Способ определения составляющих ударной вязкости металла при испытании на ударный изгиб

Изобретение относится к определению механических свойств металла, а именно к способам разделения ударной вязкости на работу зарождения и работу распространения трещины при испытании на ударный изгиб, и может быть использовано в металлургии, машиностроении и других отраслях народного хозяйства. Сущность: осуществляют определение работы разрушения образца (А) при постоянной температуре. Испытывают два образца с одинаковыми концентраторами напряжения и различными размерами поперечного сечения в месте надреза, а работу зарождения и работу распространения трещины соответственно для первого (АЗ1 и Ap1) и для второго (АЗ2 и Аp2) образцов рассчитывают по формулам:

АЗ1=а1⋅α; АЗ2=а2⋅α;

APl=a1⋅H1⋅β; АР2=а2⋅Н2⋅β,

где α - удельная работа зарождения трещины в образцах данного материала;

β - удельная работа распространения трещины для данного материала рассчитываются из системы уравнений

где А1 и А2 - работа удара для первого и второго образцов,

a 1, Н1 и a2, H2 - размеры сечения первого и второго образцов в месте надреза.

Технический результат: расширение технологических возможностей способа разделения работы удара на работу зарождения и распространения трещины. 1 табл., 3 ил.

 

Изобретение относится к определению механических свойств металла, а именно к способам разделения ударной вязкости на работу зарождения и работу распространения трещины при испытании на ударный изгиб, и может быть использовано в металлургии, машиностроении и других отраслях народного хозяйства.

Для испытания металла на ударную вязкость используются стандартные образцы в соответствии ГОСТ 9454-78 Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах. Испытания проводят на маятниковом копре, например МК-30 (запас работы удара составляет 300 Дж). Ударная вязкость определяется работой разрушения образца при испытании на ударный изгиб.

Процесс разрушения металла, в частности, при испытании на ударный изгиб состоит из зарождения и распространения трещины. Работа (А), затраченная на разрушение образца металла, складывается из работы зарождения трещины (Аз) и работы ее распространения (Ар) по образцу.

Величины работы зарождения и работы распространения трещины являются важными характеристиками, определяющими служебные свойства металла и влияющими на долговечность конструкции. Поэтому разделение работы удара при испытании на ударную вязкость является важной и актуальной проблемой металловедения.

Существует ряд способов разделения работы удара на работу зарождения и работу распространения трещины.

По способу Отани [1] используется стандартный образец при испытании на ударную вязкость. Испытание проводится на маятниковом копре. В результате заранее проведенных испытаний на образцах подбирают такую работу маятника, при которой только образуется трещина. Эта работа принимается за работу зарождения трещины. Затем образец с трещиной помещают в специальный красящий раствор, например CuSO4, для осаждения на поверхностях трещины красящего осадка. Второй (окончательный) удар определяет работу распространения трещины. На образцах, разрушенных при испытании, видна окрашенная поверхность разрушения. Выбирают тот образец, где длина предварительно нанесенной трещины наименьшая. Работу первого удара на этом образце принимают за работу зарождения трещины, а работу второго удара - за работу распространения трещины. Недостатками метода Отани являются наличие предварительного удара и соответственно с этим подбор соответствующей работы, необходимой только для образования трещины, наличие окрашивающего раствора, субъективное определение длины окрашенной области. Для получения результата необходимо использовать несколько образцов.

Указанные недостатки способа Отани снижают точность определения работ зарождения и развития трещины. Кроме того, для этого способа температура испытания должна быть не ниже минус 30°C [2].

Известен способ разложения ударной вязкости на работу зарождения и развития трещины по Лифшицу-Рахманову [3-5]. Образцы исследуемого материала при одинаковом сечении под надрезом нагружают до разрушения изгибающим ударом, определяют для каждого образца поглощенную энергию и работу зарождения трещины. Находят зависимость поглощенной энергии от работы зарождения трещины, а работу развития трещины определяют экстраполяцией данной зависимости на значение, соответствующее нулю работы зарождения трещины.

По способу Б.А. Дроздовского [6] испытывают образцы с V-образным надрезом с заранее образованной с помощью вибратора усталостной трещиной. Считается, что при разрушении образца вся работа динамического удара расходуется на распространение трещины. При таком испытании определяется работа распространения трещины. Работа зарождения трещины подсчитывается как разность между работой разрушения при изгибе на образце без усталостной трещины и работой ее распространения.

Недостатками способа Дроздовского являются:

- образование трещины осуществляется путем циклического нагружения, которое может изменить исходные свойства материала;

- субъективный выбор длины трещины, которая принимается за зародышевую.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ разделения ударной вязкости на работу зарождения и распространения трещины по Гуляеву А.П. [7].

Суть способа состоит в следующем. Подготавливают две группы стандартных образцов одинакового поперечного сечения и длины на ударную вязкость.

Первая группа образцов с U-образным концентратором напряжений радиуса R=1 мм (тип 1, ГОСТ 9454-78) и вторую группу образцов с V-образным концентратором напряжений с радиусом R=0,25 мм (тип 11, ГОСТ 9454-78). Образцы первой и второй групп испытывают на ударный изгиб при одинаковой температуре и определяют работу разрушения при U-образном и V-образном концентраторах напряжений. Затем графическим построением определяют зависимость работы удара от радиуса концентратора напряжений. На фиг. 2 представлена схема указанной зависимости. Экстраполируя полученную зависимость при R=0, получим значение работы удара, которая принимается за работу распространения трещины (Ар). Затем, вычитая из работы разрушения образца (А) значение работы распространения трещины при U-образном (надрезе) концентраторе напряжений ,находим работу зарождения трещины (Аз):

Основными недостатками прототипа являются следующие:

- принимается, что работа образования трещины не зависит от вида концентратора напряжения. Это допущение является приближенным, так как не учитывает различие схем напряженно-деформированного состояния в месте концентратора напряжений (надрезе). При U-образном и V-образном надрезах схемы напряженно-деформированного состояния различные [2];

- графическая экстраполяция определения работы распространения трещины имеет субъективную и объективную погрешность. Наличие субъективной составляющей погрешности при графической экстраполяции искажает получаемый результат;

- работа образования трещины определяется не независимо, а из полученных ранее данных: работы удара и работы распространения трещины в соответствии с формулой (1).

Технической задачей изобретения является расширение технологических возможностей способа разделения работы удара на работу зарождения и распространения трещины.

Поставленная задача решена следующим образом.

Из нужного материала изготавливают образцы для испытания на ударный изгиб с одинаковыми концентраторами напряжения, но с разными площадями поперечного сечения в месте концентратора напряжений. Размеры площади сечения соответствуют стандартным размерам (по ГОСТ 9454-78).

Площадь поперечного сечения первого образца (фиг. 1а) в месте концентратора напряжений (надреза) составляет S1=a1⋅H1. Для второго образца - S2=а2⋅H2 (фиг. 1б), где a и H - соответственно ширина и высота образца в месте надреза. При испытании на ударный изгиб работа разрушения первого образца составляет A1, а для второго образца составляет A2. Работу разрушения образца представляем как сумму работ зарождения (Аз) и распространения трещины (Ар):

Тогда для первого образца можно записать:

Для второго образца партии:

Работа зарождения трещины зависит от качества материала и длины стороны, по которой производится удар ножа маятникого копра (фиг. 1, размер «a»), может быть представлена как:

где α - удельная энергия образования трещины [Дж/м].

Тогда работа зарождения трещины будет равна:

- для первого образца:

- для второго образца:

Работа распространения трещины зависит от качества материала и от площади, проходимой трещиной через образец (фиг. 1, размеры «a» и «H»), может быть представлена так:

где β - удельная энергия распространения трещины [Дж/м2].

Тогда работа распространения трещины будет равна:

- для первого образца:

- для второго образца:

С учетом формул (5) и (8) работа, затраченная при разрушении i-го образца, будет равна:

Соответственно для первого и второго образцов имеем:

Решая совместно систему из уравнений (12) и (13):

получаем значения α и β.

Работы зарождения и распространения трещин для первого и второго образцов вычисляем соответственно по формулам (6, 7) и (9, 10).

Пример конкретного выполнения.

Из листовой стали марки A32 толщиной 10 мм изготовляли образцы для испытания на ударный изгиб. Размеры сечения образцов в месте надреза составляли (ширина × высота): 6×6 мм; 8×9 мм. Все образцы имели U-образный концентратор напряжения (надрез). Образцы испытывали на ударный изгиб на маятниковом копре МК-30 с определением работы разрушения образца при температуре минус 40°C. По результатам испытаний составляли систему алгебраических уравнений с учетом уравнения (11)

Решая эту систему уравнений, определяем значения удельной энергии образования трещины (α) и удельной энергии распространения трещины (β). Исходные данные и вычисленные значения работ зарождения и распространения трещины приведены в таблице. Относительная погрешность определения работ зарождения и распространения трещины не превышает 3,5%.

Для сравнения было проведено определение работ образования и распространения трещины по прототипу (способ Гуляева А.П.). Были изготовлены из того же материала, что и по предлагаемому способу, две партии образцов стандартного размера с U-образным концентратором напряжения, где радиус надреза R=1,0 мм, и V-образным надрезом, где радиус надреза R=0,25 мм. Испытания на ударный изгиб проводили на том же копре М-30 при температуре минус 40°C. По полученным значениям работы удара строили зависимость работы удара от радиуса надреза (фиг. 3). При экстраполяции при R=0 получено, что работа удара в этом случае будет 120 МДж. Это значение в соответствии со способом Гуляева А.П., принято за работу распространения трещины. Работа образования трещины вычисляется как разность работы удара образца с U-образным концентратором напряжения (170 МДж) и работы распространения трещины (120 МДж). Таким образом, работа зарождения трещины равна 50 МДж. Различие результатов по прототипу и предлагаемому способу составляет не более 10%.

Преимуществами предлагаемого способа являются:

- отсутствие субъективных оценок технологического процесса испытания образцов. Все параметры а, H, A измеряются объективно: размеры сечения - измерительным инструментом с определенной погрешностью; работа удара - по измерительному механизму маятникового копра;

- значения работ образования и распространения трещины являются независимыми между собой величинами и определяются только по работе удара из системы уравнений (14);

- применение аналитического метода расчета работ образования и распространения трещины вместо графического метода, как по прототипу, повышает точность измерения этих величин;

- для испытаний применяются образцы с одинаковыми концентраторами напряжений (U-образный или V-образный), поэтому образование трещины происходит при одной схеме напряженно-деформированного состояния;

- при испытании используются образцы с разными размерами площади поперечного сечения, что позволяет оценить значения работ образования и распространения трещины на листовом прокате разной толщины. Это расширяет технологические возможности способа.

Список использованной литературы

1. Отани М. Исследование чувствительности сварных соединений к надрезу при динамических испытаниях двойным ударом / М. Отани // Тэцудо гидзюцу кэпкю сирё. - 1957. - Т. 14, №11 - С. 503-529.

2. Пашков Ю.И. К вопросу оценки трещиностойкости труб по ударной вязкости и пробе ДWTT / Ю.И. Пашков, М.А. Иванов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». - 2014. - Т. 14, №4 - С. 52-58.

3. Лифшиц Л.С. Об определении ударной вязкости при низких температурах и склонности металла к зарождению и развитию трещин / Л.С. Лифшиц, А.С. Рахманов // Заводская лаборатория. - 1953. - №2 - С. 51-54.

4. А.С. СССР. Лифшиц Л.С., Рахманов А.С. Об определении ударной вязкости материала. №1559267. Опуб. 23.04.90. Бюл. №15.

5. Бакши О.А. Метод определения составляющих ударной вязкости / О.А Бакши, А.Н Моносиков, А.Г Кукин // Заводская лаборатория. 1969. - №5 - С. 615-619.

6. Дроздовский Б.А. О применении статического изгиба образцов с надрезом для количественной оценки кристалличности в изломе стали / Б.А. Дроздовский // Заводская лаборатория. - 1946. - №4 - С. 489-499.

7. Горицкий В.М. Диагностика металлов. Металлургиздат. 2004. 408 с.

Способ определения составляющих ударной вязкости материала при испытании на ударный изгиб, включающий определение работы разрушения образца (А) при постоянной температуре, отличающийся тем, что испытывают два образца с одинаковыми концентраторами напряжения и различными размерами поперечного сечения в месте надреза, а работу зарождения и работу распространения трещины соответственно для первого (АЗ1 и Ap1) и для второго (АЗ2 и Аp2) образцов рассчитывают по формулам

АЗ1=а1⋅α; АЗ2=а2⋅α;

APl=a1⋅H1⋅β; АР2=а2⋅Н2⋅β,

где α - удельная работа зарождения трещины в образцах данного материала;

β - удельная работа распространения трещины для данного материала рассчитываются из системы уравнений

где А1 и А2 - работа удара для первого и второго образцов,

a 1, Н1 и a2, H2 - размеры сечения первого и второго образцов в месте надреза.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам определения параметров удара о преграду зерен алмазно-абразивных порошков, имеющих неправильные геометрические формы.

Изобретение относится к области материаловедения, в частности к способам комплексной оценки физико-механических свойств высоковязких конструкционных сталей, и может быть использовано для экспресс-анализа состояния трещиностойкости материала и прогнозирования трещиностойкости материала стали.

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для взврывозащиты технологического оборудования, в частности защиты аппаратов от разрушения при взрыве горючей смеси разрывной мембраной.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при испытании конструкций и отдельных элементов зданий и сооружений, работающих на изгиб с кручением при статическом и кратковременном динамическом воздействии с определением точной деформационной модели конструкции, например балок или плит.

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при испытании конструкций и отдельных элементов зданий и сооружений, работающих на изгиб с кручением при статическом и кратковременном динамическом воздействии с определением точной деформационной модели конструкции, например балок или плит.

Изобретение относится к устройствам для проведения испытаний по определению устойчивости разнообразных материалов и изделий к удару. Приспособление для определения устойчивости материала к удару содержит станину, направляющую, ударный элемент с механизмом приведения его в движение, при этом направляющая выполнена в виде трубы, продольно закрепленной на штативе с возможностью поворота, в полости трубы расположен ударный элемент, выполненный составным из наборных пластин и сменного бойка.

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для взврывозащиты технологического оборудования, в частности защиты аппаратов от разрушения при взрыве горючей смеси разрывной мембраной.

Изобретение относится к материаловедению, а именно к способам исследования образцов металлических материалов путем приложения к ним динамической (ударной) кратковременной нагрузки, и может быть использовано для определения вязкости металлических материалов.

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к машинам для испытания железобетонных образцов на совместное действие изгибающего и крутящего моментов, создаваемых воздействием кратковременной динамической нагрузки.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения глубины проникания объекта в грунт. Способ включает сбрасывание объекта с носителя и регистрацию параметров его проникания, по крайней мере, двумя сейсмическими датчиками, расположенными на расстоянии друг от друга в зоне вероятного падения объекта.

Изобретение относится к области научно-исследовательских методов, применяемых при выявлении причин разрушения изделий, а также используемых при изучении свойств твердых тел и механизмов их разрушения, и может быть использовано в химической, нефтехимической, энергетической, машиностроительной и металлургической промышленности, на объектах транспорта для контроля качества и оценки работоспособности материалов, при прогнозировании эксплуатационной надежности изготовленных из них деталей и узлов машин производственного назначения. Сущность: в качестве параметра, описывающего характер поверхности разрушения, используют характеристическую площадь поверхности Sr - площадь рельефа поверхности, отнесенную к площади поля зрения. Технический результат: возможность объективного определения соотношения вязкой и хрупкой составляющих в изломах сталей. 1 ил.

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к устройствам для испытаний на ударные воздействия различных приборов и оборудования. Стенд состоит из силового каркаса в виде прямоугольной рамы на ножках с продольными направляющими для установки через амортизаторы подпружиненной платформы, выполненной в виде резонансной плиты, поперечная собственная частота которой соответствует частоте перехода на требуемом ударном спектре ускорений, и рамы для крепления маятника с бойком, состоящим из стержня с профилированным торцом и резьбой, для установки и фиксации дополнительных грузов. На резонансной плите в месте максимального отклика установлена дополнительная плита в виде параллелепипеда, стороны которого параллельны сторонам резонансной плиты, предназначенная для закрепления на ее поверхности объекта испытаний, а на торцах - контрольных регистрирующих датчиков по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Резонансная плита не менее чем по двум ее сторонам установлена на амортизаторы, которые перпендикулярны ее плоскости и занимают не более половины длины каждой стороны. По торцам резонансной плиты в ее плоскости установлены фиксаторы-ограничители из упругого материала, жесткость которых не менее чем на порядок меньше жесткости амортизаторов. Дополнительная плита установлена от противоположной стороны относительно места крепления маятника на расстоянии от половины до одной четвертой длины стороны резонансной плиты. На резонансной плите в узел формы колебаний установлен крешер, профиль которого совпадает с профилем торцевой части стержня бойка. Технический результат: возможность уменьшить габариты стенда, а также обеспечить более точное воспроизведение ударной нагрузки, создавая ударное воздействие одновременно по трем взаимно перпендикулярным направлениям. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 7 ил.

Изобретение относится к материаловедению, а именно к способам исследования образцов металлических материалов путем приложения к ним динамической (ударной) кратковременной нагрузки, и может быть использовано для определения вязкости металлических материалов. Сущность: осуществляют испытания на ударный изгиб призматических образцов с надрезом с записью кривой разрушения путем идентификации на ней характерных точек. На кривой разрушения в координатах «энергоемкость Е - смещение бойка S» выделяют участок между точкой отрыва от прямолинейного хода кривой и точкой разрушения образца, а для аттестации металлических материалов на выделенном участке определяют параметры вязкости КM и n, при этом параметр вязкости КM находят исходя из уравнения где ЕH и ЕK - энергоемкость разрушения в точках, соответствующих началу и концу выделенного участка кривой , F0 - площадь первоначального поперечного сечения в месте надреза, а параметр вязкости n - исходя из уравнения, описывающего ход зависимости на выделенном участкеЕ=A⋅Sn,где А - коэффициент, зависящий от условий испытаний. Технический результат: возможность выделить участок, соответствующий стадии распространения магистральной трещины, определить на нем параметры вязкости (KM, n), а затем использовать их для аттестации любых металлических материалов при наличии возможности инструментальной записи кривой разрушения. 5 ил.

Изобретения относятся к исследованию материалов путем определения их физических свойств и могут быть использованы для статического и динамического сжатия образцов горных пород и определения совокупности физических величин, характеризующих начальную стадию процесса их разрушения, например спектра упругих колебаний от образования микротрещин. Сущность: осуществляют размещение на наковальне образца, воздействие на него падающим грузом с известной начальной энергией, прием импульсов акустических сигналов, возникающих при разрушении образца. Образец по направлению падающего груза предварительно сжимают статическим усилием. Начальную энергию падающего груза увеличивают от нулевого значения до возникновения в образце микротрещин, что фиксируют по частотному спектру импульсов акустических сигналов. Образец сжимают статическим усилием во всем диапазоне его устойчивости к разрушению. Устройство содержит станину, направляющую в виде трубы с возможностью поворота, ударный элемент с механизмом приведения его в движение, расположенный в полости трубы. Станина выполнена в виде стакана с окнами для установки образца и радиальным отверстием, в котором закреплена трубка с внутренней резьбой, куда вкручен винт с рукояткой. Стакан связан резьбовым соединением с трубой, в конец которой со стороны резьбового соединения вставлена пробка с возможностью ограниченного продольного перемещения. В стакане между окон и радиальным отверстием размещен поршень. Между поршнем и дном стакана и в трубку подано пластичное вещество. Имеются датчик давления пластичного вещества и система определения совокупности физических величин, характеризующих процесс разрушения горной породы, например спектра упругих колебаний от возникающих микротрещин. Технический результат: возможность воздействия на горную породу совокупностью статических и динамических нагрузок до возникновения микротрещин и фиксации их появления по спектру упругих колебаний, а также в повышении эффективности устройства за счет расширения его возможностей на статическое сжатие горной породы, прием и обработку упругих колебаний. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к определению механических свойств металла, а именно к способам разделения ударной вязкости на работу зарождения и работу распространения трещины при испытании на ударный изгиб, и может быть использовано в металлургии, машиностроении и других отраслях народного хозяйства. Сущность: осуществляют определение работы разрушения образца при постоянной температуре. Испытывают два образца с одинаковыми концентраторами напряжения и различными размерами поперечного сечения в месте надреза, а работу зарождения и работу распространения трещины соответственно для первого и для второго образцов рассчитывают по формулам:АЗ1а1⋅α; АЗ2а2⋅α;APla1⋅H1⋅β; АР2а2⋅Н2⋅β,где α - удельная работа зарождения трещины в образцах данного материала;β - удельная работа распространения трещины для данного материала рассчитываются из системы уравнений где А1 и А2 - работа удара для первого и второго образцов, a 1, Н1 и a2, H2 - размеры сечения первого и второго образцов в месте надреза.Технический результат: расширение технологических возможностей способа разделения работы удара на работу зарождения и распространения трещины. 1 табл., 3 ил.

Наверх