Способ прогнозирования трещиностойкости материала в зависимости от условий эксплуатации конструкции

(2 ) 4916669/28 (2 ) 05.03.90 (4 ) 30.08.93. Бюл, М 32 (7 ) Институт проблем прочности АН УССР и Опытное конструкторское бюро Гидро- и есс" (7 ) А.А.Лебедев, Н.Г.Чаусов, Ю.Г.Драгунов, А.В.Гетманчук и В,М.Комолов (5 ) Горелов С.Н. Сопротивление хрупкому. р зрушению сталей корпусов ядерных реакт ров при имитации нейтронного поврежден я облучением высокоэнергетическими н йтронами, Дис. канд. техн, наук, - К., 1987, . с,96.Драгунов Ю.Г. Разработка методов о еспечения сопротивления хрупкому разр шению корпусов ВВЭР с использованием к рреляционной зависимости статической т ещиностойкости и ударной вязкости: Авт реф. дис, .канд, техн. наук. - М 1989, с. 8 9. (5 ) СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТРЕИНОСТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛА В ЗАВИС;МОСТИ ОТ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ К НСТРУКЦИИ (5 ) Изобретение относится к испытаниям м териалов, а именно к способам прогнозир вания трещиностойкости материала в зав симости от условий эксплуатации к нструкции на малогабаритных образцах, Ц ль изобретения - повышение достоверн сти прогнозирования характеристик трещ ностойкости материала на заданных б зах наработки по данным испытаний мал габаритных образцов, В условиях равновесного статического деформирования проводят испытания малогабаритных образцов, гладких и с различными надрезами (с различной жесткостью напряженного состояния Ку в момент старта трещины) из материала в исходном состоянии и с ограниченной наработкой. По параметрам ниспадающих участков полных диаграмм деформирования испытанных образцов определяют значения характеристик трещиностойкости материала КЛ и строят зависимости КА ( Ко ), которые в пределе при максимально возможном стеснении у кончика трещины (условия плоской деформации) выходят на ассимптоты с ординатами, соответствующими критическим коэффициентам интенсивности напряжений материала в исходном состоянии и с ограниченной наработкой, Устанавливают изменение параметров кривых Я ( Ко ) в связи с наработкой (в случае, если постановка опытов по построению кривой Я ( Ко ) для материала с ограниченной наработкой не представляется возможной, предлагается эмпирическая зависимость для параметров кривых Я (Кгг), соответствующих материалу с различной наработкой и по данным испытаний в условиях равновесного деформирования единичных малогабаритных образцов, гладкого или с любым надрезом из материала с любой наработкой достоверно прогнозируют его критический коэффициент интенсивности напряжений, 2 ил,аниям нозиза- ии Изобретение относится к испыт териалов, а именно к способампро вания трещиностойкости материал симости от условий эксплуат конструкции на малогабаритных образцах и может быть использовано в заводских лабораториях и научно-исследовательских организациях для прогнозирования1837199 Кх =13 20 30 фР = К е "( обР)" (4) 50 характеристик трещиностойМости материала на заданных базах наработки.Целью изобретения является повышение достоверности прогнозирования характеристик трещиностойкости материала на заданных базах наработки по данным испытаний малогабаритных образцов.Сущность предлагаемого способа состоит в физически обоснованном допущении, что между характеристиками трещиностойкости исходного материала и после наработки, определяемыми по параметрам ниспадающих участков полных диаграмм деформирования и жесткостью напряженного состояния в момент старта трещины, существует устойчивая связь в виде экспоненциальной зависимости где Ко - параметр жесткости напряженно-, го состояния, численно равный отношению среднего напряжения к интенсивности напряжений, Ко = %п/о,По Бриджмену известно, что Ко =1/3+п(1+ ),где г, К - геометрические параметры шейки (радиус шейки и радиус профиля).Для исходного материала и материала после наработки будем иметь соответствен- но обрнарК исх, К, и( К,г,) (3) Параметр КД "Р. достигает своего критического значения Кс"Р, и ри К д = К о, т.е,нар. , - п(ку - ко р При максимально возможном стеснении у кончика трещины (условия плоской деФормации) кривая КД, ( Ко ) выходит на ординату, соответствующую критическому коэффициенту интенсивности напряжений Ксисх с абсциссой КОО,В случае наличия определенной эксплуатационной наработки материала, когда появляются признаки охрупчивания, кривая К,( К о ) будет расположена ниже кривой 5 10 15 для материала в исходном состоянии(характеристики трещиностойкости уменьшаются) и смещена влево(для охрупченного материала степень жесткости напряженного состояния, при которой достигаются условия плоской деформации, естественно, ниже по сравнению с материалом в исходном состоянии. При дальнейшей наработке материал продолжает охрупчиваться, а соответствующие кривые К,( Ко ) продолжают снижаться и смещаться влево, стремясь в пРеделе к точке С ОРдинатой Кс"Р, соответствующей критическому коэффициенту интенсивности напряжений полностью охрупченного материала,Из соотношения (2) при хрупком разрушении, когда В = со, получаем Таким образом, вся область возможных значений характеристик трещиностойкости материала, соответствующих различной жесткости напряженности состояния и различной наработке в координатах КД - Кд ограничена криволинейным треугольником, стороны которого представляют собой зависимости характеристик трещиностойкости от жесткости напряженного состояния, одна стороны - для исходного материала при наличии концентраторов различной жесткости, вторая сторона - для гладкого образца из материала с различной наработкой и третья - для образцов из материала с различной наработкой с концентраторами, обеспечивающими жесткость напряженного состояния материала, при которой достигаются условия плоской деформации(происходит квазихрупкое разрушение).Кривая, связывающая. критические значения коэффициента интенсивности напряжений материала при заданной наработке, с предельным значением параметра жесткости напряженного состояния Кп, прикотором достигаются условия плоской деформации, также описывается зкспоненциальным законом гЧнаР, К хР., ет(Кд - кО) Следовательно, критическое значение коэффициента интенсивности напряжений материала при заданной наработке может быть определено как ордината точки пересечения кривых (4) и (6), в которых параметры и, Ксхр., Ку и в являются характеристиками свойств материала и определяются экспериментал ьно, 1837199(7) слави 15- и, ( К КНДР.обРоб кГ" еф(Кд к ф) Йроаога им ажение, нахоровав это вь фткуд 81 45 50 о(КСТ КЗобр -Фв ван кдс(9) гаемый способ спытаний мало- одного материУточнение значения показателя п опред ляется путем построения эксперимент льной кривой ЕЛ ( Ко ) для материала с о раниченной наработкой. В случае, если и становка таких опытов не представляется 5зможной, то значение и можно определ ть по следующей эмпирической зависи- ости и=по 1 ( ,крторая удовлетворяет предельны г.а прип=п. КА= КА,при и = 0, К = К,хР.Значение КохР, при старении материал, например, вусловиях радиационного об л чения в 33,2 раза ниже Кс исходного атЕрИаЛа, ПОЭтОМу КЫР. - 1/3 Ко., ПрИ- чем в соответствии с формулой Бриджмена . К О "Рос 1/3, т,к, радиус профиля шейки охр 1 упченного материала равен бесконечно с 1 ги.Параметры. Ко и в получаем путем совместного решения уравнений (3), (4) и (б).1Для точки А получим30 1 П К П ( К О КЯРобР)= КР е( (К - КРОткуда после логарифмирл гасаЬк-и. (к .-кЩсарк -кТаким образом, предлаозваляет па результатам иабаритных образцов из исх ала и единичных испытаний образцов иэ материала с наработкой прогнозировать его характеристики трещинастайкасти на любых базах.На фиг. 1 представлена область возможных значений характеристик трещиностойкости материала с вариацией по жесткости напряженного состояния и эксплуатационной наработки. Здесь кривая 1 представляет собой зависимость характеристик трещиностойкости от жесткости напряженного состояния для материала в исходном состоянии; кривая 2 - зависимость, характеристик трещиностойкости, получаемых на гладких образцах из материала с различной наработкой; кривая 3 - зависимость характеристик трещиностойкости материала с различной наработкой при наличии концентрации, при которой происходит квазихрупкое разрушение(дастигаются условия плоской деформации). На фиг. 2 представлены экспериментальные значения характеристик трещинастойкости мартенситнастареющей стали,полученных на гладком образце (т.1) и образцах с концентраторами В 20 (т,2), 810(т,3), Я 4 (т,4) (соответствующие значения жесткостей напряженна, а состояния в моментстарта макротрещинь Ко. =. 0,771; 0,784;0,796; 0,828),Точкой 5 обозначено значение характеристики трещиностайкасти мартенситнастареющей стали, пссле специальнойтермаабрабатки, имитирующей ахрупчивание, получен нагл на гладком обрдэце, Экспе-риментальные данные длямартенситностареющей стали в исходномсостоянии аппроксимираваны экспоненциальнай зависимостью (кривая 1), Здесь жепредставлена прогнозируемая зависимостьхарактеристик трещиностойкости ахрупченнай мартенситностареющей стали в зависимости от жесткости напряженногосостояния (кривая 2),Способ осуществляют следующим образом,Предварительно, на установке с регулируемой жесткостью нагружающей системы,были испытаны в условиях равнавеснога деформиравания гладкие образцы (диаметррабочей частл 8 мм) и образцы с концентраторами 820, 810, 84 (при там же минимальном диаметре 8 мм) измартенситностареющдй стали в исходномсостоянии ( О а,г= 87 кг/мм, Ов = 109гкг/мм ). Трещиностойкость стали оценивали по параметру КА (5).Предла гнозировать 55 кости мат наработки ных условия Предлагаем нение в люб зировании.,г нара- обраа) при еднегде Я - сопротивление материала отрыву; /ър - удлинение образца на стадии роста макротрещины, отнормированное к площа- ди сечения стандартного образца (диаметром 8 мм). Значения параметра Як для гладкого образца и образцов с концентраторами 820, В 20, В 4 соответственнго равны 146,85; 146,66; 151,18; 154,80 кг/мм . Значения параметров Ыр для тех же образцов 1,662; 1,638; 1,450; 1,19 мм,Модуль Юнга материала К2,05 10 кг/м, Тогда характеристики трещиностойкости .КЛсоответственно.для гладких образцов и образцов с концентраторами получаются равными 2236,8; 2219; 2119,8;143,2 кг/мм / ., При этом жесткость напряженного состояния в момент старта макротрещины (старт макротрещины при испытаниях на растяжение в условиях равновесного деформирования однозначно связан с переломом на полной диаграмме деформирования в особой точке К) рассчитывали по формуле Ьриждмена Соответствующие знК О для гладких образцоцентраторами равны К0,796, 0,828.Учитывая; что значения критических коэффициентов интенсивности напряжений Кс пообной стали Кс. = 474600 кг/мм (Ксредн, = 537 кг/с ), кривая К Л ( Ко ) для исходного материала, описываемая экспоненциальной зависимостью, имеет вид (см. фиг, 2, кривая 1),исх. КЛо, - оо (К 7 - КО б ) Сгде 6,8 кг/мгэ/275;= 3,25;сх 0771ельно,2236,8 кг/ мэ/2 е,575 (кг/мм /2,из материала с заданнойорая имитировалась терморение исходного материаласа, которое приводит к об нию матрицы никелем, иэ-за преимущественного образования фаз, богатых никелем, и является причиной увеличения числа возможных мест зарождения трещин и повы щения вероятности их быстрогораспространения. Кроме того, при такой температуре старения в мартенситностареющих сталях затруднена релаксация нео. днородных микронапряжений, 10 возникающих при исходной закалке сталей,8 результате Кс мартенситностареющей сталй снижается на 1015% (17,18) изготавливали гладкий образец диаметром 8 мм и испытывали его на статическое растяжение 15 в условиях равновесного деформирования,По параметрам ниспадающего участкаполной диаграммы деформирования такого, охрупченного термообработкой, материала, определяли характеристику трещиностой кости ПРи этом значение паРаметРа К Ст обр,"Р. в30 момент старта макротрещины соответственно 0,7. Значение К 1 с"РдлЯ исследУемоймартенситностареющей стали принимали179 кг/ (Кисх /3).Тогда значения параметров и; п 1 и35 равны соответственно-аэъ,Ь к+ и к ",- В п к ",Р + вб,бе45 г,45 в аээя о;т,5 г+аэиО Эг 505555 Е оФ 7 К Ообр, ) -59(3,01-0,7) = 493 к / 3/2 аемыи способ позволяет прохарактеристики трещиностойериала с заданной базой в конкретных экспериментальх на малогабаритных образцах. ый способ может найти примеой области техники при прогнотрещиностойкости материала взависимости от условий эксплуатации кон струкции, Особенно он может быть полезен 1 при оценке характеристик трещиностойко. :сти корпусных материалов на пробах весь:,:ма ограниченных размеров, 5 , непосредственно изьятых из действующих ; изделий, в частности корпусов реакторов.Формула изобретенияСпособ прс 1 гнозирования трещиностой; :кости материала в зависимости от условий 10эксплуатации конструкции, заключающийся ; в том, что из испытуемой конструкции выре, зают пробы материалов, из которых изго, :тавливают серию малогабаритных образцов : с концентраторами, проводят их механиче : ские испытания, определяют энергетиче; :скую характеристику испытуемого : материала, по которой судят о его трещино. стойкости, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с , целью повышения достоверности прогнози ; рования характеристик трещиностойкости материала на заданных базах наработки, , изготавливают серию малогабаритных Об, разцов с надрезами, обеспечивающими , :разную степень жесткости напряженного 25 , состояния в момент старта трещины из ма .териала в исходном состоянии, а один идентичный образец любому из серии - из материала осле заданной базы наработки, .: механические испытания осуществляют 30 , статическим растяжением в условиях равно-веского деформирования, определяют значения характеристик трещиностойкости ,: исходного материала при различной жест 1 кости напряженного состояния и материала 35 : после наработки по параметрам ниспадаю, :щих участков полных диаграмм деформирования, а критическое значениекоэффициента интенсивности напряжений ,для материала с заданной базой наработки 40 : определяют по формуленэрке(КгК Ядр) где и - параметр, характеризующий свойства материала с заданной базой наработки и п 11 (, ) 3КЛ - . КЛ гЯД- Кпо - то же для материала в исходном состоянии;К 1 С"Р - значение характеристики трещиностойкости полностью охрупченного материала;КЛ, КЛ - значения характеристик трещиностойкости, определяемых путем испытания образца из материала в исходном состоянии и с заданной базой наработки соответственно;Йо - значение параметра, характеризующего жесткость напряженного состояния материала образца, при которой происходит квазихрупкое разрушение при заданной базе наработки, определяемое из соотношениящ - параметр, характеризующий зависимость критических значений коэффициента интенсивности напряжений материала при разгичной базе наработки От соответствующих значений К гт,К сговор "Р - ,-, начение параметра, характеризующего жесткость напряженного состояния материала в шейке образца, после заданной базы наработки;К доб;. и"- то же для образца из исходного материала и идентичного образца после заданной базы наработки;Кп, Кс " - значение параметров, характеризующих жесткость напряженного состояния материала образца, при которой происходит квазихрупкое разрушение для исхОдного и полнос 7 ь 16 Охрупченного мате риала соответственно.1837199 уф беде Сос Редактор орректор А. Козориз ГКНТ СС 101 ат "П од. ул. Гагар ЬСКИИ КОМ оизводст вен но-из 86ИПИ Г ель А.ЛМ.Морге Тираж Подписноевенного комитета по изобретениям и открытиям и113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5