Способ определения предельного состояния материала при испытаниях на малоцикловую усталость

 

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств конструкционных материалов, в частности к механическим испытаниям на усталостную прочность. Целью изобретения является повышение точности определения предельного состояния материала по зарождению трещин при испытаниях на малоцикловую усталость. Цель изобретения достигается благодаря тому, что приостановку испытаний для нахождения предельного состояния осуществляет на фазе растяжения, когда нагрузка достигает своего максимального значения, при этом измеряют раскрытие берегов трещины вдоль ее траектории, определяют среднее значение раскрытия берегов по приведенному соотношению. Такие измерения производят как минимум дважды при различных количествах циклов нагружения. По результатам измерения строится график изменения среднего раскрытия трещины от количества циклов, экстраполируя его на нулевое значение раскрытия определяют количество циклов нагружения соответствующее предельному состоянию материала по зарождению трещин. Положительный эффект состоит в повышении уровня оценки надежности конструкции, особенно в части определения стойкости против трещинообразования в областях конструктивных и технологических концентраторов. 2 ил, 2 табл.

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств конструкционных материалов, в частности к механическим испытаниям на усталостную прочность.

Известен наиболее близкий к предлагаемому, принятый за прототип, способ определения предельного состояния материала по зарождению трещины в процессе испытаний на малоцикловую усталость, при котором измеряют во время приостановки нагружения длину появившейся трещины, считая предельное состояние достигнутым, если длина трещины составляет 0,5-2,0 мм.

Недостатком известного способа является его невысокая точность, вызванная тем, что: - во-первых, из-за некорректного выбора критерия предельного состояния - трещина указанных выше размеров - последняя, находится на стадии распределения, а не зарождения; - во-вторых, невозможно точно измерить длину трещины, так как с поверхности она представляет собой щелевую полость с ассимптотически сходящимися краями; - в третьих, допускаемый в качестве порогового значения диапазон длин трещин не позволяет отличить методический разброс измерений от разброса, присущего испытуемому материалу; - в четвертых, появление нескольких трещин вместо одной магистральной трещины еще более затрудняет определение предельного состояния по указанному критерию.

К недостаткам известного способа следует также отнести необходимость многократных остановок при испытаний для доращивания трещины до критериальных значений, а также неоправданный перерасход образцов из-за излишнего набора циклов нагружения, вызывающих появление трещины, превышающей по величине критериальное значение.

Целью изобретения является повышение точности определения предельного состояния материала по зарождению трещины при испытаниях на малоцикловую усталость.

Цель изобретения достигается благодаря тому, что приостановку испытания для нахождения предельного состояния при малоцикловых испытаниях осуществляют на фазе растяжения, когда нагрузка достигает своего максимального значения. Измеряют при этом раскрытие берегов трещины (трещин), видимых на поверхности.

После проведения измерений процесс нагружения возобновляют и проводят (0,1-0,5) N циклов (N - количество циклов до первого измерения), после этого проводят повторные измерения раскрытия берегов трещин.

По результатам измерения строится график зависимости раскрытия берегов трещин от числа циклов нагружения. Экстраполируя график на нулевое значение раскрытия, определяют количество циклов нагружения, соответствующее предельному состоянию материала по зарождению трещин.

Измерения раскрытия берегов трещин (Ci) выполняют многократно вдоль траектории распространения (например в концентраторе) с шагом между соседними измерениями, равным 0,125 мм, определяя затем среднее раскрытие берегов ( и доверительный интервал по соотношениям = , (1) = , (2) где С_i - результат отдельного замера вдоль трещины, при этом C_i = 0 если видимой трещины нет в точке замера или ее раскрытие ниже порога точности измерения; n - общее количество измерений; t _{α, n} - коэффициент стьюдента, t_α,n=2,0;
S_n - средняя квадратичная ошибка
S_n = ;
α - доверительная вероятность, α = 0,95.

Используя микроскоп с увеличением Х400 возможно измерение раскрытия берегов трещин порядка 0,001 мм. Последним определяется величина шага измерений, т.к. при этом все трещины на поверхности образца с раскрытием, равным порогу точности, попадают в узлы сетки. Точность определения предельного состояния повышается во-первых из-за того, что оно не связано с наличием трещин какого-то произвольного размера (длины или раскрытия), во-вторых нет необходимости измерения длин трещин, в третьих удается отличить методический разброс при измерениях, связанный с погрешностью применяемого микроскопа от разброса присущего конкретному испытуемому материалу, в четвертых наличие нескольких трещин не препятствует нахождению предельного, по количеству циклов состояния, поскольку определяется среднее значение параметра.

Кроме того снижается расход образцов благодаря тому, что нужно провести 2-3 остановки испытаний для выполнения измерений уже на стадии распределения трещины.

Пример использования способа. Проводилось определение предельного состояния материала по зарождению трещин при испытаниях на малоцикловую усталость стали 10Х2М при комнатной температуре.

Испытания проводили на образцах сечением 12х20 (мм) длиной 160 мм, длина рабочей части составила 40 мм. Концентратор выполнен в виде полукруглой выточки глубиной 1 мм, расположенной на грани шириной 12 мм. Теоретический коэффициент концентрации такого надреза равен 3 мм. Нагружение образцов осуществляли знакопеременным изгибом используя известное приспособление выполненное в виде двух тяг, к торцам которых присоединен (приварен) испытуемый образец, а оконечности тяг размещены в захватах испытательной установки. Образец нагружался знакопеременным изгибом заданным деформациями по типообразному циклу с частотой 0,07 Гц. Номинальную деформацию измеряли рычажным тазометром, устанавливаемым на рабочую часть образца при настройке установки на заданный режим испытания. В данном случае размер номинальной деформации составлял 0,4%, размах деформации в концентраторе составлял 1,2% . Первую остановку в процессе испытания для выполнения измерений осуществляли после 1400 циклов нагружена при максимальном значении деформации растяжения, раскрытие берегов трещин определяли с точностью 0,001 мм и шагом между измерениями равном 0,125 мм, отступ от боковых граней на 2 мм для устранения краевого эффекта. Повторную остановку осуществляли после набора еще 400 циклов (30% от ранее набранного количества) и следующую остановку после 200 циклов.

На фиг. 1 представлен вид трещин на дне надреза (вид сверху) с сеткой измерений раскрытий (Ci). Шаг сетки составляет 0,125 мм, числами вдоль сетки обозначены расстояния от края образца.

1 - вид трещины после 1400 циклов
2 - то же, после 1800 циклов
3 - то же, после 2000 циклов.

Третью (после 2000 циклов нагружения) остановку осуществляли для проверки линейности зависимости среднего раскрытия С от количества циклов на начальном этапе развития трещины. Результаты всех трех серий замеров приведены в табл. 1, по которым были рассчитаны средние раскрытие берегов по соотношению (1) и доверительный интервал для 95% уровня значимости по соотношению (2) значения которых приведены в табл. 2.

На фиг. 2 представлена зависимость среднего раскрытия трещины С_M^Nот количества циклов нагружения N, а также результаты подсчета величины доверительного интервала ΔС_M^N по данным табл. 1.

Полученные экспериментальные данные аппроксимируется прямой, экстраполяция которой до нулевого значения С_M^N позволяет определить количество циклов нагружения N_o, при котором достигается предельное (по зарождению трещины) состояние. Эта величина для обследованной при комнатной температуре стали 10Х2М оказалась равной 860 циклов.

Приведенный пример использования изобретения показывает возможность нахождения предельного состояния во время испытаний на малоцикловую усталость по критерию зарождения трещины. При этом найденное количество циклов N_o = 860 оказывается независящим от наличия уже развивающейся трещины каких-либо определенных размеров. В основу предложенного способа положена экспериментально наблюдавшаяся на начальном этапе роста трещин линейная зависимость раскрытия берегов при максимальном значении нагрузки от достигнутого при испытании количества циклов N. Это позволяет оценивать долговечность по зарождению трещины (визуально определить момент зарождения трещины невозможно) по кинетике ее роста на этапе развития, где измерения проводятся с известной степенью точности.

Эффект от предложенного способа состоит в повышении точности при экспериментальном определении кривых долговечности, повышении уровня их консервативности и тем самым увеличении уровня оценки надежности конструкций ответственного назначения. Особенно перспективен предложенный способ для сопоставления стойкости против появления трещин в областях местных конструктивных и технологических концентраторов - выточки, переходы, сварные соединения.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА ПРИ ИСПЫТАНИЯХ НА МАЛОЦИКЛОВУЮ УСТАЛОСТЬ, заключающийся в том, что к исследуемому материалу прикладывают циклическую нагрузку, приостанавливают нагружение и определяют параметр размера трещины во время приостановки нагружения, с учетом которого судят о параметре предельного состояния, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, приостановку нагружения осуществляют не менее чем два раза при различном количестве циклов нагружения в момент, когда нагрузка достигает своего максимального значения, в качестве параметра размера трещины определяют раскрытие ее берегов при каждой приостановке несколько раз вдоль траектории трещины, определяют зависимость среднего значения раскрытия берегов трещины от количества циклов нагружения, а о предельном состоянии материала судят по количеству циклов нагружения, соответствующему нулевому раскрытию берегов трещины методом экстраполяции.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5