Фрактографический способ определения разрушающих напряжений при усталости стальных деталей Советский патент 1986 года по МПК G01L1/00 

Изобретение относится к методам измерения напряжений твердых тел и может быть использовано для определения разрушающих напряжений сталных деталей различцых форм при уста новленки причин их разрушения.

Целью изобретения является расширение области использования способа определения разрушающих напряжений за счет его применения к деталям различной конфигурации, вы- . полненным из стапей с различными механическими свойствами и разрушавши ся от воздействия переменных нагрузок в широком спектре -частот.

На фиг, 1 показана зависимость относительной градиентной поправки от частоты нагружения, на фиг. 2 - зависимость приведенной частотной поправки о-т частоты нагружения, на фиг. 3 - зависимость скорректированного по частоте и градиенту относительного размера зоны пластической деформации от условного предела текучести материала, на фиг. 4 - зави симость относительного размера начальной реально-напряженной зоны плстической деформации от относительного размера начальной зоны пластической деформации, на фиг. 5 - функ циональная зависш-юсть, определяющая коэффициент, интенсивности наit

пряжений Ко э соответствующий началу участка с равноускоренным ростом шага бороздок, на фиг, 6 - функцио- нальная зависимость, определяющая коэфсЬициент С, характеризующий скорость изменения коэффициента интенсивности напряжений К, соответствующего концу участка с равноускоре ростом шага бороздок, от его длны.,

Фрактогряфический способ определения разрушающих напряжений при усталости стальных деталей реализу- ется следующей последовательностью операщтй.

Определяют фактические значения предела прочности 5(, и условного прдела текучести 5од материа.па исследу емой детали.

Из технической документации и услрвш : работы исследуемой детали устаиавливагот частоту oJ, с которой на нее воздейстповала переменная во времени нагрузка,

Измеряю радиус, а при малых выточках и глубину концентратора на

пряжений, от которого пошло разрушение , и размер сечения детали (диаметр или высоту) в направлении развития этого разрушения. Относительный градиент изменения напряжений GT в сечении, по которому произошло разрушение, определяют по известным соотношениям.

По фрактограммам, снятым с поверхности разрушения исследуемой детали, в направлении, перпендикулярном фронту его развития, производят измерение шага бороздок b на разных удалениях L от очага разрушения и с помощью метода наименьших квадратов определяют значения коэффициентов А и В известного уравнения ве

.е

()

где - длина участка с бороздчатым рельефом конкретного удаления от очагаЬ (йины трещины у, на котором производится измерение шага бороздок, мм, 1-0,02 мм, е - основание натуральных логарифмов .

Имея в виду, что выражение для текущего значения f , полученное преобразованием уравнения (I), имеет вид

т Igbj -lg(AB,) /pN Blge

где ъ1 - текущее значение второй

производной d b/dl, определяют длину 1 участка равноускоренного роста шага бороздок из выражения

Т lsb Ulg( & lge

(3)

где Ь - значение d b/dl , соответствующее концу участка равноускоренного роста шага бороздок,

(1;)

Используя опытные зависимости, представленные на фиг. 1 и 2 для известного .значения частотыtj, определяют значения относительной градиентной и приведенной частотной поправок на размер Го начальной зоны пластической деформации, располагающейся в устье трещины (при( Гц значения oQo и р

приравниваются к таковым при и)50. Гц).- . .

В соответствии с опытной зависимостью, приведенной на фиг. 3, для известного значения условного предела текучести б о.г определяют зчение произведения Го )f , где относительный размер начальной зоны пластической дефор ации в устье трещины

, 0 /в,

ft

а градиентно-частотная поправка на размер этой локальной зоны пластической деформации

Y-otu3- o- . (б)

в этом выражении градиентную поправку d-uJ предложено определять простой эмпирической зависимостью

o(u)l+ JiJ-G (7)

Выделив из произведения значение относительного размера начальной зоны пластической деформации и используя опытную зависимость приведенную на фиг. А, определяют значение относительного размера начальной реально-напряженной зоны пластической деформации, который представляет собой отношение

/е. (8)

ос

6

Используя опытную зависимость, приведенную на фиг. 5, через взаимосвязь промежуточных эмпирических функций F и Fj, когда

V ( biL. ii

Ко, V

%. OK

KO и КОР - коэффициенты интенсивности напряжений, характеризующие напряженное состояние в вершине трещин, абсолютные размеры локальных зон пластической деформации которых соответственно равны

и г.

ос

причем

Ко-г;| б

V

ib д

04

ОС

бб+5о,а 6{ - -2-

(13)

где / - осредненная градиентночастотная поправка на коэффициент интенсивности напряжений.

а

S - 1. Рк 4к 1

10

причем

Тк-1С- - Р.

(14) (15) (16)

,

15

20

25

30

ь

в конечном счете определяют значе- ние коэффициента интенсивности напряжений К, характеризующего напряженное состояние у трещины в начале участка равноускоренного роста Шага бороздок

Ко | 1:Мпа... (17) . к

В соответствии с опытной зависимостью, приведенной на фиг. 6 для известного значения эмпирической функции М,

М( Zl±Fi 1 4- Ь-У г (18) - 2F, 2 2

определяют значение коэффициента пропорциональности С.

Зная l , Kg и С, в соответствии с экспериментально установленной корреляционной зависимостью

35 () (19)

определяют значение коэффициента интенсивности напряжений К, характеризующего напряженное состояние материала у вершины трещины в конце участка равноускоренного роста шага борозДок.

Подстановкой выражения 19)1 в известное соотношение механики разрушения

К &|(тПГ . (20) где К - коэффициент интенсивности

напряжений в вершине трещины, Q- номинальное напряжение в

сечении брутто, L - длина трещины, с одновременной заменой К на К, L на 1 и б на б , получают формулу

6.(ТГ1) (21)

40

45

50

55

по которой определяют значение уров ня напряжений , ответственных

за возникновение и начальное развитие трещины усталости на стальных деталях с учетом их конфигурации, размеров и частоты нагружения.

Формула изобретения

Фрактографический способ определения разрушакщих напряжений при усталости стальных деталей, заключающийся в том, что на поверхности разрушения в зоне регулярного 6о- - роздчатого рельефа измеряют шаг бороздок на разном удалении от очага разрушения в направлении, перпендикулярном фронту развития разрушения, определяют длину участка равноускоренного .роста шага бороздок, отличают И йся тем, что, с целью расширения области использования путем обеспечения исследования деталей различных форм, опредеяют фактические значения предела прочности &J и условного предела текучести материала исследуемой детали, определяют частоту ее нагружения oj, определяют значение относительного градиента изменения напряжений G в сечении, по которому произошло разрушение, по опытным зависимостям относительной градиентной и приведенной частотной рр поправок от частоты uJ и змпи- риче(ским соотношениям, связывающим градиентную поправку о ij с поправкой oLujH относительным градиентом , а также градиентно-частотную поправку на размер начальной зо- ны 1шастической деформации в устье тревщны с поправками oi-u) Ро опрееляют значение поправки по опытной зависимости произведения относительного размера FO начальной зоы пластической деформации в устье трещины на поправку У от условного предела TeKy4ectH во г, определяют скорректированное по градиенту и частоте значение размера г , по опытной зависимости относительного азмера начальной реально-напряённой зоны пластической деформации в устье трещины от размера f р опреде- яют значение размера РО,. , опредеяют значение напряжения течения циклически упроченного материала & . то эмпирическим соотношениям, свя- швающим абсолютную величину размера f o начальной зоны пластической деформации с размером р, и пределом прочности 6g , а также абсолютную ве- личину размера foe начальной реально- напряженной зоны пластической деформации с размером Го и пределом прочности 6g, определяют значения размеров и Пд , по эмпиричесКИМ соотношениям, связывающим коэффициент интенсивйости напряжений (Сц , характеризующий напряженное состояние в пластически деформированной зоне размером ho с абсолютной

величиной размера Го и напряжением &, а также коэффициент интенсивности напряжений характеризующий напряженное состояние в пластически деформирх ванной зоне размером hoc с абсолютной величиной размера и напряжением б{ , определяют значения коэффициентов интенс тв- ности напряжений Кос, по эмпирическим соотношениям связьшающим

поправку и поправку с гради- ентно-частотной If и частотной f поправками на коэффициент интенсивности напряжений, а также последние между собой, определяют значение

осредненной градиентно-частотной поправки у X на коэффициент интенсивности, напряжений, по опытным зависимостям и эмпирическим соотношениям, связывающим коэффициенты интенсивности напряжений KQ и Кос между собой и с поправкой 1, определяют значение коэффициента интенсивности напряжений К, характеризующего напряженное состояние у вершины трещины в начале участка равноускоренного роста шага бороздок, и значение коэффициента пропорциональности С, характеризующего скорость изменения коэффициента интенсивности

напряжений К, который характеризует напряженное состояние у вершины трещины в конце участка , по эмпирическому соотношению, связывающему коэффициент интенсивности напряжений величиной участка, коэффшщентом интенсивности напряжений К и коэффициентом пропорциональности С , определяют значение коэффициента интенсивности К., а величину напряжений брутто определяют по фopмvлe

(тт1)

ff5 Ю 15 20 25 30 35 fO 45 50 Ч/

фиг.1

«I

ifOf

.TV0.200,2S .

iput.S

100

о 0,5 1p M fina-H flt Фт.В

Изобретение позволяет расширить область использования способа определения разрушающих напряжений за счет его применения к деталям различной конфигурации, выполненным из сталей с различными механи- ческимй свойствами и разрушавшимся от воздействия переменных на грузок в широком спектре частот. Определяют фактические значения предела прочности и условного предела текучести материала ис следу- емой детали, определяют частоту ее нагружения. Измеряют радиус,а при малых выточках и глубину концентратора напряжений, от которого пошло разрушение, и размер сечения детали в Направлении развития этого разрзтаения. По фрактограммам, снятым с поверхности разрушения детали измеряют шаг бороздок на разном удалении от очага разрушения в направлении, перпендикулярном фронту развития разрушения. Из опытных зависимостей определяют значения градиентно-частотной поправки, напряжения течения циклически упроченного материала, относительного размера начальной реально-напряженной зоны пластической деформации, коэффициента интенсивности напряжений, и по формуле определяют величину уровня напряжений, обусловливающих возникновение и начальное развитие трещины усталости на стальной детали. 6, ил. (Л С в 8 К9 а 5

Составитель В.Годзиковский Редактор М.Циткина Техред С. МигуноваКорректор М.Демчик.

Заказ 634/47

Тираж 778 .Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ШШ Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4