрушению предварительно циклически нагруженного материала. Для первой партии образцов, циклически нагруженных до п11=2500 циклов на уровне мак10 симальных напряжений опух равных
130 МПа, величина предельной деформации определяется абсциссой точки L2 на ниспадающем участке С2К2 диаграммы $(е )т) (фиг.2, кривая 2), а для второй партии образцов Umax1= 130 МПа, п12= 5000 циклов)— абсциссой точки Q на ниспадающем участке СзКздиаграммы $(еъ)(фиг.2, кривая 3). По сути абсциссы этих точек, равные eip11и eip12 (фиг.2), характеризуют деформационный ресурс материала после циклической наработ-. ки до п11 и п12 циклов нагружения на рассматриваемом уровне напряжений. Затем
ВЕЛИЧИНЫ eipl1 И elp12 СОПОСтаВЛЯЮт С ВЕЛИЧИ-. ной предельной деформации материала в состоянии поставки, которая определяется абсциссой точки L1 на ниспадающем участке диаграммы S(ein), равной epi1(фиг.2, кривая 1).
Сопоставление показывает, что предварительное циклирование образца до п11 циклов вызывает выработку деформационного ресУРса на величинУ (е р1 — е р11). УказаннаЯ выработка оценивается логарифмической мерой усталостной поврежденности
И/уст11=Е;р1-Е р11, (5) которая связана с соответствующей скалярНОй МЕРОЙ О>«т11 ЗаВИСИМОСтЬЮ гт)уст11=1-ехР(е р11-е р1). .(7) Предварительное циклирование образца до п12 циклов вызывает уменьшение деформационного ресурса на величину (е р1-elp12). Тогда в соответствии с формулой (7) Таким образом, получены два значения
УСтаЛОСтНОй ПОВРЕжДЕННОСтИ с,11 И
Вуст12 ДЛЯ ДВУХ ЧИСЕЛ ЦИКЛОВ ПРЕДВаРИтЕЛЬного нагружения при п11 и п12 для заданного уровня Umax1= 130 МПа; На основании полученной информации на плоскости
1661621 иуст1J — n 1J по трем точкам (0;0)
Иуст 11, и 11 И Иуст 12, и 12 CTPOAT.КРИВУЮ которая однозначно аппроксимируется степенной зависимостью
®ycr 1J =(Х1 AIJ, (9) Иуст1 = 1 — ЕХР (— Е р1)
Зф ("0) 40
Таким образом, как только величина накопленных усталостных повреждений достигнет критического значения, произойдет усталостное разрушение материала. Число циклов нагружения при этом и будет опрегде а1 и /1 — параметры, определяемые по значениЯм пЦ и иуст 1J в точках 1 и 2 (фиг.З). Таким образом находится закон на- ® копления усталостных повреждений в зависимости от числа циклов нагружения.
В пределе, когда число циклов нагружения достигает величины М1, т.е. циклов разрушения на данном уровне напряжений, диаграмма деформирования для элемента материала полностью вырождается. Гипотетически она будет иметь вид, представленный на фиг.2 кривой 4. Ниспадающая ветвь K4L4 при этом никак не реализуется, 20 поскольку разрушение элемента материала происходит в точке 4.
Следовательно, для состояния усталостного разрушения элемента материала характерна полная выработка .всего 25 деформационного ресурса материала на данном конкретном уровне напряжений (отрезок L4L1. фиг.2). Поскольку абсцисса точки
О практически равна 0 (состояние L4 характеризуется упругими или малыми упруго- 30 пластическими ДефоРмаЦиЯми), то eip14-=0.
Тогда критическая величина усталостной поврежден ности на рассматриваемом уровне напряжений. соответствующая полному усталостному разрушению элемента мате- 35 риала, в соответствии с выражением (7) составит: делятb д оOIл1rгоoвaеeч нHоoсcтriь, т.е. при
Wycrj= Иуст1 Пц = N1. ИЗ ЗаКОНа НаКОПЛЕНИя усталостных повреждений (9) определяют долговечность: (cr1 ) 1ф
Q1
Для рассматриваемого примера (фиг.1,2 и 3) eip-3.63, eip11=3,4, eip12=3,0. В соответствии с (10) (7) и (8) ист1= 0,973, Иуст11= 0,205, Иуст12= 0,467. В соответствии с (9) и координатами точек 1 и 2 (фиг.3) а1=1,887 10, В1= 1,188. Тогда N 1=9260 циклов. Контрольные испытания пяти образцов, проведенные в том же режиме по классической схеме, показали долговечность й1 пределах от 7000 до 10500 циклов.
На двух других уровнях максимальных
НаПРЯжЕНИй Формула изобретения Способ определения усталостной поврежденности материала, заключающийся в том, что партию образцов циклически нагружают с различной наработкой, а в качестве показателя поврежденности определяют характеристику остаточной статистической прочности материала, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности за счет повышения чувствительности определения показателя поврежденности до образования усталостных трещин, в качестве характеристики остаточной прочности определяют значение деформации в обЛасти шейки .образца на ниспадающем участке статической диаграммы нагружения при уровне истинного напряжения, равном уровню истинного напряжения при циклическом нагружении., 1661621 15D па и ss> аг Риз. 1 $МРа кунак ЛЮ 1661621 Редактор Н Гулько Заказ 2118 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Рэушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 >jeep mf NjeegZ ЛЮО МЯ nay Ю Р Ю Составитель Д.Поспелов Техред М.Моргентал Корректор Э.Лончакова
