Способ прогнозирования трещиностойкости материала в зависимости от условий эксплуатации конструкции Советский патент 1993 года по МПК G01N3/08 

Изобретение относится к испытаниям м ггериалов, а именно к способам прогнозирования трещиностойкости материала в за- в чсимости от условий эксплуатации

конструкции на малогабаритных образцах и может быть использовано в заводских лабораториях и научно-исследовательских орга- низациях для прогнозирования

характеристик трещиностойкости материала на заданных базах наработки.

Целью изобретения является повышение достоверности прогнозирования характеристик трещиностойкости материала на заданных базах наработки по данным испытаний малогабаритных образцов.

Сущность предлагаемого способа состоит в физически обоснованном допущении, что между характеристиками трещиностойкости исходного материала и после наработки, определяемыми по параметрам ниспадающих участков полных диаграмм деформирования и жесткостью напряженного состояния в момент старта трещинь еуществует устойчивая связь в виде экспоненциальной зависимости

для материала в исходном состоянии (характеристики трещиностойкости уменьшаются) и смещена влево (для охрупченного материала степень жесткости напряженного состояния, при которой достигаются условия плоской деформации, естественно, ниже по сравнению с материалом в исходном состоянии. При дальнейшей наработке материал продолжает охрупчиваться, а соответствующие кривые КАисх (Ксг) продолжают снижаться и смещаться влево, стремясь в пределе к точке с ординатой К|Схр; соответствующей критическому коэффициенту интенсивности напряжений полностью

охрупченного материала.

Из соотношения (2) при хрупком разрушении, когда R оо , получаем

КА КА

n((7-Ki

(1) 20

где Кет - параметр жесткости напряженно: го состояния, численно равный отношению среднего напряжения к интенсивности напряжений, К (7 От/О, По Бриджмену известно, что

Ка 1/3 + 1п(1+ ),

(2)

где г, R - геометрические параметры шейки (радиус шейки и радиус профиля).

Для исходного материала и материала после наработки будем иметь соответственно.

б нар КАИСХ КА );. (3)

кд . е - п(К7- кЭДбр);до

Параметр КА нар. достигает своего критического значения К|Снар. при Кет Ко, т.е.

Kic

НЗР- КА е п(Ка

(5)

При максимально возможном стесне- нии у кончика трещины (условия плоской деформации) кривая КАИСХ ( К а ) выходит на ординату, соответствующую критическому коэффициенту интенсивности напряжений

К|СИСХ-с абсциссой Ка°В случае наличия определенной эксплуатационной наработки материала, когда появляются признаки охрупчивания, кривая «Аисх ( К а) будет расположена ниже кривой

Таким образом, вся область возможных значений характеристик трещиностойкости материала, соответствующих различной жесткости. напряженности состояния и различной наработке в координатах КА - К а , ограничена криволинейным треугольником, стороны которого представляют собой зависимости характеристик трещиностойкости

от жёсткости напряженного состояния: од- на-стороны -для исходного материала при наличии концентраторов различной жесткости, вторая сторона - для гладкого образца из материала с различной наработкой и

третья - для образцов из материала с различной наработкой с концентраторами, обеспечивающими жесткость напряженного состояния материала, при которой достигаются условия плоской деформации

(происходит квазихрупкое разрушение).

Кривая, связывающая критические значения коэффициента интенсивности напряжений материала при заданной наработке, с предельным значением параметра жесткости напряженного состояния Ка .при котором достигаются условия плоской деформации, также описывается экспоненциальным законом

К|Снар К|схр em(K(T (6)

Следовательно, критическое значение коэффициента интенсивности напряжений материала при заданной наработке может быть определено как ордината точки пересечения кривых (4) и (6), в которых параметры n, Kicxp., Ка и m являются характеристиками свойств материала и определяются экспериментально.

Уточнение значения показателя п диляется путем построения экспериментальной кривой к А ( К а ) для материала с ограниченной наработкой. В случае, если п эстановка таких опытов не представляется возможной, то значение п можно определить по следующей эмпирической зависимости

I - - и;; 2 которая удовлетворяет предельным услови Й.- н .

| при п По. КА КЯ ,

| при п О, КЯ К|Схр.

I

I Значение К|схр, при старении материала, например, в условиях радиационного облучения в 3...3.2 раза ниже Kic исходного материала. Поэтому К|схр. 1 /3 К|сисх., при- чэм в соответствии с формулой Бриджмена . Ксгхр 1/3, т.к. радиус профиля шейки ох- рупченного материала равен бесконечности.

Параметры К а и m получаем путем совместного решения уравнений (3), (4) и (6).

I Для точки А получим

i

- n

(К а - кнс р-обр-обР

Kxh.em(

Прологарифмировав это выражение, /|им

i inKA -n -(Ка.-ктровр)

: In Kf«P + m( -Kft). фткуда

«p.... ,, p

:k

.

П I Vn

,ля точки Б i Щ (K(7

; К(У -e{m -(Kff -K1). - ; Откуда после логарифмирования

епЦо-пДкСо-С0х6р}-е к

m

ь. /

:Ncr° c

; Таким образом, предлагаемый

Позволяет по результатам испытанигабаритных образцов из исходного

ала и единичных испытаний образцов из материала с наработкой прогнозировать его характеристики трещиностойкости на любых базах.

5 На фиг. 1 представлена область возможных значений характеристик трещиностойкости материала с вариацией по жесткости напряженного состояния и эксплуатационной наработки. Здесь кривая 1

10 представляет собой зависимость характеристик трещиностойкости от жесткости напряженного состояния для материала в исходном состоянии; кривая 2 - зависимость, характеристик трещиностойкости,

15 получаемых на гладких образцах из материала с различной наработкой; кривая 3 - зависимостьхарактеристиктрещиностойкости материала с различной наработкой при наличии концентрации, при

20 которой происходит квазихрупкое разрушение (достигаются условия плоской деформации).

На фиг. 2 представлены экспериментальные значения характеристик трещино25 стойкости мартенситностареющей стали, полученных на гладком образце (т.1) и образцах с концентраторами R20 (т.2), R10 (т.З), R4 (т.4)(соответствующие значения же- сткостей напряженного состояния в момент

30 старта макротрещины Ксг 0,771; 0,784; 0,796:0,828).

Точкой 5 обозначено значение характеристики трещиностойкости мартенситностареющей стали, после специальной

35 термообработки, имитирующей охрупчива- ние, получен ной на гладком образце. Экспериментальныеданныедлямартенситностарающей стали в исходном состоянии аппроксимированы экспоненци40 альной зависимостью (кривая 1). Здесь же представлена прогнозируемая зависимость характеристик трещиностойкости охруп- ченной мартенситностареющей стали в зависимости от жесткости напряженного

45 состояния (кривая 2).

Способ осуществляют следующим образом,

Предварительно, на установке с регулируемой жесткостью нагружающей системы,

50 были испытаны в условиях равновесного деформирования гладкие образцы (диаметр рабочей части 8 мм) и образцы с концентраторами R20, R10, R4 (при том же минимальном диаметре 8 мм) из

55 мартенситностареющей стали в исходном состоянии ( а о,. 87 кг/мм2, тв 109 кг/мм2). Трещиностойкость стали оценивали по параметру КЯ (5).

ю УЗк-Д|Р-Е

RA 1

V5TTATP-E f. - сопротивление материала отрыву; ДТр - удлинение образца на стадии роста макротрещины, сформированное к площади сечения стандартного образца (диаметром 8 мм). Значения параметра 8к для гладкого образца и образцов с концентраторами R20, R20, R4 соответственно равны .146,85; 146,66; 151,18; 154,80 кг/мм2. Значе- ния параметров ДТР для тех же образцов 1,662; 1,638; 1,450; 1,19мм,

Модуль Юнга материала К 2,05-10- кг/м2. Тогда характеристики трещиностой- кости соответственно для гладких образцов и образцов с концентраторами получаются равными 2236,8; 2219; 2119,8; 143,2 кг/мм372.

. При этом жесткость напряженного состояния в момент старта макротрещины (старт макротрещины при испытаниях на растяжение в условиях равновесного деформирования однозначно связан с переломом на полной диаграмме деформирования в особой точке К) рассчитывали по формуле Бриждмена

Ка 1/3 + ln(1 + r/2R),

Соответствующие значения параметра К а для гладких образцов и образцов с концентраторами равны Ксг 0,771; 0,784; 0,796:0,828.

Учитывая; что значения критических коэффициентов интенсивности напряжений К1С подобной стали К|СИСХ. - .474...600 кг/мм372 О средн.- - 537 кг/с372), кривея К А ( Ксг ) для исходного материала, описываемая экспоненциальной зависимостью, имеет вид (см. фиг, 2, кривая 1),

К исх- - К А° е п° ( к ° .), где

Кл 2236,8 кг/мг3/2 По 0,575;

К (7° 3,25; КаобР.исх .0,771,

и, следовательно,„,„ „ . , „ „

К,сисх 2236,8 кг/мм3/2.е-°-57Б 325- -° 771 537 кг/мм3/2.

После этого из материала с заданной наработкой, которая имитировалась термообработкой (старение исходного материала)при 400°С - 4 часа, которое приводит к обеднению матрицы никелем, из-за преимущественного образования фаз, богатых никелем, и является причиной увеличения числа возможных мест зарождения трещин и повышения вероятности их быстрого распространения. Кроме того, при такой температуре старения в мартенситностаре- ющих сталях затруднена релаксация неоднородныхмикронапряжений,

возникающих при исходной закалке сталей. В результате Kic мартенситностареющей стали снижается на 10...15% (17,18) изготавливали гладкий образец диаметром 8 мм и испытывали его на статическое растяжение

в условиях равновесного деформирования.

По параметрам ниспадающего участка

полной диаграммы деформирования такого,

охрупченного термообработкой, материала,

определяли характеристику трещиностойкости

(/д VSk Д1Р Е.

1 -Ц.

- Vl56.- Kr/MM2 2,05 104 кг/мм2 1 0,55

1700,3 кг/мм372

При этом значение параметра К а обр.нар. в момент старта макротрещины соответственно 0,7. Значение К|Схр. для исследуемой мартенситностареющей стали принимали 179кг/3/2(Кисх./3).

Тогда значения параметров n, m и К равны соответственно

Г Г /azje.ft-irooM1

сПоН- Z UO.S15-U-Г::Г -OS«9L JI UMfte-479 /J

(№63

епку-и0.(к0„-к 6РУе к с

.

К --..... i .j

5,92 ЬКу.П,

. а - ..,-... ..-... ..,i ...- i . i - . i

rum.

., T,4u6t-u5a59-0,7-5.,76-0,33 0,J76 0,5554

Следовательно, К|снар- К Я е п(Кст К Р°6Р- )

1700,3-е-° 5359(3 01-а7) 493 кг/мм37.2

:3,0.

Предлагаемый способ позволяет прогнозировать характеристики трещиностой- кости материала с заданной базой наработки в конкретных экспериментальных условиях на малогабаритных образцах. Предлагаемый способ может найти применение в любой области техники при прогнозировании трещиностойкости материала в

зависимости от условий эксплуатации струкции. Особенно он может быть полезен при оценке характеристик трещиностойко- сти корпусных материалов на пробах весьмаограниченныхразмеров, непосредственно изъятых из действующих изделий, в частности корпусов реакторов. Формула изобретения Способ npqrHoanpOBaHHfl трещиностойкости материала в зависимости от условий эксплуатации конструкции, заключающийся в том, что из испытуемой конструкции вырезают пробы материалов, из которых изготавливают серию малогабаритных образцов с концентраторами, проводят их механические испытания, определяют энергетическую характеристику испытуемого материала, по которой судят о его трещино- стойкости, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности прогнозирования характеристик трещиностойкости материала на заданных базах наработки, изготавливают серию малогабаритных образцов с надрезами, обеспечивающими разную степень жесткости напряженного состояния в момент старта трещины из материала в исходном состоянии, а один идентичный образец любому из серии - из материала осле заданной базы наработки, механические испытания осуществляют статическим растяжением в условиях равновесного деформирования, определяют значения характеристик трещиностойкости исходного материала при различной жесткости-напряженного состояния и материала после наработки по параметрам ниспадающих участков полных диаграмм деформирования, а критическое значение коэффициента интенсивности напряжений для материала с заданной базой наработки определяют по формуле

К,снар- К A -e CKtf-Ktfgep.),

где п - параметр, характеризующий свойства материала с заданной базой наработки

37199

П (

10

ЈА°-;КА

Ш° - KfcP

П:

По - то же для материала в исходном состоянии;

К|Схр - значение характеристики трещиностойкости полностью охрупченного материала;

Ш° , К А - значения характеристик трещиностойкости, определяемых путем испытания образца из материала в исходном состоянии и с заданной базой наработки соответственно;

0 - значение параметра, характеризующего жесткость напряженного состояния материала образца, при которой происходит квазихрупкое разрушение при заданной базе наработки, определяемое из

соотношения

X

.Др-ейК + ш.кУ (8)

L- - ------ -| - -«

П 4- ЦП

т) - параметр, характеризующий зависимость критических значений коэффициента интенсивности напряжений материала при различной базе наработки отсоответст- вующих значений . К а ,

г it fcf - п кг -1 к . - к -i i/v-ч v

1С (9)

т --enV-% r/ --C PH p

Ktfer-K

хр

6

Ксгобр нар-.значение параметра, харак- тер изуюгцего жесткость напряженного состояния материала в шейке образца, после- заданной базы нзработки;

К 7обр.мск то же для образца из исходного материала и идентичного образца по- еле заданной базы нгрзботки;

К0- , Ксг хр - значение параметров, ха- ракт&рйзующия жесткость напряженного состояния материала образца, при которой происходит хрззихрупхсе разрушение для исходного и поякостьк охрупченного материала соответственно.

А

л /У/ллу 2О001600

12QQ

г.

фс/е.2

Составитель А.Лебедев Техред М.Моргентал

Z.24,0 rff

Корректор А. Козориз