SU1820278A1

SU1820278A1 - Способ определения трещиностойкости материалов

Info

Publication number: SU1820278A1
Application number: SU904805665A
Authority: SU
Inventors: Georgij A Kurilenko; Aleksandr B Pshenichnyj
Original assignee: Novosibirsky Elektrotech Inst
Priority date: 1990-03-21
Filing date: 1990-03-21
Publication date: 1993-06-07

Description

Изобретение относится к испытательной технике.

Целью испытаний является четкая регистрация момента страгивания трещины. Координаты точки, соответствующей этому моменту, на диаграмме Ρ - ν являются расчетными для последующего определения параметров трещиностойкости. При испытаниях получаются диаграммы Ρ - ν трех типов. Диаграммы I-го и II-го типов получа определения трещиностойкости материалов..Цель изобретения - повышение точности определения трещиностойкости. Используют образец с надрезом. Первоначально рассчитывают удельную мощность q_v тепла, выделяемого возникающей в процессе нагружения образца пластической зоной в устье надреза. Определяют скорость нагружения по формуле v = (q_vΔΡα)/( ΔΤ·ό ρ), где ΔΤ - точность прибора, измеряющего температуру; Сир- соответственно удельная теплоемкость и плотность материала образца: APq - задаваемая максимальная погрешность измерения нагрузки. Растягивают образец с постоянной скоростью нагружения ν до разрушения. В процессе нагружения непрерывно измеряют нагрузку на образец, температуру в устье надреза и строят график зависимости на. грузки от температуры. По условию в точке перегиба кривой на графике определяют величину усилия в момент страгивания трещины, которую используют для расчета характеристик трещиностойкости материалов. 4 ил.

ются при практически хрупком (упругом) разрушении и имеют характерный излом в моментстрагивания трещин. Диаграмма Illго типа характеризует упруговязкое или вязкое разрушение, при котором в вершине трещины образуется достаточно протяженная пластическая зона. На этих диаграммах для определения Pq - нагрузки, соответствующей моменту страгивания трещины,, проводят, секущую под углом, тангенс кото1820278 А1 рого на 5% меньше тангенса угла наклона касательной к начальному линейному участку диаграммы. Определяют ординату Ро точки пересечения секущей и диаграммы. Ρ-ν. По величине Pq определяют затем ха- 5 рактеристику трещи ностойкости материалов. ^: '

Целью изобретения является повышение точности определения момента страгивания трещин.

Цель достигается тем, что по способу определения трещин остой кости материалов, заключающемуся в том, что образец с надрезом подвергают статическому растяжению до разрушения с постоянной скоро- 15 стью нагружения, непрерывно измеряют нагрузку на образец, определяют момент страгивания трещины и нагрузку в этот момент, которую используют длярасчета параметров трещиностойкости. при этом предварительно определяют удельную мощность g_v тепла, выделяемого возникающей пластической зоной в устье надреза, на испытываемом образце непрерывно измеряют температуру в устье надреза, скорость нагружения задают исходя из соотношения ^v7 ЗТТф ¹где ΔΤ - точность прибора, измеряющего температуру:

С и р - удельная теплоемкость и плотность образца;

ΔΡα ~ задаваемая максимальная погрешность измерения нагрузки, строят график зависимости нагрузки от температуры, а усилие в момент страгивания трещины определяют по усилию в точке перегиба кривой на графике.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 - образец для испытаний; на фиг.З-совмещенная диаграмма Р - ν (I) и Р - ΔΤ (II). построенные для одного из испытанных образцов, где ΔΤ - изменение температуры в устье надрез (с учетом предварительно на нанесенной усталостной трещиной); ν - смещение берегов надреза: на фиг.4 показаны те же диаграммы для образца с острыми пропилами от вершины надреза.

Устройство (фиг.1) содержит подвижный (верхний) 1 й неподвижный (нижний) 2 зажимы испытательной машины 3 для установки испытуемогообразца 4 (фиг.2). Тепловизор 5 предназначен для измерения температуры в устье надреза образца 4. Выход тепловизора 5 подключен к входу X двухкоординатного самописца 6, вход У которого связан с датчиком 7 омического со20 противления, используемым для измерения нагрузки, Р, действующей на образец 4.

Способ осуществляется следующим образом.

Первоначал ьно рассчиты вают удел ьную мощность q_v тепла, выделяемого возникающей в процессе нагружения образца пластической зоной в устье надреза в момент страгивания трещины по методике [5]. Определяют скорость нагружения образца по формуле (1).

Уравнение теплопроводности -T-^{av2T +} ^· (2) где а - коэффициент температуропроводности: / '

V² - оператор Лапласа: остальные обозначения использовались ранее при описании кинетики температуры на поверхности источника тепла gv упрощается _Т.гт -9у.. га t С-р* ^w

В конечно-разностной форме

Ж с-р· ^W

Из выражения (4) можно определить минимальное время, необходимое для “проявления на поверхности образца температуры ΔΤ, равной точности прибора, измеряющего температуру . (5)Задаемся Максимально допустимой величиной ошибки (<5 %) в расчете величины

Pq, тогда максимальная погрешность определения _ Pq-0 .

^Pqs W- (θ) , Учитывая постоянство скорости нагружения при испытаниях, выразим время, необходимое для фиксации ΔΡα: Δτα=^ ΔΡα . (7)

Условием для того, чтобы за время Δία прибор с точностью измерения температуры ΔΤ среагировал на изменение нагрузки, является выражение (β)

Δία> Δϊμκη.

Из соотношения

Т с учетом выражений (5), (7), (8) получается формула(1).

Скорость нагружения V образца 4, определенную из соотношения (1), задают после?

включения разрывной машины 3 как скоро- ..

сть перемещения верхнего зажима 1. Производят статическое растяжение с (12) постоянной скоростью нагружения V до разрушения образца с надрезом. В процессе нагружения непрерывно измеряют нагрузку Р на образец 4 и температуру Т в устье надреза, строят график зависимости нагрузки от температуры. Нагрузку Р измеряют датчиком 7 омического сопротивления, установленным в системе нагружения испытательной машины 3. Датчик 7 имеет линейную характеристику в рабочем диапазоненагрузки. Температуру Т в устье надреза в испытуемом об разце4 определяют при помощи прибора, бесконтактно измеряющего температуру, - тепловизора 5, настроенного3 эту точку через оптический визир. Для построения графика зависимости нагрузки от температуры информация с датчика 7 нагрузки Р и тепловизора 5 в процессе испытаний постоянно поступает соответственно на входы У и X двухкоординатного самописца 6 (планшетного типа), который выдает в результате машинную диаграмму Р-ΔΤ (фиг.З, II), где Р - нагрузка, Действующая на образец 4 в процессе растяжения до разрушения; Т - изменение температуры в устье надреза образца 4.

На графике зависимости нагрузки от температуры Р - ΔΤ сначала наблюдается небольшое снижение температуры на вели- ______ _{______}_________ чицу порядка 0,15-0,2 С (эффект Томсона), 30 (диаграмма II 1-го типа). Образцы материала затем начинается процесс интенсивного - .

пластического деформирования в устье надреза, который совпадает с моментом страгивания трещины. Кривая на графике зависимости нагрузки от температуры в этом месте имеет перегиб, усилие в момент страгивания трещины определяют по усилию в точке перегиба кривой, ордината перегиба принимается равной величине Pq. ________________₍__>|___________________

По значению Pq определяют характеристи- 40 10*Вт/м³7поформуле (Г) рассчитыеаки трещиностойкости материала, по которым судят о трещиностойкости материала: Kq - расчетная величина коэффициента интенсивности напряжений материала:

визора*Рубин-МТ”) в эксперименте; С “662 KQ“PoYi/t b, (9) Дж/кг·К-удельная теплоемкость стали 20;

гдеУ1 ”0,380(1+2,308 (21/Ь)+2,439 (21/Ь ]; р = 7,8 10³ кг/м³-плотность стали 20; Рс» t - толщина образца; b - ширина образца; 1 - полудлина пропила образца, причем в расчете используют также разрушающую 50 максимальнойнагрузки;Pq “ 50 кН - npei нагрузку Рс, которая соответствует ордина- те практически горизонтального участка интенсивного роста температуры диаграммы Р -ΔΤ (фиг.З). Таким образом определяют _ характеристики трещиностойкости: условный критический коэффициент интенсивности напряжений (КИН) материала Кс* по формуле

Кс* - PcYi/t ГБ .

номинальное разрушающее напряжение по ослабленному сечению образца а_со по формуле σ_εο» Po/(b - 2l)t (11) если σώ < 0.806.2 оь.г( - условный предел текучести), вычисляют критический КИН для образца данной толщины по формуле

Κατ = ΡαΥ*ιΛνΚ где

У*1 = 0.380 [1 +2.388 (2l_T/b) + 2,439 (21/Ь)²];

1т -1 + 1/3,9 л (Ко/оод)², и Кс-критический КИН для образца данной толщины при максимальной нагрузке:

Kc»PcYi*/t/b. (13)

Все полученные величины заносят в протокол испытаний и используют для оценки технологии изготовления, обработки металлов и сплавов, обоснования .их выбора , для машин и конструкций, расчетов на прочность с учетом их дефектности.

Изобретение иллюстрируется следующим примером. Рассмотрим определение трещиностойкости стали 20 - материала, испол ьзуемого для изготовления труб и характеризуемого вязким разрушением представляли собой прямоугольные пластины из стали 20 толщиной t = 9 мм (реальная толщина стенки трубы) и шириной Ь = 50 мм. Перед испытаниями на образцах изготавливали центральный надрез шириной 21_о = 14 мм. Предварительно перед испытаниями определялась удельная мощность g_v тепла, . выделяемого возникающей пластической _ зоной в устье надреза по методике [5]: qv “ лась скорость нагружения V.

Исходные данные для расчета скорости нагружения: /£Г » 0J°C - чувствительность . + прибора, измерявшего температуру (тепло--· визора*Рубин-МТ”) в эксперименте: С “662 р ⁼ 7.8 10³ кг/м³ - плотность стали 20; Рс « “100 кН - предполагаемое (по оценочному _ расчету или справочным данным) значение полагаемое значение расчетной нагрузки, соответствующей моменту страгивания трещины; <5= 1% - зададимся такой величиной максимальной погрешности при определении Ро; при этих значениях по формуле (10) ΔΡο-^· -0,5кН.

При вязком и упруговязком разрушении можно считать, что при образовании пласти55 (10)

1820278 8 ческой зоны в устье трещины как бы действует источник тепла, потому что большая часть энергии при пластическом деформировании переходит в тепло. При этих исходных данных скорость на- 5 гружения образцах ν° ⁸·^6,1°⁵-^0,5 -.^0.83 кН/с, 0.1 *662 '7,8*10³ что соответствует диапазону скоростей, ре- ^д комендуемых в прототипе.

Затем подготовленный таким образом образец устанавливали в зажимы испытательной разрывной машины УГ-20 и подвергали однократному статическому растяжению до разрушения со скоростью нагружения V = 0,83 кН /с.

В процессе испытаний непрерывно контролировалась нагрузка Р, действующая на образец. Для этого использовали датчик 20 омического сопротивления, установленный в системе нагружения испытательной машины. Одновременно в устье надреза непрерывно (бесконтактно) контролировали температуру Т при помощи тепловизораРу-’ jg бин-МТ. Информацию об изменении нагрузки Р и температуры Т выводили на двухкоординатный самописец “Endlm 620.02, который в процессе испытаний вычерчивал диаграмму Р - ΔΤ (фиг.З, II). Диаг- gg рамма Ρ-ΔΤ имеет перегиб, ординату которого обозначали Pq - это усилие, соответствующее моменту страгивания трещины. Величину разрушающей нагрузки Р_сопределяли как ординату практически гори- 35 зонтального участка диаграммы Р -ΔΤ. Характеристики трещиностойкости определяли по формулам (9) - (13). По полученным данным можно судить о трещиностойкости материалов. 40

Для проверки корректности предлагавмого способа полученные характеристики трещиностойкости сопоставлялись с соответствующими характеристиками, полученными ПО способу-прототипу. Для ЭТОГО при 45 испытаниях, наряду с диаграммами Ρ-ΔΤ строились диаграммы Р - ν, предусмотренные при работе по способу-прототипу, на которых расчетные точки Q определялись проведением 5%-ной секущей. Здесь необ- gg ходимо отметить следующее. Было замечено, что при испытаниях по предлагаемому способу совсем не обязательно при технологической подготовке образцов наносить предварительные усталостные трещины от 55 вершины инициирующего надреза, которые предусмотрены как необходимое условие в способе-прототипе. Эти усталостные трещины можно заменить тонкими острыми надрезами (пропилами), что дает сущест венную экономию времени при подготовке образцов к испытаниям, При испытаниях таких образцов диаграмма Р -ΔΤ качественно сохраняет свой вид и, следовательно, позволяет рассчитать характеристики трещиностойкости, а диаграмма Р - ν получается непригодной для обработки (см. фиг.4). Поэтому на части образцов были нанесены предварительные усталостные трещины (эти образцы помечены * и для них характеристики трещиностойкости рассчитывались обоими способами), а на другой части образцов вместо усталостных трещин делались тонкие острые надрезы (пропилы), у этих образцов характеристики трещиностойкости определялись только предлагаемым способом.

На фиг.З приведены совмещенные диаграммы Р - ν (I) и P-Δ Т (II) для одного из образцов с нэрощенной усталостной трещиной, а на фиг.4 - для образца с острым надрезом (для других испытанных образцов эти диаграммы имеют аналогичный вид).

Анализируя эти диаграммы, необходимо отметить следующее.

Диаграммы Р -ΔΤ пригодны для расчета характеристик трещиностойкости независимо от того, имеют ли они предварительно нарощенные усталостные трещины или тонкие острые надрезы.

Характерные точки диаграмм Ρ-ΔΤ коррелируют с расчетными точками диаграмм Р - ν для образцов с нарощенными усталостными трещинами, а именно ордината точки перегиба кривой Р -ΔΤ соответствует ординате точки Q на кривой Р - ν, а ордината практически горизонтального участка интенсивного роста температуры диаграммы Р -ΔΤ соответствует ординате точки С диаграммы Р - ν.

Далее была проведена статистическая обработка (определена достоверность и рассчитаны среднеквадратические ошибки) полученных по обоим способам определения характеристик трещиностойкости, которая показала, что характеристики, рассчитанные по предлагаемому способу, (по диаграмме Р - ΔΤ) лежат кучнее, а следовательно, точность их определения более высокая. Кроме того, независимость диаграммы P-Δ Т от типа образца подтверждает возможность при подготовке образцов к испытаниям заменить трудоемкий процесс наращивания усталостной трещины простым нанесением острых надрезов.

Таким образом, предлагаемый способ определения трещиностойкости материалов обладает существенными преимуществами по сравнению со способом-прототипом:

он позволяет точнее, а вернее, с заданной (регламентированной) точностью фиксировать при испытаниях материалов с вязким разрушением (диаграммы Р - ν Ill-го типа) момент страгивания трещины, по которому 5 затем рассчитываются параметры трёщиностойкости. Для этого необходимо предварительно определить удельную мощность qv тепла, выделяемого возникающей пластической зоной в устье надреза в образце, что 10 дает возможность рассчитать скорость нагружения в зависимости от требуемой точности определения характеристик трещиностойкости, задавая Pq - максимальную погрешность измерения нагрузки, 15 - ΔΤ - точность прибора, измеряющего температуру.

Предлагаемый способ имеет ясную физическую интерпретацию при разделении физической и геометрической нелинейно- 20 стей на диаграмме Р - ν. Как было сказано выше, момент страгивания трещины обуславливается только геометрической нелинейностью и происходит непосредственно перед началом процесса интенсивного пла- 25 стического деформирования материалов в вершине трещины, а возникающая при этом проблема отделения физической нелинейности во всех известных способах решается с большой долей произвола. Предлагаемый 30 способ позволяет эту проблему решить корректно и с наперед задаваемой точностью. Диаграмма P-Δ Т, которую необходимо строить при работе по предлагаемому способу, имеет четкий перегиб в точке, соответ- 35 ствующей моменту страгивания трещины. Ордината, точки излома соответствует расчетной нагрузке Pq. Это подтвердилось проведенными экспериментами и сопоставлением полученных характеристик 40 трещиностойкости с соответствующими характеристиками, определенными по способу-прототипу.

Кроме того, предлагаемый способ позволяет существенно уменьшить время (~ в 45 100 раз) на испытания'за счет замены длительного и трудоемкого процесса наращивания усталостной трещины достаточно простым процессом нанесения острых надрезов.

Предлагаемый способ опробовался при исследованиях трещиностойкости тонкостенных труб, предназначенных для трубопроводов газлифтных систем добычи нефти и обустройства газовых месторождений. Полученные экспериментальные результаты дают основание считать» что при широком практическом использовании предлагаемого способа исследования трещиностойкости материалов можно с высокой точностью и производительностью определить необходимые характеристики трещиностойкости материалов.

Claims

Формула изобретения

Способ определения трещиностойкости материалов, по которому образец с надрезом подвергают статическому растяжению до разрушения с постоянной скоростью нагружения, непрерывно измеряют нагрузку на образец, определяют момент страгивания трещины и нагрузку в этот момент, которую используют для расчета параметров трещиностойкости, отличающийся тем, что, с целью повышения точности,· предварительно определяют удельную мощность q_v тепла, выделяемого возникающей пластической зоной в устье надреза, на испытуемом образце непрерывно измеряют температуру в устье надреза, скорость ν нагружения задают исходя из соотношения η_ν·ΔΡα ΔΤ-C-p ’ гдеЛ Т точность прибора, измеряющего температуру;

Сир- удельная теплоемкость и плотность образца;

Pq - задаваемая максимальная погрешность измерения нагрузки, строят график зависимости нагрузки от температуры, а усилие в момент страгивания трещины определяют по усилию в точке перегиба кривой на графике.