Способ определения усталостной поврежденности материала

(5)5 6 01 й 3/32 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Киевский политехнический институтим,50-летия Великой Октябрьской социалистической революции(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.З - 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(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. ЯП р и м е р, Испытывают образцц из 0 алюминиевого сплава А 1 МпС, вырезанные в из пластины толщиной 10 мм, Диаметр О, образцов б= 2 мм и длина рабочей части 10=5 мм. Нагружение мягкое. циклическое.пульсирующее на трех уровнях максимальных напряжений пвахк, 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 д 5= 20. Его диаграмма деформирования о(е ) с ниспадающим участком 81 С 1 Д 1, ос1661621 ные 5(еь). На фиг.2 цифрами 1,2 и 3 обозначены диаграммы Я(еь), соответствующйе диаграммам о(г) фиг,1. По этим диаграммам определяют величины пре дельных деформаций. соответствующихстатическому разрушению предварительно циклически нагруженного материала. Для первой партии образцов, циклически нагруженных до п 11=2500 циклов на уровне мак симальных напряжений %пах равных)130 МПа, величина предельной деформации определяется абсциссой точки2 на ниспадающем участке С 2 К 2 диаграммы Я(ет) (фиг,2, кривая 2), а для второй партии образцов ат,х 1= 130 МПа, п 12= 5000 циклов) - абсциссой точкиз на ниспадающем участке СзКздиаграммы Я(еъ)(фиг,2, кривая 3). По сути абсциссы этих точек, равные ер 11 и Вр 12 (фиг.2), характеризуют деформационный ресурс материала после циклической наработ-.ки до п 11 и п 12 циклов нагружения на рассматриваемом уровне напряжений, Затем ВЕЛИЧИНЫ Ер)1 И Ер 12 СОПОСтаВЛЯЮт С ВЕЛИЧИГ ной предельной деформации материала в состоянии поставки, которая определяется абсциссой точки О на ниспадающем участке диаграммы Я(е 1 п), равной ер 1(фиг.2, кривая 1).Сопоставление показывает, что предварительное циклирование образца до п 11 циклов вызывает выработку деформационного ресУРса на величинУ (ер 1 - ер 11). УказаннаЯ выработка оценивается логарифмической мерой усталост ной.поврежден ности 35 для яев,где вэ =(сЬр/дк);(3) 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 овах 1= 130 МПа до п 11= 2500 циклов нагружения, Вторую партию (также 5 шт) подвергают такому же нагружению до п 12=5000 циклов. Для этих двух партий образцов строят диаграммы деформирования с ниспадающими участками а(е), 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 В 1 С 1 Р 1 В 2 С 2 Р 2 и ВзСзРз диаграмм о(е) определяют статистическую поврежденность материала в минимальных поперечных сечениях образцов, развивающуюся вследствие статического растяжения; щ= ов -д(е)о) бтр - диаметр центральной трещины в минимальном поперечном сечении разорванного образца, который можно принять равным размеру чашечки в изломебк - конечный наружный диаметр этого сечения.С учетом этой поврежденности определяют степень деформации или логарифмическую деформацию для элемента материала, выделенного в минимальном поперечном сечении образца: и находят истинные напряженияЯ(е) =о(е)ехреь(е, (4)По формулам (3) и (4) осуществляют пересчет условных диаграмм о(к) в истинИ/уст 11=Е;р 1-Ер 11, (5) которая связана с соответствующей скалярНОй МЕрсй Вуст 11 ЗаВИСИМОСтЬЮ Вуст 11=1-ЕХР(Ер 1 1-Ер 1). .(7) Предварительное циклирование образца до п 12 циклов вызывает уменьшение деформационного ресурса на величину (ер 1-ер 12), Тогда в соответствии с формулой (7) Таким образом, получены два значения уСтаЛОСтНОй ПОВрЕждЕННОСтИ Вуст 11 И Вуст 12 ДЛЯ ДВУХ ЧИСЕЛ ЦИКЛОВ ПРЕДВаРИтЕЛЬ- ного нагружения при п 11 и п 12 для задан- НОГО уровня Огпах 1= 130 МПа; На основании полученной информации на плоскостиюуСт 11 - и 1 ПО трЕМ тОЧКаМ (О О) Иуст 11, и 11 И Й)уст 12, и 12 Стрсят КрИВуЮ, которая однозначно аппроксимируется степенной зависимостьюуОуст 11 =О 1 П 1, (9) ауст 1 = 1 - ЕХР ( - Ер 1) Зф(10) 40 Таким образом, как только величина накопленных усталостных повреждений достигнет критического значения, произойдет усталостное разрушение материала, Число циклов нагружения при этом и будет опрегде а 1 и Р 1 - параметры, определяемые по значениям пц и вустц 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 М 1, 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 К 4 И при этом никак не реализуется, 20 поскольку разрушение элемента материала происходит в точке Ь 1.Следовательно, для состояния усталостного разрушения элемента материала характерна полная выработка .всего 2 У деформационного ресурса материала на данном конкретном уровне напряжений (отрезок ОО, фиг.2). Поскольку абсцисса точки О практически равна 0 (состояние 4 характеризуется упругими или малыми упруго пластическими ДефоРмаЦиЯми), то ер 14=0, Тогда критическая величина усталостной поврежден ности на рассматриваемом уровне напряжений, соответствующая полному усталостному разрушению элемента мате у риала, в соответствии с выражением (7) составит: делять долговечность, т.е. и ри Вуст= Вуст 1 Пц = й 1. ИЗ ЗаКОНа НаКОПЛЕНИя усталостных повреждений (9) определяют долговечность:( ст 1 ) 1 фО 1Для рассматриваемого примера (фиг.1,2 и 3) ер"3,63, е 1 р 11=3,4, ер 12=3,0. В соответствии с (10) (7) и (8) вуст 1= 0,973, Иуст 11= 0,205, Фуст 12= 0,467. В соответствии с (9) и координатами точек 1 и 2 (фиг.3) а 1=1,887 10, В 1= 1,188. Тогда й 1=9260 циклов. Контрол ь ные исп ытания пяти образцов, проведенные в том же режиме по классической схеме, показали долговечность й 1 пределах от 7000 до 10500 циклов.На двух других уровнях максимальных НаПрЯжЕНИй Оаах 2 И Оаахз ДОЛГОВЕЧНОСТИ ОП- ределяют в такой же последовательности и они составляют М 2,з=210000 и 1,2 10 циклов,Формула изобретения Способ определения усталостной поврежденности материала, заключающийся в том, что партию образцов циклически нагружают с различной наработкой, а в качестве показателя поврежден ности определяют характеристику остаточной статистической прочности материала, о т л ич а ю щ и й с я 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 Лончако КТОЭ К Гулько Тираж . Подписноетвенного комитета по изобретениям и открытиям113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 уда д, ул. Гагари твенно-издательск а атей, г. У Редакторе каз 2118 ВНИИЛИ Сос Техр итель Д.Посп М.Моргентал