Способ оценки сопротивления конструкционных материалов развитию трещин Советский патент 1993 года по МПК G01N3/00 

Изобретение относится к исследованию прочностных свойств материалов, а именно к способам оценки сопротивления конструкционных материалов развитию трещины.

Цель изобретения - повышение информативности исследования характеристик циклической трещиностойкости в случае смешанных мод разрушения за счет воспроизведения эквивалентных двухосному нагружению коэффициентов интенсивности напряжений при одноосном нагружений.

Это позволяет воспроизвести эффекты двухосности нагружения при изучении характеристик циклической трещиностойкости конструкционных материалов для

смешанных мод разрушения при программном одноосном растяжении. В данном случае не требуются уникальные многоцилиндровые электрогидравлические стенды, реализующие двухосное номинальное НДС, а достаточно серийной одноосной разрывной машины типа УРС-20 с программатором нагружения. В предлагаемом способе для воспроизведения эффектов двухосности нагружения в каждый момент времени обеспечивается равенство заданного КИН для двухосного нагружения и реализованного КИН для эквивалентного одноосного нагружения путем монотонного изменения номинального одноосного напряжения и угла приложения нагрузки (по

00

о ел

|W

ю

отношению к плоскости трещины) по закону, определяемому этим равенством. При замене натурных двухосных испытаний эквивалентными одноосными достигается экономия материальных затрат при оценке и исследованиях одного и того же явления смешанных мод разрушения.

Способ поясняется чертежами (фиг. 1-4) и осуществляется следующим образом,

Используют плоский образец с симметрично расположенными относительно центрального надреза 1 (фиг. 1) тремя парами отверстий 2 (фиг, 1) для крепления захватов. Надрез располагается вдоль одной из осей симметрии образца. Образец закрепляется в S-образных захватах (фиг.2), имеющих по три крепежных отверстия 1 (фиг,2) и по 13 нагрузочных отверстий 2 (фиг.2), Исходя из заданных величины и соотношения номинальных напряжений при двухосном напря женном состоянии д и г из заданного угла ориентации исходной трещины /3 рассматривают величину номинальных напряжений при эквивалентном одноосном растяжении д .По этой величине напряжений определяют величину и направление приложения нагрузки относительно плоскости ориентации исходного надреза сЬ .Тем самым назначается первоначальная пара противоположных нагрузочных отверстий в S-образных захватах, к которым через соответствующее приспособление прикладываются растягивающие усилия от испытательной установки (не показаны). К образцу прикладывают циклическую одноосную нагрузку а изменяющуюся по рассчитанному закону, исходя из условия эквивалентности двухосному напряженному состоянию. За развитием трещины наблюдают в микроскоп. Этой изменяющейся циклической нагрузкой образец нагружают до тех пор, пока разность между двумя последовательными положениями вершины

трещины на траектории ее развития а и а. - 1 не будет определяться наперед заданным шагом по углу приложения нагрузки в S-образных захватах через соответствующие отверстия, т.е. разностью углов

( « oj - 1) между двумя последовательными направлениями приложения нагрузки. В тот момент времени, когда длина трещины

ai достигнет такой величины, что ( щ сс - 1) станет равным, допустим, 3°, циклическое нагружение прекращают, образец вместе с S-образными захватами перемещают так, чтобы нагрузку можно было приложить к следующей соседней паре на-

10

15

20

25

30

35

40

45

50

грузочных отверстий. Линия действия нагрузки в этом случае, проходящая через пару противоположных нагрузочных отверстий в S-образных захватах, будет ориентирована относительно плоскости исходного надреза в образце под углом а-| В этом положении опять образец нагружают циклической нагрузкой, изменяющейся в соответствии с законом эквивалентности двухосного и одноосного напряженных состояний. За развитием трещины наблюдают в микроскоп, последовательно фиксируя длину трещины и соответствующее ей число циклов нагружения. Таким образом, меняя пары отверстий для приложения нагрузки в S-образных захватах в строгой последовательности в моменты времени, определяемые соответствующей длиной трещины, образец доводится до полного разрушения. По результатам измерений в эксперименте строят зависимости длины трещины от числа циклов нагружения, которые в свою очередь перестраивают в диаграммы в координатах скорость роста трещины - коэффициент интенсивности напряжений. По линейным участкам этих диаграмм определяют экспериментальные константы, являющиеся характеристиками циклической трещиностойкости данного материала при двухосном номинальном напряженном состоянии. Величина шага по углу приложения нагрузки в S-образных захватах не должна превышать 3° в связи с тем, что в противном случае погрешность в расчете долговечности будет более 20% из-за грубого воспроизведения траектории роста трещины.

Пример. Требовалось реализовать условия двухосного растяжения с соотношением номинальных напряжений / 0,5 и исходной ориентацией трещины / 20° при одноосном растяжении. Заданная амплитуда наибольшей компоненты двухосных номинальных напряжений составляла д 100 МПа. Рассчитывали параметры эквивалентного двухосному одноосного нагружения по следующим формулам:

амплитуда эквивалентных одноосных напряжений

#- ПП +) + (1 -V)cos2/ 3

(1 ) + (1 -J7)cos2/n ( J

угол приложения начальной нагрузки 55 (соответствующий )

,э 2,4 0-vH(L+) + (1-)cos2/ lsln2/

(1 + /) + ( -11 cos2/J 2+(1 -H) + (1 -)cos2/J

(2)

Характер изменения амплитуды напряжений по числу циклов нагружения, полученный в результате расчета по формуле (1), показан на фиг. 3. Расчетное значение

угла ck составило 80°.

Для испытаний использовали образец с размерами 135 х 80 х 7 мм из сплава D16AT с боковым односторонним надрезом длиной мм. Закрепляли его в S-образных захватах, которые в свою очередь фиксировали в гидрозахватах установки УРС-20 и нагружали под первоначальным углом

cb 82° к плоскости ориентации исходного надреза. Образец нагружали монотонноиз- меняющейся амплитудой напряжений д За развитием трещины наблюдали в бинокулярный микроскоп МБС-10 с 24-кратным увеличением и замеряли соответствующее число циклов нагружения. Этот процесс циклического нагружения осуществляли до тех пор, пока длина развивающейся трещины от надреза не стала равной а 1 величину

.

которой рассчитывали по формуле исходя из заданного шага по углу приложения на

грузки ( -d - 1 ) 3°

а а| (d -d-i)+slr(d-«l-O( + «-i )

В данном случае нагружение под углом

«о 82° осуществляли до достижения трещиной длины ai 28 32 мм. После этого образец вместе с S-образными захватами переставляли в захватах установки УРС-20 таким образом, чтобы линия приложения нагрузки по отношению к плоскости ориентации исходного надреза в образце составляла уже 85°. Затем образец опять нагружали мо- нотонноизменяющейся амплитудой напря- жений по закону, с начальным значением напряжения соответствующим последнему значению 5| перед перестановкой образца. В этом положении образец разрушился при длине трещины а 32,7 мм до достижения новой расчетной длины, определенной по формуле (3), необходимой для следующей перестановки захватов.

В процессе эксперимента замерялась длина трещины и соответствующее ей накопленное число циклов нагружения. Исходя из величины приложенной нагрузки F, соответствующей д размеров образца и массива замеренных длин трещин рассчитывали значения коэффициентов интенсивности напряжений Ki и К2, необходимых для интерпретации результатов экспериментов

К, сио.0.26+2.65 F--- ,+0..08()

sin a

-23 + ,-Ј 1-0,.08()

По отношению приращений длин трещин и соответствующих им приращений чисел циклов нагружения рассчитывали скорость роста трещины da/dN. Ей в соответствие ставились значения Ki и Ка, которые в совокупности образовывали диаграмму усталостного разрушения в координатах da/dN-S, где S - эквивалентное значение коэффициента интенсивности напряжений в случае смешанных мод разрушения 1 и 2

S a

цК12 + 2 «12К1К2 + а 22К22

(4)

15 2025

где упругие константы материала.

Линейный участок диаграммы усталостного разрушения, полученной экспериментально для сплава D16АТ аппроксимировался уравнением

V

с

: г омакс -in

I-с- J

0)

5 0 5

0

5

где ,п - искомые параметры свойств трещиностойкости сплава D16AT в условиях, воспроизводящих смешанные моды двухосного растяжения при эквивалентном одноосном. Для данного материала они оказались равными ,773, S 0,1467 0,3 МРаТга Вид полученной экспериментально диаграммы усталостного разрушения в соответствии с предложенным способом показан на фиг. 4.

Предложенное техническое решение позволяет воспроизвести эффекты двухос- ности нагружения при изучении характеристик циклической трещиностойкости конструкционных материалов для смешанных мод разрушения при программном одноосном растяжении.

Формула изобретения Способ оценки сопротивления конструкционных материалов развитию трещин, заключающийся в том, что через пару противоположных отверстий в S-образных захватах к исследуемому образцу с трещиной прикладывают одноосную нагрузку под фиксированным углом к плоскости ориентации исходного надреза и регистрируют приращение длины трещины по числу циклов

нагружения до полного разрушения образца, а о сопротивлении материала развитию трещин судят по зависимости скорости роста трещин от размаха эквивалентного коэффициента интенсивности напряжения, от л и- чающийся тем, что, с целью повышения информативности за счет воспроизведения эквивалентных двухосному нагружению коэффициентов интенсивности напряжений при одноосном нагружении, одноосное на- гружение осуществляют с монотонным изменением напряжений о1 по закону:

rij а(1 )+(1 -V) cos 2/9 (1 +77) + (1 -J7)cos20

где о - заданные напряжений при двухосном нагружении вдоль одной из осей симметрии;

г - соотношение двухосных номинальных напряжений;

/ - заданный угол приложения компоненты двухосных напряжений а относительно плоскости ориентации исходного надреза (трещины),

при этом начальную нагрузку прикладывают под углом к плоскости ориентации исходного надреза, определяемым соотношением

tg2o{,.-----( - /)( 1 +I7HC1 )cos2l sln2 3

О+ /) + ( -7) (l+)+(l-)

до достижения длины трещины ai , равной

а l i I(, )sln (о|-«-,),,,(. -a+0j-«)-,)

где ам - длина надреза или трещины на предыдущем этапе, ориентированных под углом а ы;

9 - угол, определяющий дальнейший рост трещины в зависимости от ее ориентации под углом a j-1;

(д- а м; - угол между двумя последовательными направлениями приложения нагрузки,

после чего нагрузку прикладывают в направлении, отстоящем от предыдущего на угол, не превышающий 3°, и повторяют цикл изменения величины и направления нагрузки до полного разрушения образца.

11.00

Использование: исследование прочностных свойств материалов, оценка сопротивления конструкционных материалов развитию трещин. Цель: расширение функциональных возможностей за счет воспроизведения эквивалентных двухосному нагружению коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) при одноосном нагруже- нии. Сущность изобретения: для воспроизведения эффектов двухосности нагружения в каждый момент времени обеспечивается равенство заданного КИН для двухосного нагружения и реализованного КИН для эквивалентного одноосного нагружения путем монотонного изменения номинального одноосного напряжения и угла приложения нагрузки (по отношению к плоскости трещины) по закону, определяемому этим равенством. Положительный эффект: обеспечивается возможность воспроизведения эффектов двухосности нагружений при изучении характеристик циклической трещиностойкости конструкционных материалов для смешанных мод разрушения при программном одноосном растяжении. 4 ил. (Л С

10.00 -ii

3

i

r 9;00 -j

X

a. 8-°° i

-ГГ- ГТТ Г7 Т-;-ГТ-:Л

204-}

6080

угол наклона трещины

ТТЛ

100

ФИГ.З

-1.00

1

п .

j..00 .

З.СО

-5.00

г

б СО :т-гттгггттГптгтпп тГп-тттттгтГ ггтт1Тгтггп г 71Г Л 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 2.20 2.40 2.оО 2.о-.

коэффициент интенсивности напряжений

X

.

,

ФИГ. 4