Способ определения трещиностойкости материалов

(51)5 601 Й 3/ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН пытательеткая региещины. Кощей этому ляются распределения При испы- Р - ч трех. пов получаОСУДАРСТВЕН ЮЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Новосибирский электротехнический институт(56) Пашков Ю.И., Моношков А.Н, Совершенствование методов оценки трещиностойкости пластичных листовыхматериалов, Завод, лаб., 1985, В 7, с.66-96,Авторское свидетельство СССРМ 135970, кл. 6 01 й 3/00, 1986,Микляев П,Г. и др. Кинетика разрушения, М.; Металлургия, 1979, с.66-68.Хеллэн К., Введение в механику разрушения. Мир 1988, с.181-186.Куриленко Г.А. и др. Обратная задача обисточнике тепла применительно к испытаниям материалов на трещиностойкость. Всб. Динамика судовых механизмов и.системс упругими звеньями. Новосибирск: Изд.НИ И ВТ, 19,87, с.56-59.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛОВ(57) Изобретение относится к испытательнрй технике и может быть. использовано для Изобретение относится к и ной технике.Целью испытаний является ч страция момента страгивания тр ординаты точки, соответствую моменту, на диаграмме Р - ч яв четными для последующего о параметров трещиностойкости. таниях получаются диаграммы типов, Диаграммы 1-го и 1-го ти определения трещиностойкости материаловЦель изобретения - повышение точности определения трещиностой кости.Используют образец с надрезом. Первоначально рассчитывают удельную мощность отепла, выделяемого возникающей в процессе нагружения образца пластической зоной в устье надреза, Определяют скорость . нагружения по формуле ч - (цч ЬРо)/( ЬТ С р), где ЬТ - точность прибора, измеряющего температуоу; С и р - соответственно удельная теплоемкость и плотность материала образца; ЬРо - . задаваемая максимальная погрешность измерения нагрузки. Растягивают образец с постоянной скоростью нагружения ч до разрушения. В процессе нагружения непрерывно измеря ют нагрузку на образец, температуру в устье надреза и строят график зависимости нагрузки от температуры. По условию в точке перегиба кривой на графике определяют величину усилия в момент страгивания трещины, которую используют для расчета характеристик трещиностойкости материалов. 4 ил. ОО ются при практически хрупком (упругом) разрушении и имеют характерный излом в момент страгивания трещин. Диаграмма 1 И- го типа характеризует упруговязкое или вязкое разрушение, при котором в вершине трещины образуется достаточно протяженная пластическая зона. На этих диаграммах для. определения Ро - нагрузки, соответствующей моменту страгивания трещины,. проводят. секущую под углом, тангенс кото 1820278постоянной скоростью нагружения У до раз- номинальное разрушающее напряжение по.рушения образца с надрезом, В процессе ослабленномусечениюобразца оо пофорнэгружения непрерывно измеряют нагрузку мулеР на образец 4 и температуру Т в устье асо- Ра/(Ь - 2)т (11)надреза,строят график зависимости нагруз если дю0,8 аЬ,2 аь,2( - условный пределки от температуры. Нагрузку Р измеряют текучести),вычйсляюткритическийКИНдлядатчиком 7 омичесяого сопротивления, ус- образца данной толщины по формуле;тановленным в системе нагружения испыта-,тельной машины 3. Датчик.7. имеет Кат- РаУ 1/сЬ, (12)линейную характеристику в рабочем диапа гдезоне нагрузки. Температуру Т в устье.надреза в испытуемом образце 4 определяют при. У 1- 0,380 1 + 2,388 (2 т)Ь) + 2,439 (2/Ь)23; .помощи .прибора, бвсконтактно измеряещгего,температуру, - тепловизора 5, настро-т - + 13,9 ж(Ка/ОЬ,2)2.. еймого в эту точ через овтический визир. 15 иК - критический КИН для образца данной- для йостроения графика. зависимости на- толщины при максимальной нагрузке:груэки от температуры информация с датчика 7 нагРУзки Ри тепловизоРа 5 в пРоцессе, .Кс.- РоУ 1/1 Ь (13)испытаний постояннопоступаетсоответст- Все полученные величины заносят ввенно на входы Уи Х двухкоординатного 20 протокол испытаний и используютдля оцен- .самописца 6 (планшетного типа), который: ки технологии изготовления, обработки ме.выдает в рвзультагв машинную диаграммУ - таллов и сплавов, обоснования их выбора.Р -ЬТ (фиг.3, ), где Р - нагрузка, Действую- для машин и конструкций, расчетов на прочцае нэ образец 4 в процессе растяжения до: ность с учетом их дефектности.разгруаения; Т - изменение температуры в 25 Изобретение иллюстрируется следуюустье надреза образца 4- : вим примером. Рассмотрим определениеНэ графике зависимости нэгргУзки от. трещиностойкостистали 20 - материала,ис-температуры Р - . ЬТ стначЬлта наблюдается пол ьэуемого для изготовления труб и харакнебольшое снижение температурына вели- теризуемого вязким разрушениемчину порядка 0,15-0,2 оС (эффект Томсона),. 30 (диаграмма -гО типа). Образцы материалазатем. начийэется процесс интенсивй 0 го представлялисобой прямоугольные пластипластическогодеФормирования в устье над- ны из стали 20 толщийой т = 9 мм (Реальная,реза. который совпадает с моментом стра- толщина стенки трубы) и шириной Ь -50 мм.гивэния .трещины. Кривая на графике Перед испытаниями на образцах изготавлизавиеимости нагрузки от .температуры в 35 вми центральный надрез шириной 2 о14. этом месте имеет перегиб, усилие в момент мм, Предварительно перед испытаниямистрагивания трвщины.определяют по уси- . определяласьудельная мощность 9 тепла,лию в точке перегиба кривой, ординатор пе- . выделяемого. возникающей пластическойрегиба принимается равной величине Ра зоной в ртье надреза по методике Я: с По значению Ра определяют характеристи -8;6 10 Втмз, По формуле(1) рассчитыеа-ки трещиностойкооти материала, по кото- лась скорость нагружения у.: рым судят о. трещиностойкости материала: исходные данные для. расчета скорости наКа - расчетная величина коэффициента ин-: гружения: ЬТ " 0,1 оС - чувствительностьтенсивности напряжений материала: прибора, измерявшего температуру (тепло; .45 визорэ Рубин-МТ)вэксперименте; С" 662КО Ро уггт Ь (9джгкг К - удельная теплоемкость стали 20где.У 1 -г 0,380(1+ 2.308 (2 В/Ь)+ 2,439 (2/Ь ; р - 7,8 10 з кг/мз - плотность стали 20 Роа - толщина образца; Ь - ширина образ- -100 кН - предполагаемое (по оценочномуца;- полудлина пропила образца, причемрасчету или справочным данным) значениев расчете используют также разрушающую 50 максимальной нагрузки; Ра 50 кН - преднагрузку Рс, которая соответствует.ордина полагэемое значение Расчетной нагрузки,те практически горизонтального участка ин- . соответствующей моменту страгивания третенсивного роста температуры диаграммы . щины; д - зададимся такой величиной:.:-ЬТ (фиг.З). Таким образом определяют максимальной погрешности при определехарэктеристики трещиностойкости: умов. нии Ра при этих значениях.по формуле(10)ный критический коэффициент интенсивно.сти напряжений (КИН) материала Кс по . фа" 100 0,5 кН.формуле При вязком и упруговязком разрушенииКс- РеУ 1 Й 1 Ь, (10) можносчитэть.чтоприобразовании пласти-ческой зоны в устье трещины как бы дейст- венную экономию времени при подготовке вует источник тепла, потому что большая . образцовкиспытаниям. Прииспцтанияхтачасть энергии при пластическом деформи- кихобразцовдиаграмма Р-ЛТ качественно ровании переходит в тепло. сохраняет свой вид и, следовательно, позвоПри этих исходных данных скорость на ляет рассчитать характеристики трещиногружения образцах стойкости, а диаграмма Р - ч получается8,6 "10 0,5 непригодной для обработки (см. фиг.4). Поч --0,83 кН/с, этому на части образцов были нанесеныпредварительные усталостные трещины что соответствУет диаазонУ скоростей. Ре 10 (эти образцы помечены+ и я них ха а еристики трещиностойкости рассчитывались комендуемых в прототипе.Затем подготовленный таким образом обоимиспособэми),внадругойчастиобразобразец устанавливали в зажимы испыта цов вместо устэлостных трещин делались тельной разрывной машины УГи под- тонкие острые надрезы (пропилы), у этих вергали однократному статическому. 15 образцов характеристики трещиностойкорастяжению до разрушения со скоростью сти определялись только предлагаемым. нагружения Ч - 0,83 кН/с способом;В процессе испытаний непрерывно кон . Нэфиг,3 приведены совме 1 ценныедиагтролировалась нагрузка Р, действующая на Раммы Р - чи Р-Ь Т (И) для одного из .образец, ДлЯ этого использовали датчик 20 об азцовснэ ощенной сталос н " омического сопротивления; установленный4 о разцов с нэрощенной усталостной трещиной, а на фиг.4 - для образца с острым в системе на руже ия ис ы а Ф ьно а. надрезом(длядругихиспытэнныхобразцов шины, Одновременно в устье надреза не- эти диаграммы имеют аналогичный вид). пРеРывно (бесконтактно) контРолиРовали Анализи я эти иаг аммы не б и- темпеРатУРУТ пРи помощи теплов зоРа" РУ мо отметить сле ю ее бин-МТ". Информацию об изменении на- Диаг эммы Ри грузки Р и температуры Т выводили на та ха а е истик е осиаграммы Р - Т пригодны для расчедвухкоординатный самописец "Епб в 620.02", который в процессе испытаний вывисимо от того, имеют ли они черчивал диаграмму Р - ЬТ(фиг.3, И), Диаги л д30 трещины или тонкие острые надрезы,Характерные точки диаграмм Р-ЬТ коркоторого обозначали Ра - зто усилие, соответствующее моменту страгивания трещирелируют с расчетными точками диаграмм Р ны. Веичину Разрушающей нагРУзки Рс ными трещи ами а е - ч для образцов с нарощенными усталостными трещинами, а именно ордината тачки определяли кэк ординату пРактически гори перегиба кривой Р -ЬТ соответствует ордизонтального участка диаграммы Р -ЬТ. Характеристики трещиностой кости определяли по формулам (9) - (13), По по. лученным данным можно судить о трещиноДля проверки корректности предлагаемого способа полученные характеристикиДалее была проведена статистическая трещиностойкости сопоставлялись с соотобработка определена достоверность и рассчитаны среднеквадратические ошибки ными по способу-прототипу. Для этого при Уч бо способам определеполученных по обоим способам оп еделеиспытаниях, наряду с диаграммами Р-ЬТ строились диаграммы р - ч, предусмотрен- р, о характеристики, рая показала, что хэракте истики, рассчитанные по предлагаемому способ ные при Работе по способу-прототипу на 1 р Иредлагае ому способу(по диаграмме Р - ЬТ) лежат кучнее, а следокоторых расчетные точки 0 определялись. проведением 5%-ной секущей, Здесь необ о Ределения болеевательно, точность их определения более ходимо отметить следующее. Было замечеспособу совсем не обязательно при техно возможность при подготовке обРэзцов к ислогической подготовке образцов наносить заменитьтрудоемкийпроцесснапытаниямзаменитьт доемкийп о ессна предварительные усталостные трещины от Ращ ания Усталостной трещины простымращивания усталостной т ещины и остымвершины инициирующего надреза, которые способе-прототипе, Эти усталостные тра- определения трещиностойкости материанадрезами (пропилами), что дает сущест- о сравнен ю со способом-прототипом;вать при испытаниях материалов с вязким разрушением (диаграммы Р - ч 1 И-го типа) момент страгивания трещины, по которому 5 10 строить при работе по предлагаемому способу, имеет четкий перегиб в точке, соответствующей моменту страгивания трещины.Ордината,точки излома соответствует рзсон позволяет точнее, а вернее, с заданной (регламентированной) точностью фиксирозатем рассчитываются параметры трещиностойкости. Для этого необходимо предварительно определить удельную мощность ц тепла, выделяемого возникающей пластической зоной в.устье надреза в образце, что дает воэможность рассчитать скорость нагружения в зависимости от требуемой точности определения характеристик трещиностойкости, задавая Ра - максимальную погрешность измерения нагрузки, ЬТ - точность прибора, измеряющего температуру.Предлагаемый способ имеет ясную физическую интерпретацию при разделении физической и геометрической нелинейностей на диаграмме Р - ч, Как было сказано выше, момент стрзгивания трещины обуславливается только геометрической нелинейностью и происходит непосредственно перед началом процесса интенсивного пластического деформирования материалов в вершине трещины, а возникающая при этом проблема отделения физической нелинейности во всех известных способах решается с большой долей произвола. Предлагаемый способ позволяет эту проблему решить корректно и с наперед задаваемой точностью. Диаграмма Р-Ь Т, которую необходимо четной нагрузке Ра, Это подтвердилось проведенными экспериментами и сопоставлением полученных характеристик трещиностойкости с соответствующими характеристиками, определенными по способу-прототипу.Кроме того, предлагаемый способ позволяет существенно уменьшить время ( в 100 рзз) на испытания за счет замены длительного и трудоемкогопроцесса наращи 40 45 вания усталостной трещины достаточно простым процессом нанесения острых надрезов.Предлагаемый способ опробовался при исследбваниях трещиностойкости тонкостенных труб, предназначенных для трубопроводов газлифтных систем добычи нефти и обустройства газовых месторождений. Полученные.экспериментальные результаты дают основание считать, что при широком практическом использовании предлагаемого способа исследования трещиностойкости материалов можно с высокой точностью и производительностью определить необходимые характеристики трещиностойкости материалов.Формула изобретения Способ определения трещиностойкости материалов, по которому образец с надрезом подвергают статическому растяжению до разрушения с постоянной скоростью нагружения, непрерывно измеряют нагрузку на образец, определяют момент страгивания трещины и нагрузку в этот момент, которую используют для расчета параметров трещиностойкости, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что, с целью повышения точности; предварительно определяют удельную мощность ц тепла, выделяемого возникающей пластической зоной в устье надреза, на испытуемом образце непрерывно измеряют температуру в устье надреза, скорость ч нагружения задают исходя иэ соотношенияа ЬРоч д -; - ,гдеЬ Т - точность прибора, измеряющего температуру;С и р - удельная теплоемкость и плотность образца;Ра- задаваемая максимальная погрешность измерения нагрузки,строят график зависимости нагрузки от температуры, а усилие в момент страгивания трещины определяют по усилию в точке перегиба кривой на графике.Составитель Г.КуриленкоРедактор Техред М.МоргенталКорректор А.Козориэ Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужго Гагарина, 10 Заказ 2026, Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5