RU2170917C1

RU2170917C1 - Method of determination of critical vulnerability of material to damage at cyclic loading

Info

Publication number: RU2170917C1
Application number: RU2000110443A
Authority: RU
Inventors: Д.С. Гусляков; Г.П. Гуслякова; А.Б. Корнев
Original assignee: Гусляков Дмитрий Сергеевич; Гуслякова Галина Петровна; Корнев Андрей Борисович
Priority date: 2000-04-24
Filing date: 2000-04-24
Publication date: 2001-07-20

Abstract

FIELD: study of vulnerability of materials to damage; methods of determination of characteristics of resistance of materials to fatigue failure; determination of remaining operating time of articles for prediction of their service life in designing; determination of flexural rigidly of parts under action of cyclic loading. SUBSTANCE: proposed method consists in determination of dependence of ratio of bending at the moment of beginning of prompt increase to sagging at the initial moment of loading to number of loading cycles at the moment of beginning of prompt increase of sagging of article made from material under test according to the results of test of specimens under conditions of cyclic loading at preset temperature. Dependence thus obtained is approximated by linear function and rate of vulnerability to damage is found from equation obtained at this. EFFECT: facilitated procedure of study of material property; enhanced accuracy; possibility of predicting durability and remaining operating time of article irrespective of their characteristics. 12 dwg, 1 tbl _

Description

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. The invention relates to the field of analysis of the properties of materials for measuring the physical characteristics of samples of material, namely to the field of studies of damageability of materials, methods for determining the characteristics of the resistance of materials to fatigue failure, and can be used to determine the residual resource of products, to predict the resource of products during design and to determine changes in bending stiffness of parts under the influence of cyclic loads.

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.There is a method of using registration of deflection of a sample to study the process of fatigue (Y. S. Segal. Use of registration of deflection of a sample to study the process of fatigue. Sat: Strength of metals under cyclic loads. Materials of the IV meeting on metal fatigue, March 14-17, 1966 M .: Nauka, 1967, p.66-71). In this case, the recorded parameter (deflection) is used to study the characteristics that most fully reflect the essence of the changes that take place - the amount of energy spent on irreversible changes in the crystal lattice of the material. The peculiarity of this technique is the assessment of only the energy irreversibly absorbed by the material before destruction D _N = P • (f _N - f _b ), where P is the force, the load on the sample; f _N - deflection of the sample at the time of destruction after N loading cycles; f _b - deflection of the sample at the time of the onset of a rapid increase in deflection to fracture, proposed as a sign of the appearance of a fatigue crack. To assess the development of fracture, it is proposed to use the destroyed volume of material estimated according to the deflection curve: V _n = D _n / L _PL = P • (f _n - f _b ) / L _PL , where D _n is the energy irreversibly absorbed by the material after n cycles loading; f _n - deflection of the sample after n loading cycles; L _PL - the value of specific energy, the absorption of which is extremely distorted by the lattice leads to the violation of interatomic bonds - softening.

Недостатком способа является необходимость определения параметра L_пл и сложность экстраполяции результатов исследования образцов материала на работу деталей из данного материала в реальных условиях.The disadvantage of this method is the need to determine the parameter L _PL and the difficulty of extrapolating the results of the study of material samples to the work of parts from this material in real conditions.

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. The closest in technical essence and the achieved result to the claimed is a method for determining the damageability of a loaded material, protected by the patent of the Russian Federation N RU 2077046, cl. G 01 N 3/00, published 04/10/97.

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. A method for determining the damageability of a loaded material includes determining characteristic damage parameters and evaluating a measure of damage to the material by calculation, based on measuring the number of cracks formed in the loaded material in a given time, plotting the number of cracks in time, and extrapolating this dependence at a given point in time. At a specified point in time according to the proposed method, measure the damage, measure the average length of cracks and the volume of the area of crack formation, calculate the maximum number of cracks, and measure the damage to the material at a given point in time is determined as the probability of cluster formation from a given number of initial cracks, calculated on the basis of measuring the average length cracks at a given point in time, the volume of the region of crack formation and the calculated limit number of cracks.

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. The disadvantage of this method is the need to measure the number of cracks in the test object, as well as the need to measure the average length of the cracks and the volume of the cracking region. Moreover, as the author of the known method notes, the diagnosis of one object does not guarantee the similarity of the destruction characteristics of similar objects in connection with the presence of individual manufacturing defects. The above reasons make it difficult to extrapolate the results of a study of one object even to other similar objects, in some cases the method is difficult or almost impossible to apply, and the result of applying the method is not accurate enough.

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.The problem solved by the invention is the creation of a method for determining the characteristics of critical damage to a material. The technical result from the use of the invention is to simplify studies of the material of products and increase the accuracy of the results by obtaining the results of experiments on samples of material and products in a comparable form. In addition, the use of the proposed method allows you to apply the results of tests of material samples for fatigue strength to predict durability and assess the residual life of products regardless of the structural and technological characteristics of the product due to the use of the relative deflection f _t / f ₀ .

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.This result is achieved by the fact that in the method for determining the critical damage of a material under cyclic loading, including the determination of characteristic parameters of damage, according to the results of testing the material samples for bending under cyclic loading at a given temperature, the dependence of the deflection ratio at the time of the onset of a rapid increase in f _t to the deflection to the initial loading moment under static load f ₀ , approximate the obtained dependence from the equation f _t / f ₀ = C • N _t ^B , where N _t is the number of loading cycles at the moment of the onset of a rapid increase in deflection, B and C are the empirical constants of the material, determine the measure of critical damage to the product material f _t / f ₀ for a given durability - the number of cycles N _t , and according to a given measure of critical damage to f _t / f ₀ determine the durability of the product N _t

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

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.For each material sample, the dependence of the deflection on the number of loading cycles at a given temperature is obtained. The values of f ₀ , f _t and N _t are taken from the deflection curve of the sample, where f ₀ is the deflection at the initial instant of time; f _t and N _t - deflection and number of cycles (cyclic durability) at the time of formation of a crack of critical opening. This moment is determined by the beginning of a rapid increase in the deflection of the sample.

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.Next, we construct the dependence of the ratio of the deflection at the moment of the beginning of a rapid increase in f _t to the deflection at the initial moment of loading at a static load f ₀ on the number of loading cycles N _t in logarithmic coordinates, approximate the obtained dependence for a series of samples by a linear function of the form: log (f _t / f ₀ ) = B • logN _t + logC, where B and C are the desired empirical constants of the material.

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.From the equation f _t / f ₀ = C • N _t ^B , a measure of the critical damage to the product material f _t / f / ₀ is determined for a given durability - the number of cycles N _t . For a given measure of critical damage f _t / f ₀ determine the durability of the product N _t to the formation of cracks of critical disclosure.

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.An example implementation of the method
We used cylindrical steel samples 40X type I (GOST 25.502-79) after various processing technologies. For example: editing; nitrocarburization (190-200 ^o C) per layer of 0.4-0.65 mm, hardness 58-60 HRC; nitrocarburizing followed by editing; nitrocarburizing, subsequent dressing, then bead-blasting; nitrocarburizing and hardening.

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 $\binom{-0,0759}{т}$ или N_т= 3564500•(f_т/f_o)^-13,175.The deflection curves of the samples when tested for cantilever bending with rotation (50 Hz) under normal conditions (room temperature, air) are shown in FIG. 1 - 11. The experimental results - the values of f ₀ , f _t , N _t , log (f _t / f ₀ ) and log (N _t ) are summarized in the table. In FIG. Figure 12 shows the values of log (f _t / f ₀ ) and log (N _t ) approximated by the linear function log (f _t / f ₀ ) = -0.0759 • logN _t + 0.5732 with a correlation coefficient r = 0.96. This corresponds to the equation of critical damage under cyclic loading f _t / f _o = 3,7428 • N $\binom{-0.0759}{t}$ or N _t = 3564500 • (f _t / 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.For a given durability N _t = 1 • 10 ⁶ cycles, a measure of the critical damage to the product material is f _t / f ₀ = 1.31. For a given measure of critical damage f _t / f ₀ = 1.38, the durability to the formation of a crack of critical opening N _t = 5,12 • 10 ⁵ .

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.Using the proposed method allows you to apply the results of tests of material samples for fatigue strength to predict durability and assess the residual life of products regardless of the structural and technological characteristics of products due to the use of the relative deflection f _t / f ₀ as a parameter of the critical damage of the material.

Claims

A method for determining the critical damage of a material under cyclic loading, including determining the characteristic parameters of damage, characterized in that, according to the results of the bending test of the material samples under cyclic loading at a given temperature, the relationship of the deflection ratio f _t at the time of its rapid increase to the deflection f ₀ at the initial loading moment under static load on the number of loading cycles N _t at the beginning of a rapid increase in deflection, approximate the resulting dependence a linear function of the form: log (f _t / f ₀ ) = B • logN _t + logC, where B and C are the desired empirical constants of the material, and from the equation f _t / f ₀ = C • N _t ^B determine the measure of critical damage to the product material f _t / f ₀ for a given durability - the number of cycles N _t .