Способ определения длительности задержки роста усталостной трещины после перегрузки

 

Сущность изобретения: при испытании образец подвергают циклическому двуосному растяжению или растяжению-сжатию и выращивают усталостную трещину. После достижения заданной длины трещины образец нагружают с перегрузкой по отношению к максимальному уровню циклической нагрузки до перегрузки, после чего уменьшают нагрузку и продолжают нагружение до новой перегрузки. Растягивающее напряжение, раскрывающее берега трещины, должно быть одинаковым до и после перегрузки. Для определения величины зоны задержки трещины и ее длительности измеряют длину трещины на участке, в пределах которого происходит уменьшение высоты скоса от пластической деформации после перегрузки, и соответствующее ей число циклов нагружения. Предложено соотношение для определения размера зоны пластической деформации в момент перегрузки, в которое входят измеренная высота от пластической деформации, достигнутая к моменту перегрузки, и полярные углы, используемые в уравнениях Ирвина для описания размеров зоны пластической деформации. При использовании изобретения повышается точность определения длительности задержки роста усталостной трещины. 4 ил.

Изобретение относится к области исследования прочностных свойств материалов, а именно к определению их способности сопротивляться росту трещин по параметрам рельефа излома в виде скосов от пластической деформации, и может быть использовано для оценок нагруженности элементов конструкций.

Известен способ определения длительности задержки роста усталостной трещины в материале после перегрузки при одноосном растяжении, по которому образец подвергают при испытании циклическому растяжению при асимметричном цикле и выращивают усталостную трещину, при достижении трещины заданной длины осуществляют растяжение образца с разной степенью перегрузки по отношению к максимальному уровню циклической нагрузки до перегрузки, после чего уменьшают уровень нагрузки до первоначального и продолжают испытания до новой перегрузки, при этом для определения величины зоны задержки трещины и длительности задержки измеряют в процессе испытаний длину трещины и соответствующее ей число циклов нагружения.

Согласно известному способу длина трещины, отвечающая задержке, соответствует моменту достижения скорости роста трещины, которая равна скорости до перегрузки, а длительность задержки определяют по моменту пересечения касательной в точке достижения указанной выше скорости с горизонталью, проведенной через точку указанной выше зависимости, отвечающую моменту проведения перегрузки [1] Недостатком известного способа является то, что перегрузку осуществляют путем одноосного растяжения материала, тогда как в условиях эксплуатации конструкция работает в условиях двуосного растяжения или растяжения-сжатия.

При определении траектории трещины не учитывается тот факт, что в процессе циклического нагружения по боковой поверхности происходит формирование скосов от пластической деформации, величина которых зависит от характера и интенсивности двуосного нагружения материала. Однако при измерении ширины скосов от пластической деформации при стационарном двуосном нагружении не учитывается то, что величина скосов после перегрузки имеет иную зависимость от уровня эквивалентного напряжения, чем это связано со стационарным режимом нагружения.

Помимо этого, определяемая по известному способу длина трещины, где реализована ее задержка, ставится в соответствие с размером зоны пластической деформации в вершине трещины, которая формируется в момент перегрузки. В последующем этот размер зоны фигурирует в расчетах при моделировании роста трещины. Однако, как показывают результаты измерений размеров зоны пластической деформации, ее величина все более отстает от измеренной длины задержки трещины по мере увеличения уровня перегрузки. Это делает невозможным обеспечить требуемую точность при моделировании роста трещины, поскольку расчетом можно получить только величину зоны пластической деформации в момент перегрузки. В случае сложного напряженного состояния конструкции неизвестно даже по какой формуле определять размер зоны пластической деформации. Существует множество зависимостей, в которые входят корректирующие коэффициенты, определяемые экспериментально (см. В.Н.Шлянников. Заводская лаборатория, N 4, 1990 г.), причем ни одна из указанных формул не была апробирована на применимость к случаю перегрузок материала.

Задачей данного изобретения является повышение точности определения длительности задержки роста усталостной трещины за счет того, что рассматриваемая длина трещины, отвечающая участку уменьшения высоты скосов от пластической деформации, полностью находится в пределах зоны от пластической деформации.

Это достигается согласно изобретению благодаря тому, что в способе определения длительности задержки роста усталостной трещины в материале после перегрузки, по которому образец подвергают циклическому нагружению при асимметричном цикле и выращивают усталостную трещину, при достижении трещины заданной длины производят нагружение образца с разной степенью перегрузки по отношению к максимальному уровню циклической нагрузки до перегрузки, после чего уменьшают уровень нагрузки до первоначального уровня и продолжают испытания до новой перегрузки, при этом для определения величины зоны задержки трещины и длительности задержки измеряют длину трещины и соответствующее ей число циклов нагружения, испытание проводят при двуосном растяжении или растяжении-сжатии при одинаковом уровне растягивающего напряжения, раскрывающего берега трещины до и после нагрузки, измеряют длину трещины на участке, в пределах которого происходит уменьшение высоты скосов от пластической деформации после перегрузки, при этом для установления соотношения между длиной трещины на участке ее задержки и размером зоны пластической деформации в момент перегрузки размер r_n зоны определяют по соотношению r_n= h_s/tg(Θ₁-180°)+h_stg(Θ₂-270°), где h_s измеренная высота скоса от пластической деформации на поверхности образца, достигнутая к моменту перегрузки; Θ₁,Θ₂ полярные углы, используемые в уравнениях Ирвина для описания размеров зоны пластической деформации.

Как показали выполненные авторами многочисленные испытания алюминиевых материалов при двуосном растяжении и растяжении-сжатии, для всех случаев происходит формирование зоны пластической деформации, граница которой совпадает с длиной трещины, на которой достигается минимальная величина скоса от пластической деформации после перегрузки любого уровня. Далее распространение трещины происходит вне пределов зоны пластической деформации, сформированной при перегрузке. Поэтому далее происходит возрастание скосов от пластической деформации. Полная длина задержки трещины определяется по достижении образца той же величины скоса от пластической деформации, что и до момента перегрузки. На втором участке трещина движется быстро. Причем число циклов нагружения на этом участке зависит от длины трещины и уровня перегрузки и колеблется от нескольких десятков циклов до нескольких тысяч. При этом от общего числа циклов нагружения после перегрузки, включая период полной остановки трещины, число циклов на этом втором участке роста трещины после перегрузки составляет не более 5% Формула для определения размера r_n зоны пластической деформации на основе измерения высоты скоса от пластической деформации, достигнутой к моменту перегрузки, получена на основе формулы Ирвина, которая используется для случая одноосных перегрузок (Вычислительные методы в механике разрушения. Под ред. С.Атлури. М. Мир, 1990, с. 390).

Как показали выполненные авторами эксперименты при двуосном нагружении плоских элементов конструкций, форма зоны пластической деформации зависит только от напряженного состояния материала в вершине трещины, которое может быть эквивалентным при разных условиях внешнего воздействия на материал. Это означает, что при одноосной перегрузке при некотором уровне коэффициента интенсивности напряжения К₁ может быть получена также длительность задержки трещины и величина зоны пластической деформации, как и при двуосной перегрузке, но с другим уровнем величины коэффициента интенсивности напряжения К₁. Поэтому описываемый способ определения в испытаниях размера пластической деформации после перегрузки материала может быть применен для любого вида внешнего воздействия на материал: одноосно, двуосно, с разной частотой, степенью агрессивности окружающей среды и т.п.

На фиг.1 показана последовательность перегрузок (К_е)_реак.i при постоянных уровнях коэффициентов (К_е)_{0 мах.} и (К_е)_{0 мин.} интенсивности напряжения основного цикла нагружения с асимметрией.

"а" длина трещины в момент перегрузки.

На фиг. 2 показана зависимость длины "a" трещины от числа циклов нагружения образца, испытанного при двуосном растяжении-сжатии с σ₁ 100 МПа, σ₂/σ₁ -0,4 и асимметрии цикла 0,3. Указаны длительность N_Д задержки и длина а_Д трещины, на которой задержана трещина по известному способу, и длина (а_Д)_1-3, на которой оценивается задержка трещины по изобретению. а_ov1 длина трещины, на которой произведена перегрузка.

На фиг. 3 приведена схема изменения траектории усталостной трещины на поверхности образца после перегрузки в связи с изменением высоты h_s скоса от пластической деформации и углы Θ₁ и Θ₂, используемые в расчете длины трещины (а_Di)_1-3 X₁ + r_n0 + X₂, на которой определяется задержка трещины по предлагаемому способу.

На фиг.4 приведена схема излома образца после трех перегрузок на длинах а_ov1, а_ov2 и а_ov3 с указанием длины трещины, где трещина задержана, по изобретению (а_Di)_1-3 и известному (а_Di) способу.

Осуществление способа по изобретению иллюстрируется следующим примером.

Крестообразный образец из алюминиевого сплава Д16Т подвергали циклическому нагружению путем его двуосного растяжения при соотношении компонент нагрузок двуосного растяжения 0,7 при постоянном уровне напряжения, раскрывающего берега трещины 130 МПа. Было реализовано последовательно три перегрузки (фиг. 1) с последовательно уменьшающимся уровнем максимального напряжения по отношению к уровню 130 МПа соответственно 2,1 1,8 1,5. После достижения трещины длины соответственно около 2,5 8,5 14,5 мм осуществляли однократное нагружение при отнулевом цикле. До и после перегрузки испытания проводили при асимметрии цикла 0,1, 0,3 и 0,5. В процессе проведения испытаний получали зависимости длины трещины от числа циклов приложения нагрузок (фиг.2). О длине трещины, где она была задержана, судили по изменению высоты скоса от пластической деформации. Максимальное уменьшение скоса (фиг.3 и 4) соответствовало указанной выше длине. Измеряли также высоту h_s скоса, достигнутого к моменту перегрузки. Определяли по указанной выше зависимости число циклов задержки трещины. Полярные углы Θ₁ и Θ₂, входящие в эту зависимость, определяются из уравнений, полученных на основе формулы Ирвина: где К_е K₁F(X₁, X₂, X₃, X) - эквивалентный коэффициент интенсивности напряжений, σ_0,2 предел текучести материала образца.

Эквивалентный коэффициент интенсивности напряжений определяли по способу, описанному в авт.св. СССР N 1612238, кл. G 01 N 3/32, 1992.

Все измерения были выполнены после проведения испытаний на неразрушенных, а затем еще раз и на разрушенных образцах. Измерения высоты h_s проводили по способу, описанному в авт.св. СССР N 1744580, кл. G 01 N 3/32, 1992.

Дублирование измерений позволяет повысить точность результатов измерений. Выполненные моделирования роста трещины при однократных перегрузках с использованием характеристик материала по изобретению показали, что при двуосном нагружении в интервале соотношения главных напряжений от -1,0 до +1,1 при асимметрии цикла 0,1 0,3 0,5 прогноз отличается от результатов испытаний в пределах занижения длительности роста трещины на 20.30%

Формула изобретения

Способ определения длительности задержки роста усталостной трещины после перегрузки, по которому образец подвергают при испытании циклическому нагружению при асимметричном цикле и выращивают усталостную трещину, по достижении трещины заданной длины производят нагружение образца с перегрузкой по отношению к максимальному уровню циклической нагрузки до перегрузки, после чего уменьшают уровень нагрузки до первоначального и продолжают нагружение до новой перегрузки, при этом для определения величины зоны задержки трещины и ее длительности измеряют длину трещины и соответствующее ей число циклов нагружения, отличающийся тем, что испытание проводят при двухосном растяжении или растяжении-сжатии при одинаковом уровне растягивающего напряжения, раскрывающего берега трещины, до и после перегрузки, измеряют длину трещины на участке, в пределах которого происходит уменьшение высоты скоса от пластической деформации после перегрузки, при этом для установления соотношения между длиной трещины на участке ее задержки и размером зоны пластической деформации в момент перегрузки размер r_n зоны находят по соотношению
r_n=h_s/tg(Θ₁-180°)+h_stg(Θ₂-270°),
где h_s измеренная высота скоса от пластической деформации на поверхности образца, достигнутая к моменту перегрузки;
Θ₁, Θ₂ - полярные углы, используемые в уравнениях Ирвина для описания размеров зоны пластической деформации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4