Способ измерения параметров медленного роста трещин в хрупких материалах

(5 НОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ СВИДЕТЕЛЬСТВ АВТОРС С целью повышения точности и сокращения сроков испытаний и снижения трудоемко. сти и измеряют длину распространения трещин индентирования, расположенных вдоль оси образца. Сравнивая изменение размера длин трещин, для которых напряжения различны, определяют параметр медленного роста трещин Й из уравнения, содержащего указанный параметр А и параметры А 1, А 2, 1, 2, где А 1 = ао 1/а 1, А 2 =ао 2/а 2, ао 1, ам, а 1, а 2 - соответственно начальный и конечный размеры трещины 1 и 2, , 2 - соответственно расстояние от внешней опоры до трещины 1 и 2. В испытании одного образца можно, получить до 100 определений параметров медленного роста .трещин. Параметр А определяют по формуле, содержащей п 1 - напряжение на трещине 1 (сг 1 = сопзт), У - геометрический фактор (У = 1,265), т - время действия нагрузки о.2 ил.; 1 табл. чно-производств логия"и В,Г.Веревка он Т.Г. Конструкционталлургия, 1980, с.235. та М.О., Согп 3) ОЯ., ЯиЬогЮса сгосМ 9 гоюй еб Яй .3, татег зо ч. Я ПАРАМЕТРО ЕЩИН В.ХРУ ЗМЕРЕНРОСТА ТАХе относи(54) СПОСОБ И МЕДЛЕННОГО КИХ МАТЕРИАЛ (57) Изобретени хрупких матери нию параметро при испытании и трехточечный из которого нанос тся к испытаниям енно к определеого роста трещин еского образца на стянутой стороне нтором трещины. алов, а им медленнризматич гиб, на ра ятся инде К - . коэффицжений на трещи Зависимость(2 ч =АК где А и й - пар трещин в материОбрабатывая трещины в завис интенсивности параметры медле вестны методы: д консольной балки ки с постоянным гиб с трещиной енного роста аметры медале.данные симости отнапряженийнного роставойноГО круч, двойной кмоментом,Эти мето корости ростакоэффициента , определяюттрещины. Изения, двойной онсольной балобразец на изды исследуют 1(К),(21) 4921414/28 (22) 22.01.91(46) 15,08.93, Бюл. М (71) Обнинское нау обьединение "Техно (72) Ю,И.Добринский (56) Эванса ГАангд ная керамика, М.; МеОац Н, Мапйгат Мсгос 1 гцсшгез апс и ох 9 егег )от ргезз 17,1982, р.2486-94,Изобретение относится к исследованию прочностных свойств материалов и может быть использовано для определения закономерностей развития трещин под нагрузкой в хрупких материалах. Для исследования закономерностей медленного (докритического) развития трещин в хрупких материалах (керамике) используются, как правило, методы, в основе которых лежит определение изменения податливости образца с развитием трещины. Обрабатывая диаграмму релаксации нагрузки, строят зависимость- скорость развития трещины иент интенсивности напряе.развитие трещины большой длины ( 1 мм), в то время как реальные трещины в несущих деталях иэ хрупких материалов на 1-2 по. рядка меньше,Определение параметров медленного 5 роста трещин необходимо для условий соответствующих условиям эксплуатации материала, Для таких материалов, как конструкционная керамика, это температура 1000-1600 С, Испытание при таких темпера- "0 турах. указанными методами это довольно . сложная техническая проблема, связанная с термостойкостью нагружающих элементов.Изве;тен способ определения парамет ров медленного роста трещин в материале наблюдением за развитием трещины малого размера (100200 мкм) в образце из керамики после действия приложенной к образцу нагрузки, Трещину получают при 20 вдавливании индентора в поверхность образца. Потом образец нагружают некоторой постоянной нагрузкой, На трещину действуют напряжения в течение некоторого времени. Определение изменения длины под 25 действием этой нагрузки позволяет определить скорость трещины, соответствующую интенсивности напряжения на ней,30(3) К- д.Уа,где У - геометрический фактор, определяемый расположением и формой трещины;а - размер трещины.Как видно из формулы (2) и(3), с ростом трещины изменяется интенсивность напряжений на ней, и значит скорость распространения трещины, определяемая как среднее в течение указанного интервала времени, будет определяться не точно. Как можно представить описанный метод довольно трудоемкий для определения зависимости (2)ч = 1(К), Каждая экспозиция под нагрузкой дает по сути только одну точку зависимости ч = т(К) и для получения значимой информации во всем диапазоне докритического роста трещин, нужно цикл измерений повторить многократно, испытания являются продолжительными и трудоемкимиф Особенно в условиях испытаний при высоких температурах, Отмеченные выше неточности в определении скорости роста трещины, соответствующей коэффициенту интенсивности напряжений, позволяют делать лишь оценки параметров медленного роста трещин.Целью изобретения является повышение точности и информативности в определении параметров медленного роста трещин, путем наблюдения за развитием 35 40 45 50 55трещин, расположенных на некотором заданном относительно друг друга расстоянии. С помощью микроскопа определяются размеры трещин до и после испытания нагрузкой и определяются параметры медленноа роста трещин по формуле, приведенной ниже.Поставленная цель достигается использованием в образце нескольких трещин, расположенных на растянутой поверхности образца таким образом, что напряженное состояние на всех трещинах при нагружении трехточечным изгибом различно, Таким образом при одном испытании одного образца исследуется весь диапазон докритического роста трещины. Для определения параметров медленного роста трещин А и й используются соотношения, учитывающие функциональную зависимость скорости трещины от коэффициента интенсивности напряжений,. Для получения трещин одна из граней образца полируется до Вг - 0,0400,080, чтобы обеспечить хорошее отражение для последующего наблюдения эа трещиной в микроскоп, Трещины получают индентированием пирамидой Виккерса на определенном расстоянии друг от друга, чтобы обеспечить различную интенсивность напряжений на трещинах при нагружении. Полученные дефекты имеют форму полудисковой трещины (фиг.1), геометрический фактор которой У = 1,265. ба А (о у/а)(4) Рассмотрим отдельно 2 случая; нагружение с постоянным напряжением; нагружение с постоянной скоростью изменения напряжений. О= сопэ 1. Ф Разделяя переменные, интегрируемуравнение(4) юг Аоао а о.(5) Для рассматриваемого случая при росте трещин от ао до а У = сопя, Решая уравнение (5), получаем выражение. которое опиВозможны режимы нагружения: с постоянной скоростью изменения напряжений а.= сопэт, с постоянным напряжением у= сап эт.Запишем уравнение (2) в дифференциальной форме( - - 1) 0 аог, а 2ие ото ие ото где А = - , Аг а 1- расстоянпоры до щины 2 из уравыд ожно определиивй 1 (( -Аналогичным обр ие для случая испыта остью нагружения, и 5) .сс Кт), т,е. и=а т Р удет иметь вид зом получаем решеия с постоянной скодставив в уравнение ешение уравнения (5)-- +М2 2=дУс( где 1 - время до Записывая двух трещин, д ее, получаеме А 1=,Аг=- а 01 а 1 сывает изменение длины трещины а( в течение времени 1 под нагрузкой В где ао 1, а 1 - размеры трещины до и после исп.ытаний,Уравнение (6) можно записать для любой другой трещины. Решая совместно уравнения из (6) для двух различных трещин, для которых Ф Фо 2 получаем выражение, иэ которого численным решением определяется параметр И; разрушения образца,истему уравнений из (9) дляя которых о ФО 2 и решая 15 20 25 11 - расстояние от опоры до трещины 1 (фиг.2);2 - расстояние от опоры до трещины 2 (фиг.2),Параметр А можно определить из уравнения (9), подставив.й Для определения можно испольэовать любую пару дефектов, для которых действующиенапряжения не одинаковы, Число возможных комбинаций при числе нанесенных дефектов и - 7 более 100, при условии, что на всех дефектах напряженное состояние разное и только часть(50 иэ них пригодна для измерений. Как видно и информативность одного испытания очень высока. Размеры трещин до и после испытаний определяются на оптическом микроскопе.На некоторых трещинах, расположенных дальше от центра образца, иэ-за низкого напряжения рост трещины происходить не будет, т.е. коэффициент интенсивности напряжений был ниже пороговогоК( Ке, (12),Рассматривая развитие на соседних трещинах, расположенных.к центру образца, определяем параметры медленного роста трещин в припороговой области, т,е; соответственно ч10 м/с. Таким образом, можно сделать оценку порогового коэффициента интенсивности напряжений К 1(ь,Способ осуществляется следующим образом.Для примера параметры медленного роста трещин А и М определялись на керамике иэ реакционносвязанного нитрида кремния при 1000 С. Образец размером 7 х 7 х 70 мм с одной стороны был отполирован до В 0,040-0,080. Иа этой стороне индентором Виккерса было сделано 8 отпечатков с нагрузкой на индентор Р10 кг, при этом на поверхности образовались полудисковые, медианные трещины с размером 2 а =380 5 мкм(см. фиг.1, таблицу). Трещины относительно центра образца (точка приложения силы в испытаниях на трехточечный изгиб) располагались такимобразом, чтобы расстояния от трещин 4 и 5 до центра образца соответственно были 1,5 . и 0,5. мм. Такое расположение дает возможность сравнивать любую пару дефектов, так как для них выполняется условией Фо), о=сопза Фщ, а=сопзс длялюбыхи).Образец был испытан на трехточечный изгиб в условиях постоянной скорости изменения напряжений(а= 0,6 МПа с ). Результаты измерений и результаты расчетов по формулам приведены в таблице. Для измерения исСледовались не все дефекты, так как расположение, форма полученных дефектов, условия в вершине трещины не всегда соответствовали расчетяой модели.Дэннле, подставляемые в уравнение(10), для определения параметра й берут из таблицы.Параметр А уравнения (2) определяется по формуле 1 - Айг ( 1)2.Для приведенного примера параметр А рассчитывался по уравнению (11), где А 1 = отношение начального ао 1 к конеча 01 а 1 ному размеру а 1 выбранной трещины; М - параметр медленного роста трещин, определяемый ранее; 1 - время нагружения с постоянной скоростью изменениянапряжений до разрушения; У - геометрический фактор формы трещины (для дефектов, пОлученных индентировэнием в данном примере У = 1,265),Использование предлагаемого метода определения параметров медленного роста трещин обеспечивает по сравнению с существующими методами следующие преимущества: измерение параметров на трещинах малых (50-500 мкм) размеров соответству 1 ощих размерам реальных дефектов в керамических деталях; испытание одного образца позволяет сделать 10-100 определения параметров медленного роста трещин; метод позволяет определять параметры для скоростей роста трещин ч10 м/с, что важно для определения ресурса длительно нагруженных керамических деталей; форма образца и схема нагружения позволяет без затруднений произвести исследование при высоких температурах, соответствующих эксплуатационным, используя универсальные испытательные средства,Для определения одной пары значений (ч 1, К 1) в зависимости (2) с приемлемой точностью необходимо наблюдение изменения,(и/а - 1) 55 д 01 дОгА 1= - :А 2 = - а 1 дг длины трещины порядка 10 мкм, что для скоростей роста трещины порядка 10 м/с дает время экспозиции под нагрузкой 1 ч.Для того, чтобы получить информацию во 5 всем диапазоне медленного роста трещиннужно сделать хотя бы 10 измерений. Для каждого измерения процесс установки, нагружения необходимо прерывать, что как правило при высокотемпературных испыта ниях сделать нелегко. Кроме того, оченьважно информация по медленному росту трещин будет соответствовать одной трещине, а материалы этого класса, как правило, являются неоднородными и для 15 проектирования надежных конструкций изэтих материалов необходимо иметь возможность сделать консервативные оценки их характеристик, Предлагаемый способ позволяет исследовать параметры медлен ного роста трещин в объеме материала вполной мере отражающем неоднородность свойств. Процесс испытания под нагрузкой в описанном выше примере составлял не более 10 мин. При этом получаются пара метры медленного роста трещин во всем. интервале докритического роста трещин иотражающие возможную неоднородность свойств в материале.Формула и зоб рете н ия 30 Способ измерения параметров медленного роста трещин в хрупких материалах, по которому в призматическом образце предварительно инициируют трещину, нагружают образец поперечным прибором, 35 определяют длину трещины через определенное время и рассчитывают параметры медленного роста трещин А и й, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности, сокращения сроков испытаний и 40 снижения трудоемкости, в образце предварительно инициируют по крайней мере еще одну трещину, нагружение осуществляют с постоянной скоростью изменения напряжения, предварительно определяют рассто яние 11, 12 от первой и второй трещины доодной из опор, определяют длину обеих трещин через определенное время т, а величины А и й определяют из уравнений1 О 1833802 Составитель Ю, ДобринскийРедактор Техред М.Моргентал Корректор С Пекарь Заказ 2683 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Произвопственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, уп,Гагарина, 101 где ао 1, а 1 и ао 2, аг - соответственно начальный и конечный размеры трещин; 0- напряжение на одной иэ трещин;У - геометрический Фактор,