Способ прогнозирования параметров усталостного разрушения листовых металлических материалов

Авторы патента:

G01N3/32 - путем приложения повторяющихся или пульсирующих усилий (создание таких усилий вообще, - см. такие классы, как B06,G10 )

G01N19/08 - обнаружение локальных дефектов или нерегулярностей в материале (измерение шероховатости или неровности поверхности G01B 5/28)

Владельцы патента RU 2739154:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) (RU)

Изобретение относится к области усталостных испытаний металлических материалов для определения циклической долговечности, параметров кривой усталости и может быть использовано для определения усталостных характеристик в широких областях долговечности. Сущность: проводят циклическое нагружение до разрушения, определяют число циклов нагружения до разрушения при фиксируемом уровне напряжения и устанавливают корреляции между уровнем циклического напряжения и числом циклов до разрушения. Испытания проводят по мягкой схеме чистого изгиба в одной плоскости на электромагнитной установке одновременно с записью информативных параметров кривых текущего прогиба, по которым регистрируют длительность периода до зарождения усталостных трещин, момент возникновения трещины и длительность работы материала с трещиной. Испытания прекращают после выхода образца из режима резонанса. Осуществляют монотонное растяжение испытываемого образца листового материала до разрушения, чтобы вскрыть поверхность возникшей трещины с целью определения её длины, и на ее основе определяют скорость роста трещины, а излом образца исследуют под электронным микроскопом и делают вывод о характере очага разрушения на поверхности материала. Технический результат: возможность определить материал, который в наибольшей степени отвечает эксплуатационным требованиям и обеспечивает снижение аварийности металлоконструкций изделия. 1 ил., 1 табл.

Известен способ ((Патент RU 2 619 480 C1 G01N 3/32 (2006/01). Бюл. №14. Опубликовано 16.05.2017 года)) прогнозирования циклической долговечности металлов, который заключается в установлении корреляции долговечности с размером зерна металла в зависимости от его технологической обработки. Одним из недостатков данного метода является то, что требуется специальная подготовка образцов с продольным клиновым профилем и оценка деформированного состояния металла. Такой способ не дает возможность изучать кинетику процесса разрушения, фиксировать начало макроразрушения, определять скорость роста трещины и, как следствие, нет возможности прогнозировать ремонтопригодность конструкции. Данный вид испытаний не дает возможность прогнозировать обнаружение и устранение усталостных повреждений во время проведения технического обслуживания автомобиля, что увеличивает вероятность автомобильных аварий по этой причине.

Технической задачей предлагаемого метода является снижение трудоемкости и повышения достоверности полученных результатов испытания для определения параметров усталостного разрушения. При жестких требованиях к снижению металлоемкости машин и технических устройств невозможно избежать появления в ответственных деталях усталостных трещин. Однако в некоторых материалах они возникают сравнительно рано и большую часть своей эксплуатации детали работают с трещинами, а в других появляются перед самым моментом разрушения, что делает проблематичным их обнаружение в процессе технического обслуживания техники. Поэтому для полной оценки работоспособности деталей необходимо знать, как параметры сопротивления усталости, так и максимальную информацию о деструкции на всех этапах их усталостного разрушения: стадии зарождения трещин и их развитие до полного разрушения.

Технический результат достигается тем, что в способе прогнозирования параметров усталостного разрушения листовых материалов, заключающемся в их циклическом нагружении до разрушения, определении числа циклов нагружения до разрушения при фиксируемом уровне напряжения и установлении корреляции между уровнем циклического напряжения и числом циклов до разрушения, испытания проводят по мягкой схеме чистого изгиба в одной плоскости на электромагнитной установке одновременно с записью информативных параметров кривых текущего прогиба, по которым регистрируют длительность периода до зарождения усталостных трещин, момент возникновения трещины и длительность работы материала с трещиной, испытания прекращают после выхода образца из режима резонанса, затем осуществляют монотонное растяжение испытываемого образца листового материала до разрушения, чтобы вскрыть поверхность возникшей трещины с целью определения её длины, и на ее основе определяют скорость роста трещины, а излом образца исследуют под электронным микроскопом и делают вывод о характере очага разрушения на поверхности материала.

С целью выполнения поставленной технической задачи по предлагаемому способу прогнозирования параметров усталостного разрушения с установлением циклической долговечности листовых металлов, выявлением количества циклов до разрушения при фиксируемом уровне нагружения и установлением корреляции долговечности усталостные испытания проводят по мягкой схеме чистого изгиба в одной плоскости на электромагнитной установке с использованием режима резонанса. Для измерения текущей амплитуды нагружения в установке усталостных испытаний предусмотрен индукционный датчик, который позволяет постоянно вести запись изменения текущего прогиба образца.

Предлагаемое изобретение поясняется следующим примером. Большинство деталей автомобильной техники испытывают циклические нагрузки, приводящие к деструкции материалов. Испытания на усталость максимально приближены к условиям эксплуатации материалов. Это обуславливает необходимость нахождения оптимальных конструкторских решений в части как выбора материалов, так и технологических процессов, обеспечивающих высокие эксплуатационные характеристики деталей и конструкций. Предложен способ прогнозирования параметров усталостного разрушения листовых металлических материалов для проведения усталостных испытаний листовых автомобильных материалов. Его суть состоит в том, что он позволяет изучать сопротивление усталостному разрушению листовых металлических материалов по схеме чистого изгиба в одной плоскости. Для полной оценки работоспособности листовых изделий необходимо знать не только параметры сопротивления усталости, но также иметь максимальную информацию о деструкции на всех этапах их усталостного разрушения: стадии зарождения трещин, их развития до полного разрушения. Важной характеристикой поведения материалов при циклическом нагружении являются кривые циклического упрочнения (разупрочнения), отражающиеся на кривых изменения текущего прогиба образца в процессе усталостных испытаний. Данная схема нагружения максимально приближенна к условиям реального нагружения несущих корпусных элементов конструкции автомобиля. Результаты исследования изменения кривых текущего прогиба образца в процессе циклического нагружения, полученные реализацией этого способа, дают возможность изучать кинетику процесса разрушения, фиксировать начало макроразрушения, скорость роста трещины и, как следствие, прогнозировать ремонтопригодность конструкции. Данный вид испытаний дает возможность прогнозировать обнаружение и устранение усталостных повреждений во время проведения технического обслуживания автомобиля. Были исследованы и получены важные характеристики сопротивления усталостному разрушению для ряда конструкционных сталей типа 10кп и 20кп: долговечность до полного разрушения, предел выносливости, длительность периода до зарождения усталостных трещин и скорость их последующего развития и, как следствие, по итогам испытаний анализировалась ремонтопригодность конструкции. На фиг. 1 приведена типичная кривая изменения прогиба при усталости плоских образцов из стали 10кп. Кривая изменения текущего прогиба образцов в процессе циклического нагружения строилась в координатах ∆f–N (∆f -величина прогиба, N- циклическая долговечность). Горизонтальный участок на кривой текущего прогиба показывает, что образец не подвергается усталостному разрушению и его прочностные свойства сохраняются. Точка перегиба кривой свидетельствует о зарождении усталостной макротрещины, которая растет и уже на последнем участке резкого увеличения амплитуды информирует о разрушении образца. При этом амплитуда нагружения образца меняется.

Соотношение параметров кривых текущего прогиба при испытании образцов различных марок сталей в процессе циклического нагружения с наблюдением момента зарождения усталостной трещины и фиксацией ее последующего развития заносятся в таблицы и сравниваются. Результаты сравнительных испытаний параметров усталостного разрушения сталей 10кп и 20кп при напряжении образца 265 МПа показаны в таблице 1.

Таблица 1

Результаты сравнительных испытаний параметров усталостного разрушения сталей 10кп и 20кп при напряжении 265 МПа

Сталь	N_p, цикл.	n_з.тр _., цикл.	n_{роста тр} _., цикл.	l_тр. мм	V_{ср. тр.,} мм/цикл	n_з.тр., % от N_р	n_{роста тр.}, % от N_р
10кп	262000	82000	180000	9,8	5,38^.10^-5	31,1	68,7
20кп	174000	78000	96000	9,4	9,79^.10^-5	44,8	55,2

где: N_p –число циклов до разрушения образца;

n_з.тр.– число циклов до появления трещины;

n_{роста тр.}– число циклов роста усталостной трещины;

l_тр. – полная длина трещины;

V_{ср. тр.}– усредненная скорость роста трещины;

n_з.тр. – процентная доля долговечности до зарождения трещины от полной долговечности;

n_{роста тр.}– процентная доля долговечности роста трещины от полной долговечности;

На основании данных таблицы 1 можно сделать вывод, что в стали 10кп усталостная макротрещина зарождается раньше и подрастает со значительно меньшей скоростью, поэтому есть возможность её раньше обнаружить и устранить.

Сталь 10кп может быть предпочтительней для ответственных деталей, чем сталь 20кп, так как появляется большая возможность обнаружения усталостных повреждений на стадии прохождения очередного технического обслуживания автомобиля, что снижает вероятность автомобильных аварий по этой причине.

По результатам испытаний усталостного разрушения плоских образцов сталей 10кп и 20кп по мягкой схеме чистого изгиба в одной плоскости выявлены полная циклическая долговечность, период зарождения усталостных трещин и скорости их последующего развития.

Аналогичные испытания проведены на плоских образцах сталей 08кп и 15сп. Результаты подтвердили достоверность данного способа и позволяют определить полную циклическую долговечность, период зарождения усталостных трещин и скорости их последующего развития.

Способ прогнозирования параметров усталостного разрушения листовых материалов, заключающийся в их циклическом нагружении до разрушения, определении числа циклов нагружения до разрушения при фиксируемом уровне напряжения и установлении корреляции между уровнем циклического напряжения и числом циклов до разрушения, отличающийся тем, что испытания проводят по мягкой схеме чистого изгиба в одной плоскости на электромагнитной установке одновременно с записью информативных параметров кривых текущего прогиба, по которым регистрируют длительность периода до зарождения усталостных трещин, момент возникновения трещины и длительность работы материала с трещиной, испытания прекращают после выхода образца из режима резонанса, затем осуществляют монотонное растяжение испытываемого образца листового материала до разрушения, чтобы вскрыть поверхность возникшей трещины с целью определения её длины, и на ее основе определяют скорость роста трещины, а излом образца исследуют под электронным микроскопом и делают вывод о характере очага разрушения на поверхности материала.

Изобретение относится к области контроля стойкости (прочности) материалов и их защитных покрытий при воздействии концентрированных потоков вещества и энергии. Сущность: размещают образец с испытываемым материалом в жидкой среде перед торцевой поверхностью излучателя ультразвуковых колебаний, обеспечивают колебания на ультразвуковой частоте, формируют в зазоре между торцевой поверхностью излучателя и образцом кавитационный процесс, его реализуют в течение времени, достаточного для разрушения поверхности исследуемого материала, и определяют кавитационную стойкость по изменению толщины исследуемого материала.

Способ сейсмоакустического контроля качества бетонирования заглубленных строительных конструкций // 2737176

Изобретение относится к области строительства в грунте заглубленных железобетонных или бетонных конструкций, возводимых способом «стена в грунте», а также контроля качества бетонирования данных конструкций.

Установка для механических испытаний образцов листовых материалов на усталость при изгибе // 2730555

Устройство относится к испытательной технике, может быть использовано для испытания на усталость образцов листовых материалов при изгибе. Установка содержит источник колебаний, захваты для крепления образцов и измерительное устройство.

Способ испытания на прочность диска турбомашины, имеющего концентраторы напряжений в виде отверстий, и устройство для его осуществления // 2730115

Изобретение относится к турбомашиностроению, в частности к способам испытания на прочность дисков турбомашин, имеющих концентраторы напряжений в виде отверстий, а также к устройствам для его осуществления.

Устройство для изучения коррозионно-усталостного разрушения металлов и сплавов в ходе механических испытаний в жидком электролите // 2725108

Изобретение относится к способу механических испытаний металлических материалов, а именно к созданию устройства, позволяющего циклически деформировать изгибом образцы металлических материалов, погруженных в электролит, с одновременным непрерывным измерением электродного потенциала образца.

Стенд для динамических испытаний виброизоляторов // 2723975

Изобретение относится к машиностроению, а именно к конструкциям стендов для испытаний виброизоляторов. Стенд содержит раму, подвижную верхнюю опорную плиту и неподвижную нижнюю опорную плиту, механизм предварительного осевого нагружения с силоизмерителем, направляющий механизм верхней опорной плиты, кронштейны для крепления виброизоляторов и соединитель.

Резонансный способ измерения динамических механических параметров низкомодульных вибропоглощающих материалов // 2722337

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения динамического модуля упругости и коэффициента механических потерь полимера.

Способ определения прочности материала // 2721089

Изобретение относится к физико-механическим испытаниям материалов, в частности горных пород, может быть использовано при инженерно-геологических изысканиях и обеспечивает определение предела прочности материала при сжатии без разрушения образца.

Способ определения упруго-диссипативных характеристик древесины // 2715222

Изобретение относится к области определения упругих инерционных и диссипативных свойств образцов из твердых материалов и может быть использовано при исследовании их физико-механических свойств.

Способ контроля уплотнения сыпучего материала при создании барьеров безопасности в пункте размещения радиоактивных отходов // 2708702

Изобретение относится к технологии исследования прочностных свойств твердых материалов путем приложения повторяющихся или пульсирующих усилий и может быть использовано для определения областей образования пустот и величины плотности глиносодержащего барьерного материала при создании барьеров безопасности в пунктах размещения радиоактивных отходов, а также при выводе из эксплуатации уран-графитового реактора.

Способ неразрушающей оценки структурного состояния металла с использованием микроиндентирования // 2724584

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля, в частности к способу оценки структурного состояния металла конструкции, в том числе в процессе ее эксплуатации.