Способ определения параметров роста усталостной трещины в элементе конструкции

 

Использование: неразрушающий контроль нагруженности элементов конструкций. Сущность изобретения: параметры роста усталостной трещины определяют по единой зависимости между эквивалентным коэффициентом интенсивности напряжения и высотой скоса от пластической деформации и длине трещины. Эту зависимость определяют при циклическом нагружении модели исследуемого элемента при различных асимметриях цикла. Для определения параметров роста усталостной трещины в неразрушенном элементе конструкции на его поверхности, где выявлена трещина, одновременно измеряют расстояние между следом трещины и отстоящей от него границей зоны пластической деформации и длину трещины. Измеренное расстояние соответствует высоте скоса от пластической деформации при той же длине трещины. Изобретение исключает необходимость разрушения элемента конструкции после выявления в нем трещины. 4 ил.

Изобретение относится к области исследования материалов, в частности к определению их способности сопротивляться росту трещин, по параметрам рельефа излома в виде скосов от пластической деформации и может быть использовано для оценок нагруженности элементов конструкций.

Наиболее близким к изобретению является способ определения параметров роста усталостной трещины в элементе конструкции, заключающийся в том, что два плоских образца модели исследуемого элемента конструкции, циклически нагружают при разных асимметриях циклов, определяют длину трещин и ширину скосов от пластической деформации, по соответствию которых судят об эквивалентном повреждающем действии нагрузок, нагружения прекращают до начала неустойчивого роста трещин и определяют на каждом образце зависимость от длины трещины угла между направлением развития трещины и перпендикуляром к направлению растягивающего усилия в пределах зоны однородного напряженного состояния материала, с учетом соответствия которых судят об эквивалентном повреждающем действии нагрузок, причем на каждом образце определяют высоту скоса [1] Недостатком указанного способа является то, что его нельзя использовать без осуществления физико-механического воздействия на элемент конструкции после того, как трещина обнаружена.

Для измерения скосов от пластической деформации образец или элемент конструкции должен быть обязательно разрушен, т.к. трещина должна быть открыта для проведения измерений параметров излома.

Технической задачей предлагаемого изобретения является получение количественных характеристик параметров роста трещины в элементе конструкции за счет непосредственного измерения скосов от пластической деформации без разрушения элемента конструкции после выявления в нем трещины.

Для решения указанной задачи в способе определения параметров роста усталостной трещины в элементе конструкции, по которому модель исследуемого элемента конструкции циклически загружают при разных асимметриях циклов, определяют длину трещины и высоту скоса от пластической деформации и устанавливают единую зависимость между эквивалентным коэффициентом интенсивности напряжения и высотой скоса от пластической деформации, на поверхности неразрушенного элемента конструкции, где выявлена усталостная трещина, одновременно измеряют соответствующее высоте скоса от пластической деформации расстояние между следом трещины и отстоящей от него границей зоны от пластической деформации и длину трещины, а параметры роста усталостной трещины определяют по упомянутой зависимости и длине трещины.

На фиг. 1 изображена зона пластической деформации, отстающая от следа усталостной трещины по поверхности плоского элемента на некотором расстоянии с одной стороны и плотно прилегающая к нему с другой стороны; на фиг.2 представлено соответствие между высотой h_s скоса от пластической деформации, измеренной на поверхности неразрушенных элементов, скоростью da/dN и эквивалентным коэффициентом К_е интенсивности напряжения; на фиг.3 показана корреляционная связь между измеренной в опыте скоростью da/dN роста трещины и определенной по измерениям h_s скоростью (da/dN )р; на фиг.4 - корреляционная связь между величиной К_е, определенной путем расчета по механике разрушения и (Ке)р, определенной на основании измерения h_s.

Пример осуществления предлагаемого способа.

Проводили испытания плоских имитационных моделей крестообразной формы толщиной 5 мм при двухосном нагружении путем растяжения по двум осям и растяжения сжатия. Модели из алюминиевого сплава Д16Т имитировали панель крыла воздушного судна. Испытания проводили при регулярном приложении нагрузок при уровне напряжения, раскрывающего берега усталостной трещины, равном 147 МПа. Соотношение напряжений по двум осям колебалось в диапазоне -1,0. +1,0 при изменении асимметрии цикла в интервале 0,1.0,8.

Первоначально на части моделей после испытаний были измерены расстояния h_s между следом усталостной трещины на поверхности и границей зоны пластической деформации, прилегающей к устью трещины. При этом величина измеряемого расстояния h_s (фиг.1) фиксировалась на определенной длине трещины, которую также измеряли на поверхности модели после испытаний. Предварительно при проведении испытаний в процессе роста усталостной трещины определяли число циклов приложения нагрузки, на основании чего определяли скорость роста трещины.

После проведения всех указанных выше измерений были вскрыты усталостные трещины и осуществлено измерение высоты скоса от пластической деформации при тех же длинах, что соответствовали измерениям на поверхности образца величины h_s. Далее было проведено сопоставление высоты скоса от пластической деформации с величиной h_s на одинаковой длине трещины. В результате сопоставления было установлено, что с точностью до 90% сопоставляемые величины совпадают между собой. Различие между указанными величинами определялось разбросом, который определяется точностью получаемой информации.

На основании всех указанных выше измерений была построена зависимость между эквивалентным коэффициентом Ке интенсивности напряжений, скоростью роста усталостной трещины и величиной h_s, которая соответствует высоте скоса от пластической деформации (фиг. 2). Далее на основе установленной универсальной зависимости величины h_s от указанных параметров проводили определение скорости роста трещины и уровня эквивалентного напряжения на остальной части имитационных моделей, испытания которых были реализованы без измерения скорости роста трещины при известном уровне напряжения 130 МПа.

Вторую серию сопоставлений проводили путем первоначального выращивания усталостной трещины при 100 МПа со слежением за ростом трещины и определением ее скорости. После испытаний проводили измерения высоты h_s, которую получали на серии измеренных длин трещины.

На основании указанных выше испытаний и измерений параметров роста усталостной трещины и кинетических характеристик процесса усталостного разрушения были построены две корреляционные зависимости между определяемыми по предлагаемому способу коэффициентом Ке и скоростью da/dN роста трещины на основе измерения величины h_s и полученными значениями при непосредственном слежении за скоростью роста трещины (фиг. 3). Экспериментальные характеристики процесса и определенные по описываемому способу коррелируют между собой с коэффициентом корреляции не хуже 0,8. Это свидетельствует о том, что предлагаемый способ позволяет с достаточной для практики точностью определить кинетические параметры роста трещины на основании измерения величины при проведении неразрушающего контроля элементов конструкции, нагружение которых может быть реализовано при сложном напряженном состоянии.

Установление соответствия измеряемой величины h_s с эквивалентным коэффициентом интенсивности напряжений позволяет характеризовать кинетический процесс разрушения элемента конструкции в эксплуатации при произвольном многопараметрическом внешнем воздействии. Это следует из того факта, что рассматриваются локальные характеристики кинетического процесса, которые интегрально характеризуют процесс, реализуемый по отношению к произвольной ситуации внешнего воздействия.

Согласно изобретению в качестве основной кинетической характеристики скорости роста усталостной трещины рассматривается высота скоса от пластической деформации. Многочисленные эксперименты над пластическими материалами при одноосном и двухосном нагружении плоских элементов крестообразной формы показали, что зона пластической деформации отстает от следа усталостной трещины на поверхности плоского элемента на некоторое расстоянии с одной стороны и плотно прилегает к нему с другой стороны. Выполненные систематические измерения этого расстояния и сопоставление его с высотой скосов от пластической деформации показали, что они между собой полностью сопоставимы на одинаковой длине трещины, измеренной на поверхности элемента конструкции.

Ранее было показано ( см. A.A.Shanyavsky, M.Z. Koronov. Shear lips on fatigue fractures of aluminium alloy sheets subjected to biakiul cyclic loads at various R-ratios Fatigue Fract. Engng. Mater.Stract, vol. 17, N9, pp 1003-10013, 1994), что между шириной скоса от пластической деформации и эквивалентным коэффициентом интенсивности напряжения при двухосном нагружении плоских элементов конструкции с асимметрией цикла существует единая кинетическая связь. Причем между шириной скоса и его высотой также существует однозначное соответствие. Поэтому в изобретении на основе измерений расстояния между следом трещины и границей зоны пластической деформации, наблюдаемой на поверхности, определяют высоту скоса от пластической деформации. Между этой высотой и эквивалентным коэффициентом интенсивности напряжений устанавливают предварительно на основе испытания моделей единую кинетическую связь. В последующем после проведения измерений указанного выше расстояния на поверхности элемента конструкции проводят определение скорости роста усталостной трещины и уровня эквивалентных напряжений, используя при этом измеренную длину трещины.

Формула изобретения

Способ определения параметров роста усталостной трещины в элементе конструкции, по которому модель исследуемого элемента конструкции циклически нагружают при различных асимметриях цикла, после определенного числа циклов нагружения определяют длину трещины и высоту скоса от пластической деформации и устанавливают единую зависимость между эквивалентным коэффициентом интенсивности напряжения и высотой скоса от пластической деформации, отличающийся тем, что на поверхности неразрушенного элемента конструкции, где выявлена усталостная трещина, одновременно измеряют соответствующее высоте скоса от пластической деформации расстояние между следом трещины и отстоящей от него границей зоны от пластической деформации и длину трещины, а параметры роста усталостной трещины определяют по упомянутой зависимости и длине трещины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4