Способ прогнозирования трещиностойкости материала в зависимости от условий эксплуатации конструкции

 

(2 ) 4916669/28 (2 ) 05.03.90 (4 ) 30.08.93. Бюл, М 32 (7 ) Институт проблем прочности АН УССР и Опытное конструкторское бюро Гидрои есс" (7 ) А.А.Лебедев, Н.Г.Чаусов, Ю.Г.Драгунов, А.В.Гетманчук и В,M.Камолов (5 ) Горелов С.Н. Сопротивление хрупкому р зрушению сталей корпусов ядерных реакт ров при имитации нейтронного поврежден я облучением высокоэнергетическими н йтронами, Дис. канд. техн. наук, — К., 1987, с. 96.

Драгунов Ю.Г. Разработка методов о еспечения сопротивления хрупкому разр шению корпусов ВВЭР с использованием к рреляционной зависимости статической т ещиностойкости и ударной вязкости: Авт реф. дис, ... канд, техн. наук. — М,, 1989, с.

8 9. (5 ) СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТРЕИНОСТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛА В ЗАВИС:МОСТИ ОТ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

К НСТРУКЦИИ (5 ) Изобретение относится к испытаниям м териалов, а именно к способам прогнозир вания трещинастойкости материала в зав симости от условий эксплуатации к нструкции на малогабаритных образцах.

Ц ль изобретения — повышение достоверн сти прогнозирования характеристик трещ настойкости материала на заданных б зах наработки по данным испытаний мал габаритных образцов. В условиях равно1 !

Изобретение относится к испытаниям м териалов, а именно к способам прагнозир вания трещиностойкости материала в зав симости от условий эксплуатации веснога статического деформирования проводят испытания малогабаритных образцов, гладких и с различными надрезами (с различной жесткостью напряженного состояния Kg в момент старта трещины) из материала в исходном состоянии и с ограниченной наработкой. Clo параметрам ниспадающих участков полных диаграмм деформирования испытанных образцов определяют значения характеристик трещиностойкости матер;ana Q и строят зависимости IQ (Kg, которые в пределе при максимальна возможном стеснении у кончика трещины (условия плОскОЙ деформации) выходят на ассимптоты с ардинатами, соответствующими критическим коэффициентам интенсивности напряжений материала в исходном состоянии и с ограниченной наработкой, Устанавливают изменение параметров кривых Q (Кд) в связи с наработкой (u случае, если постановка опытов по построениiо кривой IQ (Kg ) для материала с ограниченной наработкой не представляется возможной, предлагается эмпирическая зависимость для параметров кривых Q, (Kg ), соответствующих материалу с различной наработкой и па данным испытаний в условиях равновесного деформиравания единичных малогабаритных образцов, гладкого или с любым надрезом. из материала с любой наработкой достоверно прогнозируют ега критический коэффициент интенсивности напряжений, 2 ил, конструкции на малогабаритных образцах и может быть использовано в завадских лабораториях и научно-исследовательских организациях для прогнозирования

1837199

30

50 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 трещины, существует устойчивая связь в виде экспоненциальной зависимости где Kg - параметр жесткости напряженно-. го состояния, численно равный отношению среднего напряжения к интенсивности напряжений, Kg = (Jm/o, По Бриджмену известно, что

Kg = 1/3+ In(1+ ), где r, R — геометрические параметры шейки (радиус шейки и радиус профиля).

Для исходного материала и материала после наработки будем иметь соответственно обрнар исх., п(Ку к;,) К Р = К - е "(к о Р) (4) Параметр Q " Р. достигает своего критического значения KIc" Р, при K g = K g, т.е.

«, нар., — n(Ka — «Щф, @

При максимально возможном стеснении у кончика трещины (условия плоской деформации) кривая К,"" (Kg ) выходит на ординэту, соответствующую критическому коэффициенту интенсивности напряжений

К," х с эбсциссой К о, В случае наличия определенной эксплуатационной наработки материала, когда появляются признаки охрупчивания, кривая

IQ (К g ) будет расположена ниже кривой

15 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 К,"" (Kg ) продолжают снижаться и смещаться влево, стремясь в пределе к точке с ординатой К," ; соответствующей критическому коэффициенту интенсивности напряжений полностью охрупченного материала.

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

Таким образом, вся область возможных значений характеристик трещиностойкости материала, соответствующих различной жесткости напряженности состояния и различной наработке в координатах IQ — Kg ограничена криволинейным треугольником, стороны которого представляют собой зависимости характеристик трещиностойкости от жесткости напряженного состояния, одна 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 Кц при котором достигаются условия плоской деформации, также описывается зкспоненциальным законом

4 нар. К хр., т(К(7 — к 8) (@

Следовательно, критическое значение коэффициента интенсивности напряжений материала при заданной наработке может быть определено как ординатэ точки пересечения кривых (4) и (6), в которых парамети, К схр., Rcr u m являются характеристиками свойств материала и определя ются экспериментэл ьно, 1837199

Уточнение значения показателя и опреляется путем построения эксперименльной кривой kg (Kg ) для материала с раниченной наработкой. В случае, если становка таких опытов не представляется зможной, то значение и можно опредеть по следующей эмпирической зависиости д т о и п=по(1 — (Л Л ) крторая удовлетворяет предельным услови:« при n = по. КЛ= КЛ, при и =О, КЛ = К "Р.

= К ь em(Kg

Прологарифмировав это выражение, нахо им

In Kg — n . (K g — К робР1 =

= In Kg + m (К g — К3). (ткуда

1 нар «Р «Р

Рпк +.и к .„-E«к„+ +.к

ПФ YIl (8) Для точки Б

КЛ . Е no (Kg КаобР

= КР e m (Kg — K3 )

Откуда после логарифмирования ис« ip

С к .- . (к .— к .„1-ек„

Щ

У

К6О- К6

Таким образом, предлагаемый способ озваляет по результатам испытаний малоабаритных образцов из исходного материЗначение К о"Р, при старении материал, например, вусловиях радиационного обл чения в 3...3.2 раза ниже К о исходного атериала. Поэтому Kiс"р. 1/3 KIо" "., причем в соответствии с формулой Бриджмена . К о "Р= 1/3, т.к. радиус профиля шейки охрупченного материала равен бесконечнос1ги.

Параметры. Kg u m получаем путем совместного решения уравнений (3), (4) и (б).

1 ! Для точки А получим . Š— и . (K КНДР.обРобР ала и единичных испытаний образцов иэ материала с наработкой прогнозировать его характеристики трещинастойкасти 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 — зависимость характеристик трещиностойкости 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 мартенситнастареющей стали, полученных на гладком образце (т.1) и образцах с концентраторами R20 (т.2), R10 (т,3), R4 (т,4) (соответствующие значения жесткостей напряженно..а состояния в момент

30 старта макрОтрещинь, Kg = 0,771; 0,784;

0,796; 0,828).

Точкой 5 обозначено значение характеристики трещиностайкасти мартенситностареющей стали, пссле cneöèàëüíoé

35 термаобработки, имитирующей ахрупчивание, получен нол на гладком образце, Экспе- риментальные данные для мартенситнастареющей стали в исходном состоянии аппроксимираваны экспоненци40 альной зависимостью (кривая 1), Здесь же представлена прогноэируемая зависимость характеристик трещиностайкости ахрупченнай мартенситностареющей стали в зависимости ат жесткости напряженного

45 состояния (кривая 2).

Способ осуществляют следующим образом, Предварительно, на установке с регулируемой жесткостью нагружающей системы, 50 были испытаны в условлях равнавеснога деформиравания гладкие образцы (диаметр рабочей частл 8 мм) и образцы с концентраторамии R20, R10, R4 (при том же минимальном диаметре 8 мм) из

55 мартенситностареющей стали в исходном состоянии (сг а,г= 87 кг/мм, о, = 109 г кг/мм ). Трещиностойкость стали оценивали по параметру КЛ (5).

1837199

=vugg ЪТр е где $» — сопротивление материала отрыву;

Л!р — удлинение образца на стадии роста макротрещины, отнормированное к площади сечения стандартного образца (диаметром 8 мм). Значения параметра S» для гладкого образца и образцов с концентраторами R20, R20, R4 соответственно равны

146,85; 146,66; 151,18; 154,80 кг/мм . Значения параметров Л!р для тех же образцов

1,662; 1,638; 1,450; 1,19 мм, Модуль Юнга материала К 2,05 10 кг!м, Тогда характеристики трещиностойкости; КЛ соответственно. для гладких образцов и образцов с концентраторами получаются ра вн ы ми 2236,8; 2219; 2119,8;

143,2 кг/мм / ., 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

Ь риждмена

Ке7 -1/3+1п(1+ г/2R)

Соответствующие значения параметра

К г/ для гладких образцов и образцов с концентраторами равны Kg = 0,771, 0,784;

0,796, 0,828. учитывая, что значения критических коэффициентов интенсивности напряжений

Klo поэе обной стали К10" ". = 474...600

КГ/ММ (К<сред«,исх = 537 КГ/С ), КРИВаЯ

K Л (К o ) для исходного материала, описываемая экспоненциальной зависимостью, имеет вид (см. фиг, 2, кривая 1), исх. Kg . Š— г<о (К(7 — <5o6p.), <с

Где

<7 =2236,8 кг/мг по = 0,575;.

К Ст = 3,25;

К g обр." - .0771, и, следовательно, К исх =22368 Kr/ 3/2 -0,675 (3,250,771) = 537 кг/ мэ/2

После этого из материала с заданной наработкой, которая имитировалась термообработкой (старение исходного материала)при

400 С вЂ” 4 часа, которое приводит к обеднению матрицы никелем, иэ-за преимущественного образования фаз, богатых никелем, и является причиной увеличения числа возможных мест зарождения трещин и повы5 шения вероятности их быстрого распространения. Кроме того, при такой температуре старения в мартенситностареющих сталях затруднена релаксация неоднородных микронапряжений, 10 возникающих при исходной закалке сталей, 8 РЕЭУЛЬтатЕ К1с МаРтЕНСИтНОСтаРЕЮЩЕй сталй снижается на 10...15% (17,18) изготавливали гладкий образец диаметром 8 мм и испытывали его на статическое растяжение

15 в условиях равновесного деформирования.

По параметрам ниспадающего участка полной диаграммы деформирования такого, охрупченного термообработкой, материала, определяли характеристику трещиностой20 кости

25 - 166,7 мм 2,05 10 кгlмм

=1700,3 кгlммэ

При этом значение параметра К(7 обр, Р. в

30 момент старта макротрещины соответственно 0,7. Значение К<с" „ДлЯ исслеДУемой мартенситностареющей стали принимали

179 кг/ (Кисх /3).

Тогда значения параметров и; m и К, 35 равны соответственно "l(:-;. ;".j 1=-- -(;;;;;",; A-e»»;-». (к,.-к", ."„1- е» к",(in °

40 к "Р

7,7< "0 575 (5,25-0,77<1- 5, <В7

- а575. 2,92 е к ».к ".„„-е»к",,+ .» к

»+ <»

7,455 iO,55S9 О7-5,<57+0,57 О55

=5,0<.

0,576 0,5559

Следовательно, нар. кКЛ . — г<(Ку — К go6p )

-1700,3- е 0,6359 (3,01-0,7) 493 / 3/г

Предлагаемый способ позволяет прогнозировать характеристики трещиностой55 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

1837199 зависимости от условий эксплуатации кон-! струкции, Особенно он может быть полезен

1при оценке характеристик трещиностойко. : сти корпусных материалов на пробах весь- .

-,::ма ограниченных размеров, 5, непосредственно изъятых из действующих

; изделий, в частности корпусов реакторов.

Формула изобретения

Способ прогнозирования трещиностой: кости материала в зависимости от условий 10 - эксплуатации конструкции, заключающийся

, :в том, что из испытуемой конструкции выре-., зают пробы материалов, из которых изго ; :тавливают серию малогабаритных образцов

: с концентраторами, проводят их механиче- 15

:: ские испытания, определяют энергетиче; : скую характеристику испытуемого

: материала, по которой судят î его трещино стойкости, отличающийся тем, что, с, целью повышения достоверности прогнози- 20

; рования характеристик трещиностойкости материала на заданных базах наработки,, изготавливают серию малогабаритных об, разцов с надрезами, обеспечивающими, ; разную степень жесткости напряженного 25

: :состояния в момент старта трещины из ма териала в исходном состоянии, а один идентичный образец любому из серии — из материала осле заданной базы наработки, . механические испытания осуществляют 30, статическим растяжением в условиях равно веского деформирования, определяют зна; чения характеристик трещиностойкости исходного материала при различной жест1кости напряженного состояния и материала 35, после наработки по параметрам ниспадаю. : щих участков полных диаграмм деформиро вания, а критическое значение !

: коэффициента интенсивности напряжений ,:: для материала с заданной базой наработки 40

: определяют по формуле

К "à >. = Kg . e (Ê (3 — К Ддц 1 где и — параметр, характеризующий свайст- 45

: :ва материала с заданной базой наработки п=по11 — (, ) 2), кЛ кЛ 2

КЛ - КР по — то же для материала в исходном состоянии, К с".Р— значение характеристики трещиностойкости полностью охрупченного материала;

КЛ, КЛ вЂ” значения характеристик трещиностойкости, определяемых путем испытания образца из материала в исходном состоянии и с заданной базой наработки соответственно;

Йд — значение параметра, характеризующего жесткость напряженного состояния материала образца, при которой происходит квазихрупкое разрушение при заданной базе наработки, определяемое из соотношения

m — параметр, характеризующий зависимость крити ческихзначений коэффициента интенсивности напряжений материала при различной базе наработки от соответствующих значений K g

K с oop "Р—,-. начение параметра. характеризующего жесткость напряженного состояния материала в шейке образца, после заданной базы наработки; . К g 06, " " - то же для образца из исходного материала и идентичного образца после заданной базы наработки;

Кg, Kg " — значение параметров, характеризующих жесткость напряженного состояния материала образца, при которой происходит квазихрупкое разрушение для исходного и полнос7ь б охрупченного мате риала соо- ветственно.

1837199

3,2

Редактор

Заказ 2861 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород. ул.Гагарина, 101 Ю ис

< с

Я

Уд ZQ фы. g

Составитель А.Лебедев

Техред M.Ìîðãåèòàë Корректор А. Козориз