Способ оценки сопротивления конструкционных материалов развитию трещин

(51) 5 СУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНДОМСТВО СССРОСПАТЕНТ СССР) И Е ИЗОБРЕТ ОПИ СТВУ ОРСКОМУ СВИДЕ инстиЛЕНИ В РАЗ очно- опроиалов функ- спро- ному(71) Казанский физико-техническийтут Казанского филиала АН СССР(56) Авторское свидетельство СССРМ 1114917, кл. О 01 М 3/08, 1985.Патент ФРГ М 3041704,кл, 6 01 М 3/08, 1989.(54) СПОСОБ ОЦЕНКИ СОПРОТИВКОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВИТИЮ ТРЕЩИН(57) Использование: исследование истных свойств материалов, оценкативления конструкционных матеразвитию трещин, Цель: расширенициональных возможностей за счетизведения эквивалентных двухо Изобретение относится к исследованию прочностных свойств материалов, а именно к способам оценки сопротивления конструкционных материалов развитию трещины,Цель изобретения - повышение информативности исследования характеристик циклической трещиностойкости в случае смешанных мод разрушения за счет воспроизведения эквивалентных двухосному нэгружению коэффициентов интенсивности напряжений при одноосном нагружении.Это позволяет воспроизвести эффекты двухосности нагружения при изучении характеристик циклической трещиностойкости конструкционных материалов для нагружению коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) при одноосном нагружении. Сущность изобретения; для воспроизведения эффектов двухосности нагружения в каждый момент времени обеспечивается равенство заданного КИН для двухосного нагружения и реализованного КИН для эквивалентного одноосного нагружения путем монотонного изменения номинального одноосного напряжения и угла приложения нагрузки (по отношению к плоскости трещины) по закону, определяемому этим равенством, Положительный эффект: обеспечивается возможность воспроизведения эффектов двухосности нагружений при изучении характеристик циклической трещиностойкости конструкционных материалов для смешанных мод разрушения при программном одноосном растяжении, 4 ил,смешанных мод разрушения при программСЛ ном одноосном растяжении, В данном случае не требуются уникальные многоцилиндровые электрогидравлические аО стенды, реализующие двухосное номинальное НДС, а достатонно сериинои однооснои разрывной машины типа УРС - 20 с программатором нагружения. В предлагаемом способе для воспроизведения эффектов двухосности нагружения в каждый момент времени обеспечивается равенство заданного КИН для двухосного нагружения и реализованного КИН для эквивалентного одноосного нагружения путем монотонного изменения номинального одноосного напряжения и угла приложения нагрузки (поотношению к плоскости трещины) по закону, определяемому этим равенством. При замене натурных двухосных испытаний эквивалентными одноосными достигается экономия материальных затрат при оценке 5 и исследованиях одного и того же явления смешанных мод разрушения.Способ поясняется чертежами (фиг.1 - 4) и осуществляется следующим образом,Используют плоский образец с симмет- "0 рично расположенными относительно центрального надреза 1 (фиг.1) тремя парами отверстий 2 (фиг,1) для крепления захватов, Надрез располагается вдоль одной из осей симметрии образца. Образец закрепляется 15 в Я-образных захватах (фиг.2), имеющих по три крепежных отверстия 1 (фиг,2) и по 13 нагрузочных отверстий 2 (фиг,2), Исходя из заданных величины и соотношения номинальных напряжений при двухосном напря женном состоянии д и д из заданного угла ориентации исходной трещины ф рассматривают величину номинальных напряжений при эквивалентном одноосном растяжении д, По этой величине напряже 1ний определяют величину и направление приложения нагрузки относительно плоскости ориентации исходного надреза г 4 .Тем самым назначается первоначальная пара противоположных нагрузочных отверстий в Я-образных захватах, к которым через соответствующее приспособление прикладываются растягивающие усилия от испытательной установки (не показаны), К образцу прикладывают циклическую одноосную нагрузку г изменяющуюся по рассчитанному закону, исходя из условия эквивалентности двухосному напряженному состоянию, За развитием трещины на блюдают в микроскоп. Этой изменяющейся циклической нагрузкой образец нагружают до тех пор, пока разность между двумя последовательными положениями вершинытрещины на траектории ее развития а и 45 3 -не будет определяться наперед заданным шагом по углу приложения нагрузки в Я-образных захватах через соответствующие отверстия, т.е. разностью углов ( а а, -) между двумя последовательными направлениями приложения нагрузки, В тот момент времени, когда длина трещины а достигнет такой величины, что (о 55 а а - ) станет равным, допустим, 3, циклическое нагружение прекращают, образец вместе с Я-образными захватами перемещают так, чтобы нагрузку можно было приложить к следующей соседней паре на угол прилокения начальответствующий д ) й нагруз Д.дД-усоир зи 2+ 1/ ) +1 - у ) сов 2 Д+1 1 ц) + 1 - ц ) с О 3 2 /2) грузочных отверстий, Линия действия нагрузки в этом случае, проходящая через пару противоположных нагрузочных отверстий в Я-образных захватах, будет ориентирована относительно плоскости исходного надреза в образце под углом а В этом положении опять образец нагружают циклической нагрузкой, изменяющейся в соответствии с законом эквивалентности двухосного и одноосного напряженных состояний, За развитием трещины наблюдают в микроскоп, последовательно фиксируя длину трещины и соответствующее ей число циклов нагружения, Таким образом, меняя пары отверстий для приложения нагрузки в Я-образных захватах в строгой последовательности в моменты времени, определяемые соответствующей длиной трещины, образец доводится до полного разрушения. По результатам измерений в эксперименте строят зависимости длины трещины от числа циклов нагружения, которые в свою очередь перестраивают в диаграммы в координатах скорость роста трещины - коэффициент интенсивности напряжений, По линейным участкам этих диаграмм определяют экспериментальные константы, являющиеся характеристиками циклической трещиностойкости данного материала при двухосном номинальном напряженном состоянии. Величина шага по углу прилокения нагрузки в Я-образных захватах не должна превышать 3 в связи с тем, что в противном случае погрешность в расчете долговечности будет более 207 из-за грубого воспроизведения траектории роста трещины.П р и м е р, Требовалось реализовать условия двухосного растяжения с соотношением номинальных напряжений д = 0,5 и исходной ориентацией трещины /3 = 20 при одноосном растяжении. Заданная амплитуда наибольшей компоненты двухосных номинальных напряжений составляла д = 100 МПа, Рассчитывали параметры эквивалентного двухосному одноосного нагружения по следующим формулам:амплитуда эквивалентных одноосных напряженийХарактер изменения амплитуды напряжений Д по числу циклов нагружения, пол 1ученный в результате расчета по формуле (1), показан на фиг, 3, Расчетное значениео5 угла а, составило 80 .Для испытаний использовали образец с размерами 135 х 80 х 7 мм из сплава 016 АТ с боковым односторонним надрезом длиной 1=36 мм, Закрепляли его в Я-образных захватах, которые в свою очередь фиксировали в гидрозахватах установки УРС - 20 и нагружали под первоначальным углом а, = 82 к плоскости ориентации исходного надреза. Образец нагружали монотонноиз меняющейся амплитудой напряжений д1 За развитием трещины наблюдали в бинокуля рн ый микроскоп М БС - 10 с 24-кратн ы м увеличением и замеряли соответствующее число циклов нагружения. Этот процесс 20 циклического нагружения осуществляли до тех пор, пока длина развивающейся трещины от надреза не стала равной а 1 величину1которой рассчитывали по формуле исходя из заданного шага по углу приложения нагруэки ( С 61 - а 1 - ) ) = 3а, = а -соа ( са - а - 1 ) + а 1 а (о 3 - а - 1) 10(-. - Й + са - са - 1 ) )30В данном случае нагружение под угломг 4 = 82 осуществляли до достижения трещиной длины а 1 = 28 32 мм, После этогообразец вместе с Я-образными захватамипереставляли в захватах установки УРС35таким образом, чтобы линия приложения нагрузки по отношению к плоскости ориентации исходного надреза в образце составлялауже 85.Затем образец опять нагружали монотонноизменяющейся амплитудой напряжений по закону, с начальным значениемнапряжения соответствующим последнемузначению д перед перестановкой образца,В этом положении образец разрушился придлине трещины а 1 = 32,7 мм до достижения 45новой расчетной длины, определенной поформуле (3), необходимой для следующей перестановки захватов,В процессе эксперимента замеряласьдлина трещины и соответствующее ей накопленное число циклов нагружения, Исходя из величины приложенной нагрузки Р,соответствующей д размеров образца имассива замеренных длин трещин рассчитывали значения коэффициентов интенсивности напряжений К) и К 2, необходимых дляинтерпретации результатов экспериментов0,26 + 2,65- 23 +1,4и - и Кг 51 Г 3 и- 1 да 1 -- 1 - 0,67 +2.08- а и аа 1 И и - ию-а Я = 0 11 К 1 + 2 Гл 12 К 1 К 2+ ГХ 22 К 2 (4) 2 2 где а 1) - упругие константы материала,Линейный участок диаграммы усталостного разрушения, полученной экспериментально для сплава О 16 АТ аппроксимировался уравнением б а уаЯмдкс )ибМ Я где Ямдк 0,п - искомые параметры свойств трещиностойкости сплава 016 АТ в условиях, воспроизводящих смешанные моды двухосного растяжения при эквивалентном одноосном, Для данного материала они оказались равными п=1,773, Я = 0,1467 0,3 У Ра)Б, Вид полученной экспериментально диаграммы усталостного разрушения в соответствии с предложенным способам показан на фиг. 4.Предложенное техническое решение позволяет воспроизвести эффекты двухосности нагружения при изучении характеристик циклической трещиностойкости конструкционных материалов для смешанных мод разрушения при программном одноосном растяжении,Формула изобретения Способ оценки сопротивления конструкционных материалов развитию трещин, заключающийся в том, что через пару противоположных отверстий в Я-образных захватах к исследуемому образцу с трещиной прикладывают одноосную нагрузку под фиксированным углом к плоскости ориентации исходного надреза и регистрируют приращение длины трещины по числу циклов По отношению приращений длин трещин и соответствующих им приращений чисел циклов нагружения рассчитывали скорость роста трещины ба/с 1 К. Ей в соответствие ставились значения К) и К 2, которые в совокупности образовывали диаграмму усталостного разрушения в координатах ба/оМ-Я, где Я - эквивалентное значение коэффициента интенсивности напряжений в случае смешанных мод разрушения 1 и 21805319 апряжени Оль ОДНОЙ ри двухососей симноминаль ния компот относииСХОДнОГО 25 О,б 1 л/(а. О д= о,аи с = 0,60 Ф , = 020 И/ .ц = О,/5 И/ нагружения до полного разрушения образца, а о сопротивлении материала развитию трещин судят по зависимости скорости роста трещин от размаха эквивалентного коэффициента интенсивности напряжения, отл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения информативности за счет воспроизведения эквивалентных двухосному нагружению коэффициентов интенсивности напряжений при одноосном нагружении, одноосное на гружение осуществляют с монотонным изменением напряжений О по закону: где 0 - заданные н ип ном нагружении вд из метрии;д - соотношение двухосных ных напряжений;Р - заданный угол приложе ненты двухосных напряжений тельно плоскости ориентации надреза трещины),при этом начальную нагрузку прикладываютпод углом к плоскости ориентации исходного надреза, определяемым соотношением 924 -1 -1+ + 1 -ооз 2 зо 2до достижения длины трещины а, равной з 1 = а ы( а - сз -) зо (а - а -) 9 ( 2о + а - 4 -где аь - длина надреза или трещины на1предыдущем этапе, ориентированных поруглом а -1;Я - угол, определяющий дальнейшийрост трещины в зависимости от ее ориентации под углом а 1-1;1,а - а -1; - угол между двумя последовательными направлениями приложениянагрузки,после чего нагрузку прикладывают в направлении, отстоящем от предыдущего наугол, не превышающий 3 О, и повторяют циклизменения величины и направления нагрузки до полного разрушения образца,(у 0 б О тттгттттпптпп и гпттгпттт;ттгп т 1 т птптптттттптчттт т 1 тггтттптп12 С 140 160 180 2 Х 220 240 250 28 д коэффициент интенслвнооти напря кенией зктор Н.Ревска акто аказ 935 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 1 м-2006 - 3,.О0 Составитель В,ШлянникоТехред М,Моргентал