RU2052790C1 - Способ определения вязкости разрушения металлов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к механическим испытаниям и повышает информативность в поведении металла за счет использования удельной работы роста трещины при критическом напряженном состоянии. Способ заключается в том, что испытывают цилиндрический образец с концентратором напряжений на растяжение. Концентратор напряжений выполняют радиусом надреза, при котором соотношение упругих модулей таково, что при дальнейшем уменьшении радиуса надреза пластичность и прочность постоянны. Определяют предельную деформацию при критическом напряженном состоянии и сопротивление разрыву, а удельную работу роста трещин определяют по формуле приведенной в описании. 1 табл.

Description

Изобретение относится к механическим испытаниям/ в частности к способу определения вязкости разрушения конструкционных сталей и сплавов в условиях испытаний на растяжение цилиндрических образцов с кольцевым надрезом.

Известен способ определения коэффициент интенсивности напряжений Kic путем испытания на растяжение цилиндрического образца с кольцевой трещиной в предварительно нанесенном кольцевом надрезе [1] рекомендованный физико-механическим институтом АН УССР. Способ включает следующие операции: изготовление цилиндрического образца; нанесение кольцевого надреза с диаметром Dк ≈0,8 Dо, где Dо диаметр образца, с углом раскрытия надреза α ≅60о и с радиусом в основании надреза ρ ≅02,5 мм; выращивание усталостной кольцевой трещины в испытуемом образце с соблюдением условия Dк- d > Do Dк, где d диаметр перешейка в образца с трещиной; испытание образца на расстояние, определение разрушающей нагрузки Р* с точностью не более ±1% после разрушения образца измерение диаметра перешейка d в плоскости расположения трещины в двух взаимно перпендикулярных направлениях, определение среднего значения dср; расчет коэффициента интенсивности напряжений
K $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{(o)}}{\text{1c}}$ =

(1) где функцию f1(ε) находят по формуле

00ε-0,1250ε²+0,2757ε³-0,2082ε⁴+0,0663ε⁵+(2) где ε

; проверка выполнения условия образования усталостной трещины, которое выражается неравенством
Q_f≅ 0,7522

(3) где εк d_ср/D_к, при невыполнении условия Q_f уменьшают до требуемой величины; проверка достоверности полученного результата на основе установленных ранее условий, т.е. нахождение необходимых размеров d и D образцов по неравенствам
d≥ 1,6

D≥ 2,3

(4) где σ_т предел текучести. При выполнении этих условий значение К_1c является достоверным, в противном случае оно является условным и эксперименты необходимо повторить на образцах больших размеров. Если размеры образцов удовлетворяют условия, то испытания повторяют не менее чем на трех образцах найденного размера. Коэффициент интенсивности напряжений для достаточно пластичных материалов и использовании малых образцов можно определять по формуле
K_1c=

(5) где τ_s предел текучести на сдвиг; Е модуль Юнга; ν коэффициент Пуассона; Ψ относительное сужение гладких образцов; ρо структурный параметр (размер зерна). Указанный способ имеет следующие недостатки. Способ требует длительного времени и большой трудоемкости ввиду необходимости выращивания трещины, многократных измерений размеров усталостной трещины, усилия разрыва, диаметра перешейка; отсутствует точная количественная оценка напряженного состояния, которое стремятся получить в устье усталостной трещины и различное у разных металлов. О достигнутой величине критического напряженного состояния судят косвенно после проверки неравенств (3) и (4) и по виду излома. Искусственное выращивание усталостной трещины сопряжено с прохождением пластической деформации в вершине кольцевого надреза, которая вызывает упрочнение металла и величина которой неизвестна. Усталостная трещина хотя и создает в вершине концентратор напряжений, однако расположена на периферии образца, где в концентраторе сохраняется напряженное состояние, близкое к линейному [2, 3] хотя и более высокого уровня. Наиболее же опасное объемное напряженное состояние у растягиваемого образца с выточкой согласно литературным данным [3] создается на оси образца, где и возникает естественная трещина. Известен способ определения физико-механических свойств материала при сложном напряженном состоянии [4] Способ заключается в том, что нагружают образцы материала, имеющие форму тела вращения с вогнутой образующей, регистрируют диаграмму нагружения в координатах усилие деформация, измеряют напряженное состояние образцов и по сравнению результатов испытания образца постоянного сечения судят о физико-механических свойствах. Для повышения точности определения используют образцы, которые имеют одинаковый наименьший диаметр поперечного сечения и одинаковый объем рабочей части, равный объему рабочей части образца постоянного сечения, а длина рабочей части образца постоянного сечения выбрана из условия равенства объемов очага деформации образца с постоянными и переменными сечениями. Недостатки этого способа следующие. Не оценивается количественно напряженное состояние и не указывается, как влияет переход от одного радиуса надреза или от одного напряженного состояния к другому на поведение механических свойств. Известен способ испытания материалов на сопротивление хрупкому разрушению [5] Способ испытания материалов на сопротивление хрупкому разрушению заключается в том, что нагружают цилиндрические образы с кольцевым надрезом до разрушения и по параметрам трещинообразования судят о сопротивлении материала хрупкому разрушению. Для повышения точности испытаний за счет выделения из суммарной работы разрушения образца работы хрупкого разрушения, испытывают два образца с кольцевым надрезом одинаковой глубины и профиля, различающихся площадью сечения нетто в 1,5-2 раза, нагружают образцы по одной силовой схеме и судят о сопротивлении материала хрупкому разрушению по величине
G

(6) где G критическое сопротивление продвижению трещины; К₁; К₂ суммарные работы разрушения образцов; S₁; S₂ площади сечения нетто образцов; d₁; d₂ диаметры образцов в сечении, нетто. Недостатки данного способа следующие. В указанном способе испытывают два образца с надрезом одинаковой глубины и профиля, различающиеся площадью сечения нетто в 1,5-2 раза, т.е. при двух дискретных значениях напряженного состояния, и не показывается физико-механическое поведение материала в зависимости от напряженного состояния, поэтому невозможно прогнозировать поведение металла при более сложном напряженном состоянии. В качестве прототипа принят способ определения вязкости разрушения металла [6] по которому металлические образцы с концентратором напряжений и трещиной, выращенной из вершины концентратора, нагружают при повышенной температуре до разрушения, регистрируют усилие нагружения и деформацию образца и определяют удельную работу роста трещин, по которой судят о вязкости разрушения металла образца, для повышения достоверности результатов длительных испытаний путем учета релаксации напряжений и изменения структуры металла вблизи трещины при ее подрастании до значений, близких к критическим, нагружение образцов осуществляют попарно одинаковым усилием до разрушения одного из образцов, затем выдерживают неразрушившийся образец при усилии выше первоначального на 3-6% фиксируют момент начала доламывания образца, а вязкость разрушения определяют по удельной работе роста трещины при доламывании, причем момент начала поламывания фиксируют методом акустической эмиссии. Недостатки указанного способа следующие. Способ предполагает попарные испытания образцов, что ведет к повышенному расходу металла, сложный характер приложения нагрузок, необходимость фиксирования начала доламывания образца, что повышает трудоемкость способа, необходимость применения специального физического оборудования, отсутствие количественной оценки напряженного состояния, что снижает информативность. Эти недостатки устраняются предлагаемым способом. Целью изобретения является повышение информативности способа и снижение его трудоемкости. Цель достигается тем, что в способе определения вязкости разрушения испытывают на растяжение цилиндрический образец с концентратором напряжений критического радиуса надреза, начиная с которого при дальнейшем уменьшении радиуса надреза пластичность и прочность остаются постоянными, регистрируют усилие нагружения и деформацию образца и находят удельную работу роста трещины в концентраторе по следующей формуле:
A $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{крит}}{\text{р}}$ =

(7) где А $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{крит}}{\text{р}}$ удельная работа роста трещины при критическом радиусе надреза, соответствующем критическому напряженному состоянию; σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{крит}}{\text{к}}$ сопротивление разрыву при критическом радиусе надреза, соответствующем критическому напряженному состоянию; ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{крит}}{\text{пред}}$ предельная деформация при критическом радиусе надреза, соответствующем критическому напряженному состоянию; n показатель деформационного упрочнения. Критический радиус надреза определяется критическим значением показателя напряженного состояния Пкр, который определяется по формуле Бриджмена:
П_кр=1+ln

1+

(8) откуда
R_кр=d $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{н}}{\text{ш}}$ /4

e

-1

(9) где d

диаметр образца в зоне надреза;
П^кр критическое значение напряженного состояния; е основание натурального логарифма. Критическое значение напряженного состояния определяется равенством удельных энергий, идущих на изменение объема U_об и формы U_ф нагруженного тела и может быть записано в виде:

1

П²=1 (10) откуда
П_кр= ±

±

±

(11) где Е и G упругие модули на отрыв и на сдвиг соответственно; μ коэффициент Пуассона. μ определяется по формуле [7]
μ

1 (12)
Значения упругих модулей Е и G определяются независимо резонансным методом на цилиндрических образцах на приборе "Эластотомат". О соответствии изобретательскому уровню можно судить по следующему анализу. Известны способы определения коэффициента вязкости разрушения К1с, предполагающие нанесение кольцевого надреза, образование усталостной трещины, испытание на растяжение, определение разрушающей нагрузки и расчет К1с. Эти способы являются сложными, трудоемкими, требуют специального испытательного оборудования. Из литературных данных известно, что коэффициент К1с применим для достаточно высокопрочных состояний материалов и не может быть использован для оценки разнообразных материалов после любых технологических обработок. Известные способы не дают количественной оценки напряженного состояния. В предлагаемом способе в качестве критерия вязкости разрушения принимается удельная работа роста трещины, определенная на образце с критическим радиусом надреза, соответствующим критическому напряженному состоянию, и при дальнейшем уменьшении которого пластичность и прочность остаются постоянными. Предлагаемый способ может быть использован для оценок вязкости разрушения любых конструкционных материалов. Поскольку авторам не известно предлагаемое сочетание признаков, можно считать, что предлагаемое решение соответствует критерию "новизна". П р и м е р 1. Определили значения удельной работы роста трещины толстостенных плит из сплавов АК4ТТ и В95ПУ вдоль (Д), поперек (П) прокатки и по толщине (высоте) плиты (В). Резонансным методом на цилиндрических образцах на приборе "Эластомат" определяли значения упругих модулей Е и G. Из соотношения упругих модулей по формуле (11) рассчитывали критическое значение напряженного состояния Пкр по формуле (9) критическое значение радиуса надреза. На цилиндрический образец наносили концентратор напряжений критического радиуса, фиксировали нагрузку разрыва и деформацию образца. По результатам испытаний рассчитывали сопротивление разрыву σ_к и предельную деформацию ε_пред по следующим формулам:
σ_К

(13) где Р₂ нагрузка разрыва; F_к площадь поперечного сечения образца после разрыва;
ε_пред= ln

(14) где F_o площадь поперечного сечения образца в месте концентратора до испытания. По формуле (7) находили удельную работу роста трещины. Значения удельной работы роста трещины по трем направлениям сравнивали со значениями К_1c, определенными методом внецентренного растяжения [8] Результаты испытаний приведены в таблице. Из таблицы следует, что значения удельной работы роста трещины образцов по направлениям располагаются в той же последовательности, что и значения коэффициентов интенсивности напряжений К1с, определенные методом внецентренного растяжения. Сплав В95ПЧ имеет значения удельной работы роста трещины более высокие, чем сплав АК4Т1, по всем направлениям вырезки образцов. Аналогично соотносятся значения К1с. Значения удельной работы роста трещины сплава В95ПЧ соотносятся с работой роста трещины сплава АК4Т1 по каждому направлению примерно аналогично соотношению значений К1с. Так, соотношения К1с сплав В95ПЧ и сплава АК4Т1 в продольном, поперечном направлениях и по высоте соответственно 1,5:1,1,3:1,1,2:1. Соотношение удельных работ роста трещины соответственно 1,8:1,1,3:1,1,6:1. Таким образом, наблюдается корреляция между значениями К1с и Аркрит, последняя может выступать в качестве характеристики вязкости разрушения. При этом резко сокращается трудоемкость и упрощается методика испытаний. ндрических образцов с кольцевым надрезом. Известен способ определения коэффициентА

Claims (1)

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЯЗКОСТИ РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОВ, по которому испытывают цилиндрический образец с концентратором напряжений на растяжение, регистрируют усилие нагружения, деформацию образца, критическое напряженное состояние и определяют удельную работу роста трещин, отличающийся тем, что испытывают образец с радиусом надреза, при котором соотношения упругих модулей таково, что при дальнейшем уменьшении радиуса надреза пластичность и прочность постоянны, в качестве деформации определяют предельную деформацию ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{крит}}{\text{пред}}$ при критическом напряженном состоянии и сопротивление разрыву σ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{rhbn}}{\text{к}}$ , а удельную работу роста трещин определяют по формуле
   

   

   
   где n - показатель деформационного упрочнения материала.

Images