Спосіб визначення довготривалого пошкодження матеріалу за умов багатоциклової втоми

Спосіб визначення довготривалого пошкодження матеріалу за умов багатоциклової втоми, який полягає у тому, що зразок матеріалу випробовують на короткотривалу міцність за фіксованої температури, визначають модуль пружності матеріалу, зразок матеріалу піддають циклічному навантаженню знакозмінним напруженням, періоди 3 матеріалу Е(n) і міру накопиченого пошкодження визначають за співвідношенням E(n) (n) 1 , (2) E0 Відомий спосіб має недолік внаслідок низької точності, що обумовлено відсутністю незалежного від рівня знакозмінного напруження критерія руйнування, тобто значення величин Е*(n) на момент руйнування є різними для різних напружень. Зменшує точність і той факт, що на момент руйнування для більшості матеріалів E*(n)=(0,5 0,8)Е0 (3) і рівень накопиченого пошкодження, що визначається за співвідношенням (2), змінюється в інтервалі від 0 до (0,2 0,5) замість інтервалу 0-1, який дозволяє з достатньою точністю оцінювати залишкову довговічність матеріалу і будувати визначальні рівняння кінетики накопичення пошкоджень в рамках феноменологічних моделей процесу довготривалого втомного руйнування. До основи запропонованого технічного рішення поставлена задача: у способі визначення довготривалого пошкодження матеріалу за умов багатоциклової втоми шляхом виміру початкової, поточних та критичної, за умов руйнування, величин товщини поверхневого зміцненого шару матеріалу при фіксованій температурі і сталому рівні знакозмінного навантаження, ідентифікації закону залежності накопиченого пошкодження від числа циклів навантаження та критерію втомного руйнування визначати з більшою точністю довготривале пошкодження матеріалу від втоми. Поставлена задача розв’язується за рахунок того, що у способі визначення довготривалого пошкодження матеріалу за умов багатоциклової втоми, що містить випробування зразка матеріалу на короткотривалу міцність за фіксованої температури, визначення модуля пружності матеріалу, циклічне навантаження зразка матеріалу знакозмінним напруженням з періодичним вимірюванням поточних значень модуля пружності та визначення на цій підставі міри накопиченого пошкодження матеріалу з використанням відповідного співвідношення, згідно із винаходом, зразок матеріалу випробовують на опір багатоцикловій втомі за умов стаціонарного навантаження, вимірюють початкову, поточні та критичну, що відповідає руйнуванню, величини товщини поверхневого зміцненого шару матеріалу, ідентифікують закон залежності накопиченого пошкодження від кількості циклів навантаження, випробовують інший зразок на опір втомі і за результатами заміру поточної величини товщини поверхневого шару матеріалу для довільного часу навантаження визначають довготривале пошкодження матеріалу за умов багатоциклової втоми. Тут і надалі згідно терміну "поверхневий зміцнений шар матеріалу" мається на увазі тонкий шар на поверхні матеріалу, який суттєво відрізняється за своїми фізико-механічними властивостями по відношенню до решти матеріалу. Його виникнення обумовлене застосуванням механічної обробки матеріалу в процесі виготовлення виробу із нього [3]. Чим грубіша обробка, тим товщина цього шару 14152 4 більша і в залежності від цього обираються методи його вимірювання. Стосовно досліджень на багатоциклову втому обробка поверхні зразків відповідно до ГОСТу 25.502-79 для досягнення -6 ступені шорсткості не більше 0,32 10 м включає в себе технологічну операцію полірування. В цьому випадку товщина поверхневого зміцненого шару матеріалу не перевищує (7 10) 10-6м. Послідовність дій та апаратурне рішення процесу виміру величин товщини поверхневого зміцненого шару матеріалу за умов багатоциклового знакозмінного навантаження в широкому діапазоні температур, що викладена в [4], будується на ефекті чутливості масштабної залежності мікротвердості Ημ матеріалу до зміни фізико-механічних властивостей його поверхні. Розвитком цієї ідеології є вимірювання мікротвердості що супроводжується записом діаграми вдавлення індентора в поверхню матеріалу, яка реєструється в координатах "навантаження на інденторі Ρ - час заглиблювання t". Діаграма, що отримана в результаті вдавлення індентора (Фіг.1а, діагр.1) має характерний, чітко фіксований перегин на відрізку активного навантаження, який ідентифікується як слідство зміни властивостей матеріалу, що деформується під індентором по мірі зростання глибини його вдавлення. Вимір мікротвердості, що здійснюється за умов величини навантаження, яка відповідає ординаті точки перегину Pg (Фіг.1а, діагр.2), дозволяє на підставі відомого співвідношення для Ημ визначити товщину шару h, що характеризується відмінними від решти матеріалу властивостями 1 CP CPg 2 (4) H h 0,2 , H d2 де С - коефіцієнт що залежить від форми індентора (піраміда Віккерса, для якої записано співвідношення (4), має С=1854); d - діагональ відбитку піраміди Віккерса. Спосіб, що є заявлений, здійснюється наступним чином. Зразок матеріалу випробовують на опір багатоцикловій втомі за умов фіксованої температури та стаціонарного знакозмінного навантаження, при тому, що прикладене напруження є руйнівним. Перед початком випробувань вимірюють вихідну величину товщини поверхневого зміцненого шару матеріалу h0, в процесі навантаження вимірюють декілька її значин, що відповідають певному числу циклів навантаження h(n) і останній вимір робиться за станом руйнування зразка h*. Типові криві залежності поверхневого зміцненого шару матеріалу від числа циклів знакозмінного навантаження за умов дії різних рівнів напруження наведено на Фіг.1б. Аналіз і узагальнення результатів дослідження різних за хімічним складом, структурою та механічними властивостями металевих матеріалів дозволяє дійти висновку про існування загального для них критерію руйнування по величині товщини поверхневого зміцненого шару матеріалу на момент вичерпання його втомної довговічності. Згідно даних Фіг.1в, ця величина складає 2 10-6м і не залежить від початкового свого рівня. Креслення 5 14152 1в побудовано в координатах "товщина поверхневого зміцненого шару матеріалу (h) - пластичність матеріалу ( 5)", що визначається як відносна видовга зразку матеріалу, який має співвідношення довжини робочої частини до діаметру рівне 5 при випробуванні на короткотривалу міцність. Графік, позначений h0, відображає залежність вихідного значення товщини поверхневого шару від міри пластичності матеріалу; h* - залежність критичної, на момент руйнування, величини товщини шару від пластичності матеріалу. Точками різної затонованості на графіках Фіг.1в відповідно позначені випробувані матеріали: о - сталь 40Х; ◑ - сплав ЕІ437А; ◐ -сталь 20; - сталь Х18Н10Т. Обираємо за основу для ідентифікації закону залежності накопиченого пошкодження від числа циклів навантаження концепцію ефективного напруження eff, що сформульована для умов статичного навантаження і розвитку деформацій повзучості eff o 1 (t ) (t ) 1 o (t) 1 (t) F( t ) , F0 (5) де t - час випробування; σ0 - початковий рівень напруження; Fo і F(t) - початкова і поточна значення площі поперечного перерізу зразка матеріалу. У рамках цієї концепції прийнято, що за умов сталого зовнішнього навантаження ефективне напруження eff=σ(t) з плином часу зростає у зв'язку зі зменшенням ефективної площі поперечного перерізу F(i) у порівнянні з їх початковими значеннями σ0 і Fo. При цьому вважається, що функція (t) приймає значення із інтервалу [0,1], так що 0 при t 0 і F( t ) F0 (t) (6) 1при t tR і F( t ) 0, де tR - час до руйнування; значення ω=0 відповідає непошкодженому стану, а ω=1 - повністю пошкодженому стану, коли тримність матеріалу дорівнює нулю. Стосовно багатоциклового навантаження, за умов якого руйнування матеріалу носить бездеформаційний характер і не супроводжується геометричним чи внутрішньоструктурним зменшенням поперечного перерізу, а ініціюється процесами накопичення пошкодження у поверхневому шарі матеріалу [3], є підстави розглядати поверхневий шар як частину зразка матеріалу, що відповідає за його втомну міцність у цілому. У зв'язку з цим в якості ефективної площі зразка за умов знакозмінного навантаження приймаємо площу поперечного перерізу його поверхневого шару. Відповідно до Схеми, зображеної на Фіг.2, величини, що входять до співвідношення (5), задаються рівняннями F0 (R r0 )2 (R r0 )2 2 h0 ; (7) F(n) [R r(n)]2 [R r(n)]2 h2 (n), де R - радіус поперечного перерізу зразка матеріалу; r0, r(n) - радіус поперечного перерізу зразка до нижнього рівня поверхневого зміцненого шару у вихідному стані та в процесі втомного навантаження, відповідно. Це дозволяє з урахуванням (5) і (7) сформулювати співвідношення для параметру накопиче 6 ної пошкодженості за умов багатоциклового знакозмінного навантаження у вигляді (n) 1 h2 (n) . (8) 2 h0 З використанням запропонованого способу проведені випробування партії зразків сплаву ЕІ437А за умов кімнатної температури на трьох рівнях знакозмінного напруження. Дослідження виконано на випробувальній машині МИР-СТ, що була обладнана приладом для вимірювання мікротвердості з електронною системою запису діаграми вдавлення індентора. Періодично, за умови зупинки навантаження, проводилося вимірювання поточних значин товщини поверхневого зміцненого шару матеріалу і за співвідношенням (8) визначалась величина накопиченого пошкодження. На Фіг.3 суцільною лінією в нормованих координатах -n/nR наведено криву пошкодження, яку побудовано за результатами проведених випробувань. Точки відповідають напруженням, при яких проводився експеримент: о - 370; ◑ - 275; - 240 МПа. Пунктирною лінією зображено графік, що відображує процес накопичення пошкодження при використанні аналога (співвідношення (1)) і штрихпунктирною лінією - в разі використання способу, що обраний за прототип (співвідношення (2)). Можна відзначити, що за невеликої похибки, яка не перевищує 15%, ідентифікація міри накопиченого пошкодження за умов багатоциклового знакозмінного навантаження з використанням запропонованого способу дозволяє оцінювати цю величину практично в діапазоні теоретичного інтервалу її змінювання, тобто від 0 до 1. В рамках прийнятого уявлення спостерігається нелінійний характер накопичення пошкодження в часі і залежність інтенсивності процесу від рівня прикладеного напруження. Разом з тим, спостерігається незалежність процесу накопичення пошкодження від напруження при його відображенні в нормованих координатах, а також суттєво інтенсивне протікання процесу на початковій стадії процесу навантаження. Всі відзначені характерні особливості довготривалого пошкодження за умов багатоциклового знакозмінного навантаження відповідають реальним процесам, що реєструються в експерименті [1-3]. Таким чином, запропонований спосіб визначення довготривалого пошкодження за умов багатоциклової втоми у порівнянні з відомим способом дозволяє разом з підвищенням точності визначення величини пошкодження за довільного часу навантаження отримувати також інформацію про кінетику накопичення пошкодження у повному інтервалі зміни цієї характеристики. Джерела інформації 1. Miner M.A. Cumulative damage in fatigue // S. Appl. Mech. Ser. Α. - 1945.-12, N1 .-P.159-164. 2. Lemaitre L. How to use damage mechanics // Nuclear Engineering and Design.-1984,-80.-P.233245. 3. Алехин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов.- М.: Наука, 1983.- 280с. 7 14152 4. Желдубовский А. В., Погребняк А. Д. Об одном подходе к оценке поврежденности конструкционных материалов при многоцикловом нагруже Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 8 нии. // Вибрации в технике и технологиях.- 2001.№5 (21).- С.25-28. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601