Способ определения напряжений в материале при испытаниях на термическую усталость Российский патент 2021 года по МПК G01N3/60 

Описание патента на изобретение RU2750424C1

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля напряжений в материале изделий, подвергающихся температурно-силовому воздействию в испытаниях, моделирующих их разрушение, и может быть использовано в области атомной и тепловой энергетики, тяжелого машиностроения.

Одним из таких процессов является термическая усталость, представляющая собой разрушение изделий, происходящее в результате циклических нагревов. Она включает в своем развитии стадию, именуемую накоплением повреждений, в которой необратимые изменения субструктуры материала под действием пластической деформации приводят его в состояние, благоприятное для образования трещин, с последующим переходом к стадии разрушения, включающей образование и развитие магистральной трещины под действием напряжений. В реальных изделиях возникновению и протеканию термической усталости способствует неравномерность сечений в ряде областей и, как следствие, неравномерность распределения изменяющейся температуры изделия, подвергающегося периодически нагревам в условиях эксплуатации.

Известен рентгенографический способ определения напряжений, основанный на прецизионном измерении межплоскостных расстояний. Он включает облучение исследуемого участка поверхности образца пучком характеристического рентгеновского излучения, регистрацию дифрагированного пучка и измерение угла дифракции θ выбранного отражения (HKL), который позволяет установить межплоскостное расстояние d(HKL). Затем следует повторная съемка, измерение угла θ0 для образца из того же материала, но без макронапряжений (эталон) и вычисление d0(HKL). По разности значений d(HKL) и d0(HKL) вычисляют упругую деформацию в исследуемом материале, а затем с помощью закона Гука определяют напряжения а. (А.А. Русаков. Рентгенография металлов. М.: Атомиздат, 1977, 480 с.).

Недостаток данного способа применительно к испытаниям на термическую усталость - необходимость использования эталонного образца.

Известен рентгенографический способ определения напряжений, именуемый «методом sin2ψ», в котором использование эталона не является обязательным. В нем на объект контроля направляют пучок рентгеновских лучей и, зарегистрировав отраженный пучок, определяют угол дифракции θ выбранного отражения (HKL). Затем процедуру рентгеносъемки повторяют несколько раз при заданных углах наклона образца ψ. При этом сохраняют в плоскости падающего и дифрагированного лучей направление, выбранное на образце, для которого определяют составляющую напряжений σϕ. По установленным значениям углов θψ находят деформации εψϕ и строят их зависимость от sin2ψ. Параметры этой зависимости служат для расчета напряжений σϕ и суммы главных напряжений σ12. (Я.С.Уманский, Ю.А. Скаков, А.Н. Иванов, Л. Расторгуев. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. М.: Металлургия, 1982, 632 с.)

Недостатком метода при его реализации в условиях термоциклических испытаний является чрезмерно высокая продолжительность рентгеносъемки по сравнению с длительностью термических полуциклов испытаний, что относится и к другим известным рентгенографическим методам определения напряжений в материалах (RU 2427826 МПК G01N 23/20 2010 г.).

Известен способ определения напряжений в материале, подвергаемом циклическим нагревам в испытаниях на термическую усталость, выполняемых для получения данных, которые используют при оценке ресурса изделий, изготавливаемых из исследуемого материала. Определение напряжений в данном способе осуществляют, умножая на модуль упругости Е упругую деформацию испытываемого образца. Измерение деформации производят посредством тензодатчиков, встроенных в систему нагружения. В термоциклических испытаниях создают стеснение свободной термической деформации нагреваемого и охлаждаемого объекта исследования и варьируют жесткость стеснения, с целью изменения величины пластической деформации в цикле. Для этого образец помещают в раму, закрепив его своими головками в мембраны заданной жесткости, которые вмонтированы в поперечины рамы. Рама состоит из 2÷3-х колонн, соединенных поперечинами. На колоннах рамы закреплены тензодатчики, посредством которых измеряют их продольное удлинение в ходе испытаний, а по ним деформацию и напряжения, которые пересчитываются в напряжения, развивающиеся в образце в ходе испытаний, по данным предварительной тарировки. (Р.А. Дульнев, П.И. Котов. Термическая усталость металлов. М.: Машиностроение, 1980,200 с.)

Недостатком метода является недостоверность. Изменение деформации в полуциклах нагрева и охлаждения, как и при механических испытаниях, начинается с плавного нарастания упругой деформации сжатия или растяжения, по мере изменения температуры, которое сопровождается ростом напряжений в материале и это продолжается до тех пор, пока не начнется пластическая деформация. Появление пластической деформации в полуциклах считается обязательным в развитии термической усталости и от ее величины согласно закону Л.Ф. Коффина зависит долговечность - число циклов до разрушения. Начало же пластической деформации в полуцикле происходит, когда напряжения достигают предела текучести, являющегося свойством материалов, представляемого условными величинами σ0.05 или σ0.2, которые зависят от температуры и сообразно ей изменяются в дальнейшем по мере изменения ее в полуцикле. В опубликованных данных соответствие приведенных результатов измерения напряжений известным значениям σ0.05 или σ0.2 испытываемых материалов не обнаруживается, что заставляет усомниться в достоверности.

Известен способ измерения напряжений в ходе термоциклических испытаний, упругую деформацию регистрируют также с помощью тензодатчика или микронным индикатором. Однако делают это не непосредственно на образце, а на сопряженных с ним элементах системы нагружения. Устройство нагружения состоит из двух рам, одна из которых неподвижна, а другая перемещается относительно нее. Одна из головок образца жестко закреплена в неподвижной раме, а вторая в подвижной, которая соединена с неподвижной одной из сменных динамометрических тяг, имеющих различную жесткость. Последовательное расположение, взаимодействующих между собой, образца и динамометрической тяги позволяет определять напряжения в образце σобр через напряжения в тяге σт, как σобрT*Sт/Soбp, где Sт и Sобр - сечения тяг. Напряжения в тяге σт вычисляются по закону Гука из величины упругой деформации тяги, по ее измеренному удлинению или сжатию. (Н.С. Можаровский. К вопросу о термической усталости сплавов с учетом граничных условий. Заводская лаборатория, 1963, №6, с. 743-746).

Недостатком метода является отсутствие прямых измерений упругой деформации в испытываемом образце, достоверность установленных напряжений может вызывать сомнения.

Наиболее близким техническим решением является способ измерения напряжений в исследованиях релаксации напряжений в материалах. В одном из видов испытаний изменение напряжений измеряют на кольцевых образцах с радиальной прорезью, по краям которой нанесены метки для измерения деформации. В прорезь вставляют клин расчетной толщины, благодаря чему в расчетной части кольца создают напряжения, релаксацию которых изучают, производя воздействия внешних факторов на кольцо. По истечении установленного времени испытания клин извлекают из кольца, благодаря чему снимается его упругая деформация и напряжения, присутствующие на данный момент. Измерив расстояние на краях прорези и сопоставив его с первоначальным значением, вычисляют величину пластической деформации и тем самым напряжения, релаксация которых стала причиной ее появления. (М.Л. Хеннкин, И.Х. Локшин. Размерная стабильность металлов и сплавов в точном машиностроении и приборостроении. М.: Машиностроение, 1974, 256 с.)

Недостатком способа является то, что при нагружении объекта в термоциклических испытаниях реализовать предлагаемый способ не представляется возможным, поскольку из-за особенности стеснения образца в них пластическая деформация предложенным способом не может быть измерена.

Заявляемое техническое решение позволяет осуществлять определение напряжений в ходе термоциклических испытаний при исследовании термической усталости материалов. При этом оно не требует специального оснащения существующего оборудования. Получаемые с его помощью результаты имеют высокую точность и минимальную погрешность измерений, что достигается благодаря использованию оптического микроскопа, снабженного микронным индикатором, и выполнению измерений непосредственно на исследуемом образце, что делает определение напряжений достоверным. Способ прост в исполнении.

Предлагаемый способ определения напряжений осуществляют в термоциклических испытаниях, которые выполняют преимущественно на цилиндрических образцах или образцах корсетной формы, вдоль оси которых направлена действующая сила, в результате чего в них создается одноосное напряженное состояние. Способ включает нанесение меток-рисок в центре и на краях изучаемых участков образца, измерение расстояний между ними, закрепление образца в механизме нагружения, обеспечивающее стеснение его свободного термического расширения-сжатия, циклическое нагружение рабочей части образца путем нагрева или охлаждения. Стесненный образец нагревают до заданной температуры в выбранном полуцикле испытаний, переходят в режим выдержки и производят измерение расстояний между рисками. Затем стеснение с образца снимают, освобождая одну из его головок, и производят повторное измерение расстояний между рисками. Расчет напряжений осуществляют по изменениям расстояний между соответствующими парами рисок в двух проведенных измерениях, используя при этом модули упругости материала с учетом их температурной зависимости на участках определения напряжений. После этого производят стеснение образца, жестко фиксируя его ранее освобожденную головку, включают циклический нагрев и продолжают испытание до следующей выбранной точки определения напряжений.

Вследствие жесткого стеснения свободного термического расширения нагреваемого или охлаждаемого образца головками, зафиксированными в блоке нагружения установки, в его расчетной части по мере изменения температуры происходит деформация, компенсирующая указанное стеснение посредством упругой и пластической деформации. Процесс включает следующие друг за другом полуциклы нагрева (Tmin→Tmax) и охлаждения (Tmax→Tmin). На начальном этапе каждого полуцикла деформация является упругой и в образце появляются напряжения сжатия при нагреве и растяжения при охлаждении. По мере изменения температуры напряжения увеличиваются и, в конечном итоге, достигают величины, способной инициировать пластическую деформацию в материале - предела текучести (σ0.2). Дальнейшее по мере нагрева - охлаждения изменение напряжений в материале после температуры начала пластической деформации происходит в соответствии с температурной зависимостью предела текучести и с особенностями упрочнения, связанного с развивающейся пластической деформацией. Отслеживание динамики изменения напряжений представляет научный и практический интерес. Предлагаемый способ позволяет получать требуемую информацию благодаря тому, что необходимые измерения осуществляются непосредственно на образце без участия каких-либо промежуточных элементов.

Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 представлен образец корсетной формы, с нанесенными метками м1-м2-м3-м4, и показано распределение температуры вдоль рабочей части образца (между головками) при достижении между метками м1-м2 температуры Tmax. На фиг. 2 приведена схема расчета пластической деформации в цикле испытаний образца, которая необходима для выделения искомой упругой деформации из его упругопластической деформации и нахождения напряжений, представленных на фиг. 4. Она включает разделение рабочей части образца на участки равной длины, в пределах которых используемые в расчете параметры (коэффициент линейного расширения материала, его предел текучести и модуль упругости) имеют средние значения, соответствующие средней температуре в каждом участке. На фиг. 3 показан механизм нагружения корсетного образца в испытаниях на термическую усталость. На фиг. 4 приведена таблица, содержащая результаты измерения напряжений в жаропрочном сплаве ЖС32 на расчетном участке корсетного образца.

В предлагаемом примере реализации способа определения напряжений перед началом испытаний на поверхность образца наносили разметку (фиг. 1) с помощью твердомера ПМТ-3 и измеряли расстояния между метками на концах отмеченных участков м1-м2-м3-м4. Затем образец устанавливали и жестко фиксировали в захватах блока нагружения установки (фиг. 3) посредством болтов. Осуществление температурного режима испытаний (Tmin↔Tmax) производили пропусканием электрического тока, варьируя его силу в случае необходимости изменения продолжительности термического цикла. При достижении температуры Tm, соответствующей точке, при которой следовало выполнить измерение напряжений σm в материале, систему нагрева переводили в режим выдержки. Вначале с помощью оптического микроскопа, снабженного микронным индикатором определяли положения меток м1, м2, м3, м4, по которым вычисляли длину участков (1-2), (2-3), (1-3) между указанными метками. Затем образец освобождали от стеснения, отвернув один из болтов крепления головки, и производили повторное определение положения меток и вычисление длины указанных участков. По изменению длины участков (1-2), (2-3), (1-3) в результате освобождения стесненной упругой деформации (εупр), вычисляли ее величину, которая, будучи умножена на модуль упругости материала (Е) при температуре Tm позволяет определить значения напряжений σm на каждом из участков. Для продолжения измерений ранее освобожденную головку вновь фиксировали болтом и изменяли температуру в циклическом режиме испытаний до следующей точки измерений.

При выполнении термоциклических испытаний на образцах цилиндрической формы, у которых площадь сечения одинакова по всей расчетной длине, метки наносят на ее краях, поскольку в этом случае измеряемое сжатие или растяжение после снятия напряжений имеет наибольшую величину.

При работе с образцами корсетной формы разметку наносят в соответствии с задачей, выполняемой в проводимом исследовании. Поскольку в корсетном образце исследуется зона в его середине между м1-м2, где развивается изучаемое разрушение, как результат циклических нагревов, разметка по краям центрального участка дает информацию об уровне напряжений σц, участвующих в разрушении. В тоже время информацию о напряжениях в центре σц позволяют получить и данные об удлинении или сжатии Δупр всей рабочей части образца (между головками), по краям которой наносят метки: σцупр / [12Σ1/(wiEcpi)]. Упругое удлинение Δi каждого из участков, из которых складывается Δупр=ΣΔi, как показано на фиг. 2, определяется напряжениями σi в нем, а они пропорциональны напряжениям в центре σц и обратно пропорциональны сечению каждого из этих участков wi.

В центральном участке образец имеет наименьшую площадь сечения и наибольшую температуру в испытаниях, вследствие чего именно здесь развивается пластическая деформация, величина которой согласно закону Коффина определяет долговечность изделия. Поэтому напряжения здесь равны пределу текучести материала σ0.2 или выше его, если в ходе циклического нагружения происходит упрочнение материала. В связи с этим предлагаемый способ был опробован путем определения напряжений в термоциклических испытаниях на образцах из жаропрочного сплава ЖС32 и полученные результаты сопоставлены с паспортными данными этих материалов (фиг. 4). Испытания выполняли на образцах показанных на фиг. 1, где представлено также распределение температуры по длине его рабочей части при достижении в центре максимальной температуры (Tmax) в цикле испытаний. На плоской полированной поверхности с одной стороны образца наносили метки - м1, м2, м3 и м4. Расстояние между метками м1-м2 составляло 4 мм и соответствовало длине расчетной части образца. Промежуткам между метками м1-м4 и м2-м3 соответствуют заплечики и расстояние по 8 мм. Размеченный образец устанавливали и жестко фиксировали на массивных блоках механизма нагружения (фиг. 3), жестко стянутых между собой и электрически изолированных друг от друга прокладкой слюды. На установленном образце определяли координаты меток с точность 10-3мм с помощью микроскопа, смонтированного с возможностью поступательного перемещения вдоль образца, и часового микронного индикатора, взаимодействующего с ним. Затем осуществляли циклический нагрев образца по заданной программе (Tmin↔Tmax), пропуская через него электрический ток. Испытания проводили по двум режимам: 100↔500°С и 100↔800°С. Величину напряжений определяли при температурах Tmax=500 и 800°С. После выполнения заданного числа циклов, в выбранном полуцикле и при температуре Тн, где следовало определить напряжения σц, нагрев останавливали, переходя в режим выдержки, и при этой температуре определяли расстояния между метками стесненного образца. Затем образец освобождали от стеснения, отвернув один из болтов, и вновь определяли координаты меток и вычисляли расстояния между ними. По завершении измерений освобожденный болт снова затягивали, создав тем самым стеснение, и циклический нагрев испытаний продолжали до следующей остановки. По изменению расстояний между парами меток в двух последних измерениях вычисляли искомые напряжения. По изменению расстояния между метками м1-м2 находили напряжения σц, используя закон Гука и соотношение: σц(Т)=Е(Т)((1-2)своб - (1-2)ст) / 4 мм. С помощью меток м1, м2 и м3 определяли те же напряжения на участке м1-м2 с помощью соотношения: σц(Т)=[((1-3)+(2-3))своб - ((1-3)+(2-3))ст] / [12Σ1/(wiEcpi)]. В таблице (фиг. 4) приведены результаты определения координат меток м1, м2, м3, вычисленные расстояния между метками (1-2), (1-3) и (2-3) в свободном (своб.) и стесненном (ст.) состояниях и рассчитанные по ним с помощью выше указанных соотношений значения напряжений σцз-н Гука и σсоотн) в центре образца при двух температурах: 500 и 800°С. Согласно паспортным данным жаропрочного сплава ЖС32 его предел текучести σ0.2 при температуре 500°С составляет 810МПА, а при 800°С-870 МПА. Из сравнения следует, что напряжения, измеренные в центре образца, где при указанных температурах происходит пластическая деформация, соответствуют значениям предела текучести материала при соответствующих температурах.

Похожие патенты RU2750424C1

название год авторы номер документа
Способ исследования термической усталости посредством испытаний на образцах корсетной формы 2024
  • Дегтярева Софья Павловна
  • Прохорова Татьяна Владимировна
  • Пескишев Сергей Александрович
  • Сафронов Дмитрий Алексеевич
RU2824332C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕПЛОЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЕТАЛЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2007
  • Бычков Николай Григорьевич
  • Ножницкий Юрий Александрович
  • Першин Алексей Викторович
RU2339930C1
Способ испытания теплозащитных покрытий 2022
  • Першин Алексей Викторович
  • Хамидуллин Артем Шамилевич
  • Авруцкий Владимир Валерьевич
RU2791435C1
Способ испытаний металлов на растяжение-сжатие и образец для его осуществления 2016
  • Савушкин Роман Александрович
  • Кякк Кирилл Вальтерович
  • Безобразов Юрий Алексеевич
  • Колбасников Николай Георгиевич
  • Наумов Антон Алексеевич
RU2624613C1
Способ определения влияния предварительного пластического деформирования на сопротивление усталости материала детали 2022
  • Ковалев Николай Игоревич
  • Воронков Ростислав Викторович
  • Вермель Владимир Дмитриевич
  • Гулевский Игорь Владимирович
  • Дубинский Станислав Вячеславович
  • Смотрова Светлана Александровна
  • Петроневич Василий Васильевич
  • Ковалев Игорь Евгеньевич
  • Балашов Никита Владимирович
  • Кулемин Александр Васильевич
  • Качарава Ираклий Нугзарович
RU2792195C1
СПОСОБ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ДЕТАЛЯХ ОРГАНИЧЕСКОГО ОСТЕКЛЕНИЯ ПРИ ЛЕТНЫХ ИСПЫТАНИЯХ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА 2007
  • Харитонов Глеб Михайлович
  • Хитрова Ольга Ивановна
  • Сальникова Нина Дмитриевна
  • Бардыбахина Любовь Николаевна
  • Кретинина Татьяна Павловна
RU2334968C1
Способ обнаружения усталостных трещин образца материала 1989
  • Троенкин Дмитрий Алексеевич
  • Шанявский Андрей Андреевич
  • Стемасов Николай Степанович
SU1741012A1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ 2016
  • Богданов Павел Владимирович
  • Коробов Николай Николаевич
  • Шутов Дмитрий Александрович
  • Иванов Александр Николаевич
RU2633649C1
Способ определения величины неупругой деформации при циклическом нагружении 1988
  • Трощенко Валерий Трофимович
  • Митченко Евгений Иванович
  • Голык Александр Андреевич
SU1663492A1
Образец для испытания сварного соединения на термическую усталость 1988
  • Кабелевский Михаил Германович
  • Столярова Лидия Ивановна
  • Рыбник Алексей Александрович
SU1509209A1

Иллюстрации к изобретению RU 2 750 424 C1

Реферат патента 2021 года Способ определения напряжений в материале при испытаниях на термическую усталость

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля напряжений в материале изделий, подвергающихся температурно-силовому воздействию в испытаниях, моделирующих их разрушение, и может быть использовано в области атомной и тепловой энергетики, тяжелого машиностроения. Сущность: осуществляют нанесение меток-рисок в центре и на краях изучаемых участков образца и измеряют расстояния между ними. Закрепляют образец в механизме нагружения, обеспечивая стеснение его свободного термического расширения-сжатия, и осуществляют циклическое нагружение рабочей части образца путем нагрева или охлаждения. Стесненный образец нагревают до заданной температуры в выбранном полуцикле испытаний, переходят в режим выдержки, измеряют расстояния между рисками. Снимают стеснение с образца, освобождая одну из его головок, повторно измеряют расстояния между рисками и рассчитывают напряжения по изменениям расстояний между соответствующими парами рисок в двух последних измерениях, используя модули упругости материала с учетом их температурной зависимости на участках определения напряжений. Производят повторно стеснение образца, жестко фиксируя его ранее освобожденную головку, включают циклический нагрев и продолжают испытание до следующей выбранной точки определения напряжений. Технический результат: повышение достоверности определения напряжений. 3 ил., 1 табл.

Формула изобретения RU 2 750 424 C1

Способ определения напряжений в материале при испытаниях на термическую усталость, включающий нанесение меток-рисок в центре и на краях изучаемых участков образца, измерение расстояний между ними, закрепление образца в механизме нагружения, обеспечивая стеснение его свободного термического расширения-сжатия, циклическое нагружение рабочей части образца путем нагрева или охлаждения, отличающийся тем, что стесненный образец нагревают до заданной температуры в выбранном полуцикле испытаний, переходят в режим выдержки, измеряют расстояния между рисками, снимают стеснение с образца, освобождая одну из его головок, повторно измеряют расстояния между рисками и рассчитывают напряжения по изменениям расстояний между соответствующими парами рисок в двух последних измерениях, используя модули упругости материала с учетом их температурной зависимости на участках определения напряжений, после чего производят повторно стеснение образца, жестко фиксируя его ранее освобожденную головку, включают циклический нагрев и продолжают испытание до следующей выбранной точки определения напряжений.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2021 года RU2750424C1

Устройство для ввода кислорода, других газов и порошкообразных материалов в смеси с газом в ванну мартеновской печи 1960
  • Дерфель А.Г.
  • Керчер А.М.
  • Третьяков Е.В.
  • Цыба В.В.
SU138634A1
Способ получения альфа, омега-перфтордиолефинов 1959
  • Ли-Чжи-Юань
  • Кнунянц И.Л.
  • Шокина В.В.
SU123157A1
Способ получения низкотемпературного катализатора конверсии окиси углерода 1959
  • Брауде Г.Е.
  • Ивановский Ф.П.
  • Семенова Т.А.
SU123523A1
CN 111060408 A, 24.04.2020.

RU 2 750 424 C1

Авторы

Дегтярева Софья Павловна

Прохорова Татьяна Владимировна

Даты

2021-06-28Публикация

2020-09-14Подача