PL225092B1 - Sposób oceny kształtu dwuwymiarowych pęknięć zmęczeniowych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób oceny kształtu dwuwymiarowych pęknięć zmęczeniowych, który plasuje problematykę w dziedzinie techniki jaką jest inżynieria mechaniczna.

Metody prognozowania trwałości zmęczeniowej elementów konstrukcyjnych są ciągle przedmiotem zainteresowania konstruktorów i naukowców. Zastosowanie tych metod oparte jest na znajomości reguł dotyczących oceny kształtu oraz dynamiki wzrostu pęknięć zmęczeniowych w zależności od warunków obciążenia i kształtu elementu. W przypadku pęknięć dwuwymiarowych bezpośrednia ocena kształtu pęknięcia jest mało precyzyjna i kosztowna. Z tego względu najczęściej korzystamy z m etod pośrednich, które bazują na obserwacji długości pęknięć powierzchniowych. Metoda wymaga określenia precyzyjnej relacji między długością pęknięcia powierzchniowego i jego głębokością w z ależności od warunków obciążenia i kształtu elementu konstrukcyjnego.

Znane są metody wyznaczenia tej relacji z wykorzystaniem serii próbek, w których inicjowano pęknięcia powierzchniowe o różnej długości. Następnie próbki niszczono statycznie. Analizując przełomy wszystkich próbek serii uzyskiwano poszukiwaną zależność. Wadą tej metody jest duża pracochłonność oraz wysokie koszty badań. Kolejna metoda polega na analizie przełomów zawierających linie zmęczeniowe pochodzące od chwilowych przeciążeń stosowanych w ściśle określonych momentach próby zmęczeniowej.

Inne metody bazowały na analizie przełomów, w których kolejne etapy rozwoju pęknięcia zmęczeniowego „zamrażano” stosując dodatkową obróbkę termiczną. Zastosowanie cykli przeciążających oraz obróbki termicznej może jednak wpłynąć na okresowe zmiany prędkości pękania zakłócając przebieg próby zmęczeniowej. Zmianę kształtu czoła rozwijającego się pęknięcia zmęczeniowego analizowano również z wykorzystaniem metody barwienia przy użyciu gencjany. Metoda jednokolor owego barwienia gencjaną w przypadku dużej liczby zakropleń prowadzi do trudności w zakresie interpretacji otrzymanych obrazów.

Według dostępnej wiedzy dotychczas nie wykonuje się oceny kształtu pęknięć dwuwymiarowych wykorzystującego powiązanie metody spadku potencjału prądu stałego i metody wielokolorowego barwienia.

Istotą sposobu według wynalazku jest powiązanie metody spadku potencjału prądu stałego z metodą wielokolorowego barwienia. Mierzono w sposób ciągły wartość spadku potencjału prądu stałego wynikającą z przyrostu pola powierzchni pęknięcia zmęczeniowego. Równocześnie do tego pęknięcia zakrapiano w ściśle określonych odstępach czasu kontrolowane dawki specjalnie przygotowanych barwników o różnej barwie. Barwniki po wniknięciu do czoła pęknięcia zasychały dając trwały obraz jego kształtu. Poddając analizie uzyskane wyniki otrzymano zależność między spadkiem pote ncjału prądu stałego a długością, głębokością i polem powierzchni rozwijającego się pęknięcia zmęczeniowego oraz zależność między długością tego pęknięcia na powierzchni a jego głębokością. Ta zależność po odpowiednim przetworzeniu może być wykorzystana do budowy modeli obliczeniowych służących planowaniu okresu bezpiecznej eksploatacji elementów konstrukcyjnych.

Zastosowanie w praktyce przedstawionego sposobu oceny kształtu dwuwymiarowych pęknięć zmęczeniowych znacząco zmniejsza koszty ich rejestracji w stosunku do innych, alternatywn ych metod badawczych. Umożliwia to określenie precyzyjnej relacji między długością pęknięcia na powierzchni i w głąb elementu konstrukcyjnego w kolejnych fazach jego rozwoju w zależności od waru nków obciążenia i kształtu elementu. W ten sposób można uzyskać cenną informację, która może być wykorzystana do budowy lub weryfikacji modeli obliczeniowych służących prognozowaniu trwałości elementów konstrukcyjnych eksploatowanych w warunkach rozwijającego się pęknięcia zmęczeniowego. Tak zarejestrowany przypadek rozwoju pęknięcia zmęczeniowego można poddawać analizie w dowolnym miejscu i czasie przy zastosowaniu szerokiej gamy metod badawczych.

Wynalazek został przedstawiony w przykładach wykonania, z których Fig. 1 przedstawia linie zarysu czoła pęknięcia zmęczeniowego uzyskane metodą barwienia w próbkach badanych w warunkach: zmiennoamplitudowego, osiowego rozciągania (a) i stałoamplitudowego, odzerowo zmiennego zginania (b). Fig. 2 przedstawia schemat układu pomiarowego do oceny kształtu pęknięć półeliptycznych metodą spadku potencjału z wykorzystaniem metody wielokolorowego barwienia. Następnie na Fig. 3 przedstawiono przebiegi zmian pola powierzchni pęknięcia S i spadku potencjału Δϋ wyznaczone dla próbki rozciąganej przy n_amax=137,5 MPa. Fig. 4 odzwierciedla przebiegi zmian pola powierzchni pęknięcia S i spadku potencjału Δϋ wyznaczone dla próbki badanej w warunkach zginania przy a_gna=125 MPa. Kolejna Fig. 5 zawiera charakterystykę wzorcowania układu pomiarowego spadku

PL 225 092 B1 potencjału w próbkach rozciąganych z rozwijającym się pęknięciem półeliptycznym badanych przy CT_amax=137,5 MPa, n_amax=150 MPa i a_amax=162,5 MPa. Fig. 6 to charakterystyka wzorcowania układu pomiarowego spadku potencjału w próbkach zginanych z rozwijającym się pęknięciem półeliptycznym badanych przy a_gna=90 MPa, a_gna=100 MPa i a_gna=125 MPa. Fig. 7 przedstawia zmianę wymiarów propagującego pęknięcia półeliptycznego a=f(2c) w próbkach poddanych zmiennemu rozciąganiu o amplitudzie naprężenia opisanej blokowym programem naprężeń (a) i w próbkach zginanych (b).

P r z y k ł a d w y k o n a n i a:

Przedstawione poniżej wyniki badań własnych wyjaśniają dokładniej istotę zgłoszonego wynalazku. W celu weryfikacji metody zbudowano specjalne stanowiska do badań zmęczeniowych wyp osażone w układ pomiarowy przedstawiony na Fig. 2.

Metoda spadku potencjału może być użyta do badań propagacji pęknięć w materiałach przewodzących prąd elektryczny. Wyznaczenie wymiarów pęknięcia opiera się na zasadzie, że pole elektryczne w pękającej próbce, przez którą przepływa prąd, jest funkcją geometrii próbki oraz wymiarów pęknięcia. Przy zastosowaniu prądu stałego spadek napięcia mierzony w przekroju poprzecznym próbki z pęknięciem rośnie wraz ze wzrostem wymiarów tego pęknięcia. Efekt ten powstaje na skutek zmiany pola elektrycznego będącej wynikiem zaburzeń linii przepływu prądu. Zastosowanie prądu stałego zapewnia uzyskanie dwuwymiarowego pola elektrycznego, stałego na całej grubości badanej próbki. Układ pomiarowy w metodzie spadku potencjału składa się z obwodu zasilającego i obwodu pomiarowego. Napięcie wyjściowe obwodu zasilającego wynosi od 0,1 do 50 mV dla najczęściej stosowanych wartości natężenia prądu od 5 do 50 A, w zależności od wymiarów i materiału badanych próbek. W obwodzie pomiarowym należy stosować przyrządy umożliwiające pomiar zmiany napięcia o wartości od 0,05 do 0,5 liV. W badaniach własnych gęstość prądu przepływającego przez próbki wynosiła 0,1 A/mm². W obwodzie pomiarowym zastosowano mikrowoltomierz cyfrowy o rozdzielczości 0,5 liV z korekcją temperaturową, umożliwiający automatyczną rejestrację wyników pomiarów. Do odtworzenia kształtu czoła pęknięcia półeliptycznego zastosowano metodę wielokolorowego barwienia.

Korelacja spadków potencjału oraz pól powierzchni propagującego pęknięcia, wyznaczonych na podstawie jego zarysu uzyskanego za pomocą wielokolorowego barwienia, pozwoliły na sporządzenie przebiegów zmian tych wielkości wraz ze wzrostem liczby cykli obciążenia. Przykładowe przebiegi dla badań przeprowadzonych w warunkach osiowego rozciągania przy n_amax=137,5 MPa przedstawiono na Fig. 3. Wyniki uzyskane dla próbki poddanej zginaniu przy a_gna=125 MPa zamieszczono na Fig. 4.

Ujęcie zbiorcze uzyskanych wyników dla próbek wzorcowych umożliwiło określenie charakterystyk układu pomiarowego. Na ich podstawie opisano zmiany pola powierzchni pęknięcia S, długości pęknięcia półeliptycznego 2c na powierzchni próbki i jego głębokości a za pomocą wielomianów stopnia 2:4. Przykładowe charakterystyki opracowane dla przyjętych warunków badań przedstawiono na Fig. 5 i 6. Należy podkreślić, że w elementach poddanych badaniom wykonano wstępny karb o kształcie półeliptycznym i wymiarach, które można odczytać na osi rzędnych ww. wykresów przy AU=0.

Uzyskane wyniki można w procesie prostych przekształceń wykorzystać do określenia relacji między długością pęknięcia na powierzchni i w głąb elementu konstrukcyjnego w kolejnych fazach jego rozwoju, w zależności od warunków obciążenia i kształtu elementu. Przykładowe wykresy przedstawiono na Fig. 7.

Ta relacja może być bezpośrednio wykorzystana do budowy lub weryfikacji modeli obliczeniowych służących prognozowaniu trwałości elementów konstrukcyjnych eksploatowanych w warunkach rozwijającego się pęknięcia zmęczeniowego.

Claims (1)

1. Sposób oceny kształtu pęknięć dwuwymiarowych, znamienny tym, że określa się zależność wyników badań spadku potencjału prądu stałego i analizy rozwoju pęknięć zmęczeniowych uzyskanych przy użyciu metody wielokolorowego barwienia, następnie zarejestrowane obrazy tej zależności się przetwarza i wykorzystywane do budowy modeli obliczeniowych stosowanych do prognozowan ia trwałości elementów konstrukcyjnych.