Патент на изобретение №2359244

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ИЗДЕЛИЯ ИЗ ХРУПКОГО МАТЕРИАЛА

(57) Реферат:

Использование: для определения долговечности изделия из хрупкого материала. Сущность заключается в том, что определяют неразрушающим методом предельную нагрузку для изделия и для каждого образца представительной выборки из материала изделия, при этом все образцы из материала изделия испытывают при любом виде деформации, но при неизменном отношении нагрузки, характеризующей режим, к пороговой нагрузке, еще не снижающей прочность образца, определяют значение пороговой нагрузки изделия и отношение к ней нагрузки, характеризующей предстоящее стационарное нагружение изделия, а при определении пороговой нагрузки изделие или образец ориентируют относительно нагрузки так же, как при дальнейшем их использовании, затем на образцах определяют долговечность при известном отношении действующей нагрузки к предельной, а также экспресс-методом безразмерный параметр уравнения движения трещины и по полученным результатам судят о долговечности изделия при заданном режиме нагружения. Технический результат: сокращение длительности испытаний, необходимых для оценки долговечности конкретного изделия при заданном режиме нагружения, а также обеспечение возможности проведения испытаний в условиях изгиба, сжатия, растяжения независимо от вида деформации изделия. 1 ил.

Изобретение относится к способам испытаний материалов и элементов конструкций, а точнее к способам определения долговечности конкретного изделия при стационарном нагружении.

Известны способы определения долговечности , сек (или N в циклах), например [1], предусматривающие разрушение нескольких групп образцов материала при разных стационарных режимах нагружения с разным значением нагрузки L или напряжения , характеризующих режим. По результатам таких испытаний судят о долговечности изделия. Недостаток таких способов – низкая достоверность – обусловлен возможным отличием свойств изделия от свойств образцов, например, из-за масштабного фактора.

Наиболее близок к предлагаемому изобретению способ [Авт. св. СССР 1647356 A1], заключающийся в том, что неразрушающим методом определяют предельную (Для хрупкого материала можно указать по крайней мере две предельные нагрузки L_пр и соответствующие им напряжения _пр: максимальную разрушающую нагрузку L_max при нагружении с заданным темпом до разрушения и максимальную неразрушающую (пороговую) нагрузку L₀, без превышения которой прочность материала, в частности само значение L₀, не снижается во времени. При линейном напряженном состоянии материала значению L_max отвечает предел кратковременной прочности _пч, а значению L₀ – предел длительной прочности ₀. Значение L_max можно определить как разрушающим, так и неразрушающим способом [2, 3, 4]. Значение L₀ можно определить только неразрушающим способом [5, 6]. Если при длительном нагружении L>L₀, то L₀ снижается во времени.) нагрузку L_пр, или предельное напряжение _пр, для изделия и для образцов из материала изделия, определяют на образцах соотношение долговечностей при разных соотношениях действующего напряжения к предельному напряжению _пр(х=/_пр=L/L_пр), рассчитывают для изделия х_изд=L/L_пр=/_пр с учетом нагрузки L, характеризующей стационарный режим предстоящей работы изделия, и по этим результатам определяют долговечность изделия. Соотношения долговечностей при разных значениях Х в настоящее время обоснованы теоретически [7 с.117], [8]; хорошо проверены экспериментально и выражаются через безразмерный параметр уравнения движения трещины n (при (=const) или m – при стационарном циклическом нагружении:

Параметры m и n можно определить на образцах с искусственными дефектами без их разрушения [7 с.103109], [9]. Причем совершенно необязательно, чтобы вид деформации образца и изделия совпадали, т.к. существует обобщенная для материала зависимость ² (или ²N) – см. совокупность 3 точек на графике.

Недостаток прототипа обусловлен тем, что, как показали опыты при использовании L_max в качестве L_пр долговечности коррелируются с x лишь при 10⁴ c или при N10⁵.

Цель изобретения – расширение возможности способа – достигают тем, что, как в прототипе, определяют неразрушающим методом предельную нагрузку для изделия и для каждого образца представительной выборки из материала изделия, на образцах экспресс-методом определяют безразмерный параметр уравнения движения трещины и по полученным результатам судят о долговечности изделия при заданном режиме нагружения. Но в отличие от прототипа образцы испытывают при постоянном x_обр=[L/L_пр)_обр, обеспечивающем малые долговечности (101000 с). При этом для образцов или и для изделия в качестве L_пр определяют пороговую нагрузку L₀, что обеспечивает хорошую корреляцию между долговечностью и x как при малых, так и при больших долговечностях. Эти отличия значительно сужают доверительный интервал среднего значения при x_обр=const. Однако для сохранения такой связи между (или N) и x необходимо при определении пороговой нагрузки изделие или образец ориентировать относительно нагрузки так же, как при дальнейшем их использовании. Экспериментально установлено, в частности, что изменение направления изгиба образца может привести к изменению пороговой нагрузки в несколько раз из-за различной формы, ориентации и размеров опасного дефекта, попадающего в зону наибольшего растяжения.

На графике приведены результаты усталостных испытаний ферритовых образцов знакопостоянным циклом от нулевой при изгибе с минимальным напряжением 38,6 () и 50,3 МПа (), а также при сжатии с напряжением 500() и 700 МПа(); N – число циклов до разрушения; L₀ – пороговая нагрузка; L – максимальная нагрузка цикла; совокупность точек 1 – зависимость lgN от lg(L²/L²₀-1) при изгибе; совокупность точек 2 – зависимость lgN от lg(L²/L²₀-1) при сжатии; а совокупность точек 3 – обобщенная зависимость lg²N от lg(L²/L²₀-1) для феррита.

Способ реализовали и проверили на 40 пластинах (103·26·8,4 мм³) того же феррита, для которого приведена графическая зависимость lgN от L/L₀, используемая при реализации прототипа. Из таких же пластин вырезали 9 образцов для определения m и n методами механического разрушения [9] и 36 образцов (103·8,4·6 мм³), на пластине и на каждом из 36 образце у одного конца обозначили знаками «+» и «-» две противоположные грани и при статическом нагружении, используя эффект Эльбера, определили значения L₀ в условиях чистого изгиба, располагая грань «+» в зоне растяжения, а грань «-» в область сжатия. При этом образцы и пластины нагружали по четырехточечной схеме, установив в приспособлении до упора конец со знаком «+», «-» и отметив точки приложения активных и реактивных сил, перпендикулярных оси стержня. Для каждого из 36 образцов по значению L₀ рассчитали нагрузку L из условия x_сбр=L/L₀=1,34, а для пластины – из условия x_пл=L/L₀=1,11. Для образцов осредненное напряжение получилось , для пластины . Среднее значение m для 9 образцов оказалось (доверительный интервал указан при вероятности р=0.95). Установив по меткам, в пульсаторе испытали при рассчитанных L как образцы, так и пластину в условиях цикла от нулевой и определили их долговечности. Средняя долговечность для образцов оказалась равной . При этом рассчитанная по (2) долговечность пластины N_изд=7311168 циклов близка к полученному экспериментально для пластины значению 7096820.

Получение приведенной на графике совокупности точек 1 (реализация прототипа) потребовало ~8·10⁷ сек (960 дней) машинного времени, тогда как реализация предложенного способа – 8 часов.

Предложенное изобретение не только сокращает длительность испытаний, необходимых для оценки долговечности конкретного изделия при заданном режиме нагружения, но и позволяет проводить эти испытания в условиях изгиба, сжатия, растяжения независимо от вида деформации изделия.

Источники информации

1. Авт.св. СССР 901887.

2. Авт.св. СССР 879444.

3. Авт.св. СССР 1536251.

4. Авт.св. СССР 1769122.

5. Авт.св. СССР 1620930.

6. Заявка 2005131106/20(034875) от 3.10.2005.

7. А.Г.Эванс, Т.К.Ленгдон «Конструкционная керамика». – М.: Металлургия, 1980. – 256 с.

8. С.Г.Никольский, В.О.Бормоткин. О роли нагрузки в развитии трещин/ II международная конференция «Проблемы прогнозирования надежности и долговечности металлоконструкций», СПб ГТУ, 1997, с.86-88.

9. Е.А.Гузеев, С.Н.Леонович, К.А.Пиридов Механика разрушения бетона: вопросы теории и практики. – Брест: БПИ, 1999. – 217 с.

Формула изобретения

Способ определения долговечности изделия из хрупкого материала при стационарном нагружении, заключающийся в том, что определяют неразрушающим методом предельную нагрузку для изделия и для каждого образца представительной выборки из материала изделия, на образцах определяют долговечность при известном отношении действующей нагрузки к предельной, а также экспресс-методом безразмерный параметр уравнения движения трещины и по полученным результатам судят о долговечности изделия при заданном режиме нагружения, отличающийся тем, что все образцы испытывают при любом виде деформации, но при неизменном отношении нагрузки, характеризующей режим, к пороговой нагрузке, еще не снижающей прочность образца, определяют значение пороговой нагрузки изделия и отношение к ней нагрузки, характеризующей предстоящее стационарное нагружение изделия, а при определении пороговой нагрузки изделие или образец ориентируют относительно нагрузки так же, как при дальнейшем их использовании.

РИСУНКИ