Способ определения температуры хрупкого разрушения изделия Советский патент 1993 года по МПК G01N3/30 

Изобретение относится к области испытаний материалов и может быть использовано для оценки ресурса работоспособности изделий общего машиностроения с дефектами конструктивного и эксплуатационного происхождения.

Цель изобретения - повышение точности. :J|.

НаЩг. 1 изображены образцы с различным от|| шением глубины надреза к площади бр щто-сечения; на фиг. 2 дана зависидасть изменения критической темпе- ратуры|||рупкости материала с различной степенйр хрупкости от отношения глубины h надр,й|1э к площади S брутто-сечения об- ,разца;1 фиг. 3 представлены зависимости

коэффициента интенсивности напряжений от приведенной температуры для различного отношения глубины h надреза к площади s брутто-сечения; на фиг. 4 изображена схема геометрии резьбы шпильки, поясняющая способ определения температуры хрупкости.

Способ осуществляется следующим образом.

Из материала изделия изготавливают группы образцов с надрезом, различающиеся отношением глубины надреза к площади брутто-сечения при одинаковой высоте сечения под надрезом. Ударному изгибу на стандартном маятниковом копре подвертя .ют, по крайней мере, две группы обрязцоп с.

00

о ю

W

о

го

надрезами большими и меньшими нормированного (стандартного).

Для каждой группы образцов с различными надрезами определяют температурную зависимость коэффициента интенсивности напряжений К|С.-По зависимости Kic-t для заданного величины коэффициента интенсивности напряжения К| определяют температуру хрупкости материала образцов данной группы и зависимости At(h/s) изменения температуры At хрупкости относительно температуры хрупкости материала стандартного образца от отношения глубины h надреза к площади s брут- то-сечения образца при одинаковой высоте сечения под надрезом.

За температуру хрупкого разрушения изделия принимают температуру, соответствующую коэффициенту интенсивности напряжений при разрушении стандартного образца, равному допускаемому коэффициенту интенсивности напряжений, измененную на величину, равную значению At при h/s, соответствующем отношению глубины трещины в изделии к высоте qro сечения под трещиной.

Способ был апробирован в лабораторных условиях. Скорость движения маятника при испытаниях образцов на ударный изгиб соответствовала 5±0,5 м/с. Энергия удара определялась по шкале маятникового копра.

Пример. Шпилька с метрической резьбой диаметром М 170X6,0 (фиг. 4) (сомножитель - шаг резьбы) в соединении с гайкой сжатия эксплуатируемой под нагрузкой тонн при температуре 20°С.

Шпилька изготовлена из стали 389ХНЗМФА (ГОСТ 4543-71) и термически обработана на предел текучести 1050 МПа (ГОСТ 23304-78).

Определим номинальное напряжение в нетто-сечении площадью FN

dN do-2tp, где tp - глубина профиля резьбы;

dN-170-2-4 162 мм; FN - 0,785 -dN2 20612 мм2;

0 JJ577 :j C/N FN 20612

-76,5 кгс/мм2 750 МПа

Определим относительную глубину трещины и коэффициент формы, учитывающий конфигурацию тела с трещиной и характер распределения напряжений

d do-2tc 170-2 мм d/d0 154/170 0,90;

f(d/do)0,24 - определяем из таблицы Вычислим коэффициент интенсивности напряжений и минимальную вязкость разрушения стали в шпильке с трещиной в

резьбе глубиной 8 мм, включая высоту профиля резьбы, для случая ,5 (rik - коэффициент запаса прочности, назначаемый в зависимости от условий эксплуатации, в данном случае - гидравлических испытаний

и нарушения нормальных условий эксплуатации):

Ki 7N Vjrdo f (d/d0) 25

750 V3,14 -0,17 0,24 131,5 МПа м

30 Kic

min .

Ki -nk-131,5 -1,5 197 МПа 47

В качестве образцов использованы ударные призматические образцы из стали; с тремя значениями дефекта 1,1, 2,0 и 3,4

мм.

Определим критические температуры хрупкости стали 38ХНЗМФА в зависимости от уровня дефектности ударного образца.от- носительно БРУТТО-сечения (см. фиг. 2). По

данным испытаний в интервале температур - 196-40°С получена зависимость критической температуры хрупкости по критерию ударной вязкости 588 кДж/м2 (6,0 кгс м/см2) от уровня дефектности образца.

Аналогичные испытания проводились для образцов с различной дефектностью из стали 38ХНЗМФА в различных состояниях для получения зависимости Kic- At, связанной с величиной дефекта (фиг, 3). При этом были установлены температурные запасы для различных уровней дефекта: 0,95,0,90 и 0,70 относительно 0,80 (соответственно 5,10 и 30 относительно 20% из расчета по брутто-сечению ударного образца).

Определим допускаемую критическую температуру хрупкости стальной детали - шпильки с дефектом типа трещины, составляющим 10% брупо-сечения. При температуре эксплуатации 20°С с учетом приведенной температуры по типу ударного образца с дефектом, составляющим 10% брутто-се- чения. При этом сначала оценивается необходимая приведенная температура Дг +35°С; а затем допускаемая критическая температура хрупкости tk (фиг. 3, уровень 1, отмеченный пунктиром). Нетрудно видеть, что в случае нормированной приведенной температуры, полученной на основе данных по типу ударного образца с дефектом, составляющим 20% брутто-сечения, допускаемая критическая температура хрупкости стали при Аг +95°С составит tk -75°С (фиг. 3, уровень 2, отмеченный пунктиром), что требует по этим данным для обеспечения надежности эксплуатации снижения уровня рабочих напряжений или при- менения материалов с повышенным сопротивлением хрупкому разрушению.

Использование предложенного способа определения температуры хрупкого разрушения изделия обеспечивает повышение точности определения допускаемой критической температуры хрупкости материала изделия путем введения температурного запаса в зависимости от величины отношения глубины надреза к площади брутто-сечения изделия. Формул а изобретения

Способ определения температуры хрупкого разрушения изделия, по которому из материала изделия изготавливают группы образцов с надрезом, различающиеся Отношением глубины надреза к площади поперечного брутто-сечения образца, для каждой группы образцов регистрируют температурную зависимость характеристики трещиностойкости при разрушении их ударным изгибом, определяют по ней температуру хрупкости материала образцов данной группы и зависимость Д t(h/s) изменения температуры Л t хрупкости относи-; тельно температуры хрупкости материала стандартного образца от отношения глубины h надреза к площади s брутто-сечения; образца, с-учетом которой определяют температуру хрупкого разрушения изделия, о т личаю-щийся тем, что, с целью повышения точности, группы образцов изготавливают с различной глубиной надреза при одинаковой высоте сечения под надрезом, в качестве характеристики трещиностойкости используют коэффициент интенсивности напряжений при разрушении, а при определении температуры хрупкого разрушения изделия с трещиной по допускаемому коэффициенту интенсивно- сти напряжений за температуру хрупкого разрушения изделия принимают температуру, соответствующую коэффициенту интенсивности напряжений при разрушении 0 .стандартного образца, равному допускав-; мому коэффициенту интенсивности напря-| жений, измененную на величину, равную значению At при h/s, соответствующем отношению глубины трещины в изделии к вьн соте его сечения под трещиной. |

0

5

0

5

5

t

/V

0%

Использование: оценка ресурса работоспособности изделий с дефектами. Сущность: группы образцов из материала изделия, различающиеся глубиной h надреза при одинаковой высоте сечения под надрезом, испытывают на ударный изгиб с регистрацией температурной зависимости коэффициента интенсивности напряжений Kic(t) при разрушении. По K|c(t) определяют температуру хрупкости (ТХ) материала образцов данной группы и зависимость At(h/s) изменения ТХ относительно ТХ материала стандартного образца от отношения h к площади s брутто-сечения образца. За температуру хрупкого разрушения изделия с трещиной принимают температуру, coj ртветствующую К|с при разрушении стандартного образца, равному допускаемому коэффициенту интенсивности напряжений, измененную на величину, равную At при h/s, соответствующем отношению глубины трещины в изделии к высоте его сечения под трещиной. 4 ил. Ј

CN

CD C CT О

со

QO

сч/

-I

и

г

-ц

V

CO

Ci

Л/С,

220

/So Mo

JOO 60

-200 -ЯО -W W 1&0 &{°C

Фиг.З

Фиг. Ч