Способ определения критической повреждаемости материала при циклическом нагружении

 

Изобретение относится к исследованию повреждаемости материалов, а именно к способам определения характеристик сопротивления материалов усталостному разрушению, и может использоваться для определения остаточного ресурса изделий, для прогноза ресурса изделий при проектировании и для определения изменения изгибной жесткости деталей под воздействием циклических нагрузок. Изобретение заключается в том, что по результатам испытания образцов изделия исследуемого материала на изгиб в условиях циклического нагружения при заданной температуре определяют зависимость отношения прогиба в момент начала его быстрого увеличения к прогибу в начальный момент нагружения от числа циклов нагружения в момент начала быстрого увеличения прогиба изделия из исследуемого материала, полученную зависимость аппроксимируют линейной функцией и из полученного при этом уравнения определяют меру критической повреждаемости для изделий из исследуемого материала при заданном числе циклов нагружения. Данное изобретение позволяет упростить процедуру исследования свойств материала изделия, повысить точность результатов исследования, а также применить результаты испытаний образцов материала на усталостную прочность для прогнозирования долговечности и оценки остаточного ресурса изделий независимо от их конструктивно-технологических характеристик. 12 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области анализа свойств материалов по измерению физических характеристик образцов материала, а именно к области исследования повреждаемости материалов, способам определения характеристик сопротивления материалов усталостному разрушению, и может использоваться для определения остаточного ресурса изделий, для прогноза ресурса изделий при проектировании и для определения изменения изгибной жесткости деталей под воздействием циклических нагрузок.

Известен способ использования регистрации прогиба образца для изучения процесса усталости (Я. С. Сегал. Использование регистрации прогиба образца для изучения процесса усталости. Сб.: Прочность металлов при циклических нагрузках. Материалы IV совещания по усталости металлов, 14-17 марта 1966 г. М. : Наука, 1967, с.66-71). При этом регистрируемый параметр (прогиб) используется для изучения характеристики, наиболее полно отражающей существо происходящих изменений - величины энергии, затраченной на необратимые изменения кристаллической решетки материала. Особенность данной методики составляет оценка только энергии, необратимо поглощенной материалом до разрушения D_N = P • (f_N - f_b), где P - сила, нагрузка на образец; f_N - прогиб образца в момент разрушения через N циклов нагружения; f_b - прогиб образца в момент начала быстрого увеличения прогиба до разрушения, предложенный как признак появления усталостной трещины. Для оценки развития разрушения предложено использовать разрушенный объем материала, оцениваемый по данным кривой прогиба: V_n = D_n/L_пл = P•(f_n - f_b)/L_пл, где D_n - энергия, необратимо поглощенная материалом через n циклов нагружения; f_n - прогиб образца через n циклов нагружения; L_пл - величина удельной энергии, поглощение которой предельно искаженной решеткой приводит к нарушению междуатомных связей - разупрочнению.

Недостатком способа является необходимость определения параметра L_пл и сложность экстраполяции результатов исследования образцов материала на работу деталей из данного материала в реальных условиях.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ определения повреждаемости нагруженного материала, защищенный патентом Российской Федерации N RU 2077046, кл. G 01 N 3/00, опубликован 10.04.97.

Способ определения повреждаемости нагруженного материала включает определение характерных параметров повреждаемости и оценку меры повреждения материала расчетным путем, основанный на измерении количества трещин, образующихся в нагруженном материале за определенное время, построении зависимости числа трещин от времени и экстраполяции этой зависимости на заданный момент времени. На указанный момент времени по предлагаемому способу оценивают меру повреждения, измеряют среднюю длину трещин и объем области трещинообразования, рассчитывают предельное число трещин, а меру повреждения материала в заданный момент времени определяют как вероятность образования кластера из заданного числа начальных трещин, вычисленную на основе измерения средней длины трещин в заданный момент времени, объема области трещинообразования и рассчитанного предельного числа трещин.

Недостатком известного способа является необходимость измерения числа трещин в исследуемом объекте, а также необходимость измерения средней длины трещин и объема области трещинообразования. При этом, как отмечает автор известного способа, диагностика одного объекта не гарантирует подобия характеристик разрушения аналогичных объектов в связи с наличием индивидуальных дефектов изготовления. Вышеуказанные причины затрудняют экстраполяцию результатов исследования одного объекта даже на другие аналогичные объекты, в некоторых случаях способ сложно или практически невозможно применить, а результат применения способа оказывается недостаточно точен.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - создание способа определения характеристик критической повреждаемости материала. Технический результат от использования изобретения заключается в упрощении исследований материала изделий и повышении точности результатов благодаря получению результатов экспериментов на образцах материала и изделиях в сопоставимой форме. Кроме того, использование предлагаемого способа позволяет применить результаты испытаний образцов материала на усталостную прочность для прогноза долговечности и оценки остаточного ресурса изделий независимо от конструктивно-технологических характеристик изделия благодаря использованию в качестве параметра относительного прогиба f_т/f₀.

Указанный результат достигается тем, что в способе определения критической повреждаемости материала при циклическом нагружении, включающем определение характерных параметров повреждаемости, по результатам испытания образцов материала на изгиб при циклическом нагружении при заданной температуре строят зависимость отношения прогиба в момент начала быстрого увеличения f_т к прогибу в начальный момент нагружения при статической нагрузке f₀, аппроксимируют полученную зависимость и из уравнения f_т/f₀ = C • N_т^В, где N_т - число циклов нагружения в момент начала быстрого увеличения прогиба, B и C - эмпирические константы материала, определяют меру критической повреждаемости материала изделия f_т/f₀ при заданной долговечности - числе циклов N_т, а по заданной мере критической повреждаемости f_т/f₀ определяют долговечность изделия N_т.

Способ осуществляется следующим образом.

Для каждого образца материала получают зависимость прогиба от числа циклов нагружения при заданной температуре. С кривой прогиба образца снимают значения f₀, f_т и N_т, где f₀ - прогиб в начальный момент времени; f_т и N_т - прогиб и число циклов (циклическая долговечность) в момент образования трещины критического раскрытия. Этот момент определяется по началу быстрого увеличения прогиба образца.

Далее строят зависимость отношения прогиба в момент начала быстрого увеличения f_т к прогибу в начальный момент нагружения при статической нагрузке f₀ от числа циклов нагружения N_т в логарифмических координатах, аппроксимируют полученную зависимость для серии образцов линейной функцией вида: lg(f_т/f₀) = B • lgN_т + lgC, где B и C - искомые эмпирические константы материала.

Из уравнения f_т/f₀ = C • N_т^В определяют меру критической повреждаемости материала изделия f_т/f/₀ при заданной долговечности - числе циклов N_т. По заданной мере критической повреждаемости f_т/f₀ определяют долговечность изделия N_т до образования трещины критического раскрытия.

Пример реализации способа Были использованы цилиндрические образцы стали 40Х тип I (ГОСТ 25.502-79) после различных технологий обработки. Например: правка; нитроцементация (190-200^oC) на слой 0,4-0,65 мм, твердость 58-60 HRC; нитроцементация с последующей правкой; нитроцементация, последующая правка, затем дробеструйная обработка; нитроцементация и закалка.

Кривые прогибов образцов при испытании на консольный изгиб с вращением (50 Гц) в нормальных условиях (комнатная температура, воздух) приведены на фиг. 1 - 11. Результаты экспериментов - значения f₀, f_т, N_т, lg(f_т/f₀) и lg(N_т) сведены в таблицу. На фиг. 12 приведены значения lg(f_т/f₀) и lg(N_т), аппроксимированные линейной функцией lg(f_т/f₀) = -0,0759 • lgN_т + 0,5732 с коэффициентом корреляции r = 0,96. Это соответствует уравнению критической повреждаемости при циклическом нагружении f_т/f_o= 3,7428•N^-_т^0,0759 или N_т= 3564500•(f_т/f_o)^-13,175.

При заданной долговечности N_т = 1•10⁶ циклов, мера критической повреждаемости материала изделия f_т/f₀ = 1,31. При заданной мере критической повреждаемости f_т/f₀ = 1,38, долговечность до образования трещины критического раскрытия N_т = 5,12 • 10⁵.

Использование предлагаемого способа позволяет применить результаты испытаний образцов материала на усталостную прочность для прогноза долговечности и оценки остаточного ресурса изделий независимо от конструктивно-технологических характеристик изделий благодаря использованию в качестве параметра критической повреждаемости материала относительного прогиба f_т/f₀.

Формула изобретения

Способ определения критической повреждаемости материала при циклическом нагружении, включающий определение характерных параметров повреждаемости, отличающийся тем, что по результатам испытания образцов материала на изгиб при циклическом нагружении при заданной температуре строят зависимость отношения прогиба f_т в момент начала его быстрого увеличения к прогибу f₀ в начальный момент нагружения при статической нагрузке от числа циклов нагружения N_т на момент начала быстрого увеличения прогиба, аппроксимируют полученную зависимость линейной функцией вида: lg(f_т/f₀) = B • lgN_т + lgC, где В и С - искомые эмпирические константы материала, и из уравнения f_т/f₀ = C • N_т^B определяют меру критической повреждаемости материала изделия f_т/f₀ при заданной долговечности - числе циклов N_т.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13