способ определения долговечности изделия из хрупкого материала
Классы МПК: | G01N3/32 путем приложения повторяющихся или пульсирующих усилий |
Автор(ы): | Никольская Татьяна Сергеевна (RU), Никольский Сергей Григорьевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Производственное, научно-исследовательское и проектно-конструкторское учреждение "Венчур" (ПНИПКУ "Венчур") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2006-11-22 публикация патента:
20.06.2009 |
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.
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.
Описание изобретения к патенту
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 Lпр 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 L 0, не снижается во времени. При линейном напряженном состоянии материала значению Lmax отвечает предел кратковременной прочности пч, а значению L0 - предел длительной прочности 0. Значение Lmax 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 Lпр, 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/Lпр), рассчитывают для изделия хизд=L/Lпр= / 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.103 109], [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 Lmax в качестве Lпр долговечности коррелируются с x лишь при 104 c или при N 105.
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 xобр=[L/Lпр) обр, обеспечивающем малые долговечности (10 1000 с). При этом для образцов или и для изделия в качестве Lпр 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 xобр=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/L2 0-1) при изгибе; совокупность точек 2 - зависимость lgN от lg(L2/L2 0-1) при сжатии; а совокупность точек 3 - обобщенная зависимость lg 2N от lg(L2/L2 0-1) 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.
Класс G01N3/32 путем приложения повторяющихся или пульсирующих усилий