СПОСОБ ОЦЕНКИ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ МЕТАЛЛОВ Российский патент 2024 года по МПК G01N3/08 

Изобретение относится к области определения эксплуатационных свойств металлов и их сплавов относительно трещиностойкости. Для деталей машин и их агрегатов, в том числе авиационных двигателей, внутрикорпусных устройств реакторов, трубопроводов и парогенераторов..., испытывающих воздействие комбинированных нагрузок, в качестве критерия оценки исходных материалов на трещиностойкость, разработан и утвержден ГОСТ25.506-85. Здесь для определения характеристики трещиностойкости испытывают с записью диаграмм «нагрузка - смещение» или «нагрузка - изгиб» плоские образцы с предварительно нанесенной усталостной трещиной. По результатам испытаний определяют характеристики трещиностойкости:

- силовые, критические коэффициенты интенсивности напряжений (К_1с);

- деформационные, величину раскрытия в вершине трещины (δ_с);

- энергетические, критические значения J_c - интеграла.

Отсюда трещиностойкость металлов оценивают по нескольким параметрам, при выполнении определенных условий корректности (см. ГОСТ25.506-85, с. 1-51). Основной характеристикой является коэффициента К_1с метод достаточно затратный и сложный в реализации. Тем более имеет изначально определенные ограничения: «Настоящий стандарт устанавливает методы механических испытаний для определения характеристик трещингостойкости металлов при статическом кратковременном нагружении на образцах толщиной не менее 1 мм пи температуре от минус 269°С до плюс 600°С».

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения механических свойств материалов (σ_b, σ₀₂, δ₅) при растяжении гладких или круглых образцов при фиксированной скорости деформаций е и температуре Т°С, без ограничения на толщину или диаметр образца. Здесь общепринятые обозначения (ГОСТ 1497-84, ГОСТ 10006-80): σ_b -предел прочности, σ₀₂ - предел текучести, δ₅ - относительное предельное удлинение.

Ограничение этого метода в том, что он не содержит методологию оценки трещиностойкости материала и эксплуатационную надежность в целом. Для этого необходимо сформулировать критерий, связанный с деформационно-прочностными свойствами металла и работой образования в нем трещин в процессе нагружения. Чтобы получить требуемый результат, необходимо выполнить очевидную процедуру: сформулировать адекватную к эксперименту математическую модель, описывающую растяжение плоского образца или круглого металлического образца вплоть до разрушения при заданной скорости деформации и температуре испытания. Из аналитического решения этой задачи получить зависимость для удельной работы образования свободной поверхности (трещины) А_* от исходных параметров. Моделируя свойства металла в схеме изотропной вязкопластической среды и принимая во внимание энергетический критерий разрушения [1], получим искомый результат. Постоянные параметры вязкопластической среды σ₀₂, μ, где μ - коэффициент динамической вязкости.

Целью изобретения является аналитическое и количественное определение параметра материала - удельной работы образования трещины А_*, с размерностью [Дж/м²], расчетно-экспериментальным методом.

Поставленная цель достигается тем, что удельную работу образования трещины А_* определяют по формулам: в случае растяжения плоского образца

в случае растяжения круглого образца

Здесь Е - модуль Юнга, с - скорость звука продольных волн.

Механические свойства материала (σ_b, σ₀₂, δ₅) определяют из эксперимента при растяжении стандартных образцов при заданной скорости деформаций и температуре испытания, согласно ГОСТ1497-84, ГОСТ 10006-80. Параметры А_*, μ определяют из расчета по представленным формулам. Таким образом, сформулирован расчетно-экспериментальны способ определения удельной работы образования трещин в рассматриваемом вызкопластическом материале (металле).

В качестве примера работоспособности предложенного способа, рассмотрим результаты по оценке трещиностойкости низкоуглеродистых трубных сталей, представленные в работе [2]. Здесь трещиностойкость оценивалась в соответствии с европейским стандартом В S7448, согласно которому образцы размером 10x0x100 мм с предварительно нанесенной усталостной трещиной подвергают статическому нагружению по схеме трехточечного изгиба. При этом определяют параметр СТОД - величину раскрытия трещины, соответствующую началу ее движения. Согласно отечественному ГОСТ25.506-85, CTOD, аналог деформационной характеристике δ_с. Механические свойства сталей определяли при растяжении на пятикратных круглых образцах ∅6 мм. Ударную вязкость А_к, на образцах с V-образным надрезом. Опытные данные параметров σ_b, σ₀₂, δ₅, А_к(KCV), при +20°С, сведены в табл. 1.

Расчетные значения А_*, μ приведены в табл. 2, вместе с данными СТОД (δ_с).

Для расчета круглого образца осуществлялся при согласно ГОСТ 1497-84. Для стали: Е=200 ГПА, с-5050 м/с.

По определению, чем больше значение СТОД (δ_с) при испытании образца (см. ГОСТ 25.506-85, BS7448), материал обладает наиболее низким сопротивлением хрупкому разрушению. И наоборот, чем выше значение параметра А_*, тем больше необходимо энергии (работы) для образования трещины. Коэффициент динамической вязкости μ существенно зависит от микроструктуры материала и определяет уровень сопротивления перемещению дислокаций во времени [3]. Отсюда логично предположить: с увеличением параметров А_*, μ, материал увеличивает способность к сопротивлению образования трещин.

Из анализа данных табл. 2 можно констатирвать о работоспособности предложенного способа оценки трещиностойкости относительно параметра А_*, например, из табл.2 следует, высокий уровень трещиностойкости имеют стали 08Г2МБ, 06Г2МБ относительно параметра δ_с. если относительно А_*, имеем эти же стали только в обратной последовательности 06Г2МБ, 08Г2МБ. Соответственно самый низкий уровень 05Г2НДБ, 05Г2МФБ и 05Г2МФБ, 05Г2НДБ. Далеко не факт, где на самом деле истина.

Отметим, определение характеристик трещиностойкости К_1с, δ_с, J_c (см. ГОСТ 25.506-85), основывалось на теории трещин для хрупких (упругих) тел, где деформация не превышает одного процента. И применяемые в опытах датчики смещения и монтажа тензорезисторов с использованием соответствующего клея, существенно влияют на точность эксперимента. При этом себестоимость изготовления и испытания на механические свойства одного образца (ГОСТ 1497-84) при +20°С составляет -2678 руб. (см. Приложение). На трещиностойкость (ГОСТ 25.506-85), изготовление и испытание ~ 10997 руб. в ценах 2016 г. И это не считая затраты на сам материал.

Представленные аналитические зависимости в формуле изобретения получены из точного решения математической модели реального процесса растяжения плоского или круглого металлического образца вплоть до разрушения в схеме вязкопластической среды, которая характеризуется двумя параметрами σ₀₂, μ. Здесь нет ограничений на геометрические размеры образцов, на скорость деформации, на температуру испытаний. Они справедливы и для металлов и их сплавов, которые деформируются в режиме сверхпластичности (δ₅>100%). См., например, [5]. Ограничения - в возможностях испытательного оборудования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сериков С.В, Кн.: Правда о металлах. Из-во Palmarium Akademik Publishing (Deutschland), 2014, - 85c.

2. Пышминцев И.Ю., Мальцев А.Н. и др. Структура и свойства низкоуглеродистых трубных сталей, подвергнутых пневматическим испытаниям. М.: Сталь, 2011, №2, с. 75-81.

3. Пэжина П. Физическая теория вязкопластичности. - В сб. переводов: Механика. Проблемы пластичности. М.:Мир, 1976, №7, с. 91-120.

4. ГОСТ 25.506-85, ГОСТ 1497-84, ГОСТ 10006-80.

5. Сериков С.В. О скоростной деформации металлов. Из-во АН СССР. Металлы. М.:989, №2,с. 48-52.

Изобретение относится к области материаловедение и механике разрушения. Сущность: осуществляют осевое растяжение плоских или круглых образцов до разрушения. Определяют из эксперимента механические свойства материала: предел прочности, предел текучести, относительное удлинение при фиксированных скорости деформации и температуре испытаний. На основании этих данных по формуле определяют удельную работу образования трещин. Технический результат: возможность при исследовании конструкций из металла, работающие под действием нагрузок и скоростей деформаций вплоть до разрушения, основывать прогноз по эксплуатационной надежности выбранного материала на основании количественной оценки энергетического параметра - удельной работы образования трещин. 2 табл.

Способ оценки трещиностойкости металлов, включающий осевое растяжение плоских или круглых образцов с фиксированной скоростью деформации и температуры испытания, отличающийся те, что удельную работу образования трещин А* определяют по формулам в случае растяжения плоского образца

,

в случае растяжения круглого образца

,

где Е - модуль Юнга, с - скорость звука продольных волн, σ_b, σ₀₂, δ₅ - соответственно предел прочности, предел текучести, относительное удлинение при растяжении стандартных образцов; μ - коэффициент динамической вязкости; - скорость деформации, при которой растягивается образец.