Спосіб визначення довговічності матеріалу за умов одновісного статичного навантаження

Спосіб визначення довговічності матеріалу за умов одновісного статичного навантаження, за котрим зразок матеріалу випробовують на короткотривалу міцність, а в процесі довготривалого статичного навантаження, через рівні проміжки часу вимірюють поточні величини накопиченого пошкодження зразка і враховують характеристики короткотривалої міцності для розрахунку часу до руйнування, який відрізняється тим, що у процесі короткотривалого навантаження вимірюють величини пружної деформації для рівнів напружень, що відповідають межі пропорційності ( pr ), межі Запропоноване технічне рішення стосується галузі механічних випробувань матеріалів, а безпосередньо способів прискореної оцінки та прогнозування часу до руйнування за умов одновісного довготривалого статичного навантаження та високих гомологічних температур. Спосіб може бути використаним у практиці науково-дослідних установ та заводських лабораторій при дослідженнях довготривалої міцності матеріалів в широкому діапазоні варіювання температури, рівня напруження та часу до руйнування. Відомим є спосіб визначення довговічності зразків матеріалу за умов довготривалого статичного навантаження, який полягає у тому, що партію зразків випробовують на декількох рівнях напруження до руйнування і на підставі отриманих результатів будують діаграму довготривалої міцності у координатах «напруження - час до руйнування t»[1]. Недолік цього способу полягає у необхідності витрат значної кількості матеріалу, енергії і часу з метою побудови діаграми для однієї температури. Крім того, з ростом рівня температури випробувань, коли структурні зміни в матеріалі стають суттєвими і механізм руйнування притерпає змін від в'язкого до в'язко-крихкого і крихкого, це супроводжується зламами кривої довготривалої міцності у бік менших довговічностей, що в [1] взагалі не розглядається і не враховується. У зв'язку з цим при необхідності коректної ідентифікації повної діаграми довготривалої міцності постає питання: або значно збільшувати згадані витрати, або поступатися точністю і достовірністю отриманих результатів. Найбільш близьким за технічною суттю та отриманим результатом є обраний як прототип спосіб визначення довговічності матеріалу, який полягає у тому, що зразок додатково випробовують на короткотривалу міцність, а у процесі довготривалого статичного навантаження через рівні проміжки часу вимірюють три поточні величини накопиченого пошкодження зразка і враховують характеристики короткотривалої міцності та виміряних величин накопиченого пошкодження при розрахунках часу довготривалого руйнування [2]. Недоліком способу є те, що можливість його використання стосується одного конкретного зразка на заданому рівні напруження і для побудови повної діаграми довготривалої міцності величини накопиченого пошкодження необхідно було б вимірювати для кожного зразка на кожному рівні напруження, який досліджувався. В основу корисної моделі, що пропонується, поставлена задача розробки способу визначення довговічності матеріалу за умов одновісного статичного навантаження. Ця задача спрямована на суттєве скорочення обсягу необхідних для побудови повної діаграми довготривалої міцності дос плинності ( y) та межі міцності ( B ), завдяки яким (19) UA (11) 55848 (13) U визначають три рівні напружень, що відображують відповідно початок крихкого, в'язко-крихкого та в'язкого руйнування і три рівні напруження, при яких проводять довготривале статичне навантаження зразків і будують повну діаграму довготривалої міцності. 3 55848 4 ліджень і зведення до мінімуму розрахунків часу руйнування з в'язкого до в'язко-крихкого та b до руйнування при забезпеченні високого рівня напруження, що відповідає зміні механізму руйнуточності визначення довговічності. вання з в'язко-крихкого до крихкого (фіг. 1). Вказана задача досягається за рахунок того, З трьох отриманих таким чином величин нащо у відповідному способі визначення довговічнопружень діаграми довготривалої міцності тільки сті матеріалу, згідно якому зразок матеріалу виодна має визначеними обидві координати в пробовують на короткотривалу міцність, а у проt ), площині діаграми довготривалої міцності ( цесі довготривалого статичного навантаження через рівні проміжки часу вимірюють три поточні тому для побудови повної діаграми необхідно вивеличини накопиченого пошкодження зразка і вранайти ще три рівня напружень, які б, з одного боку, ховують характеристики короткотривалої міцності визначали абсцису напружень b і b , а з іншого та виміряних величин накопиченого пошкодження - характеризували експериментальні величини при розрахунках часу до руйнування, у процесі напружень, що відповідають довготривалій міцнокороткотривалого навантаження вимірюють велисті в області в'язкого, в'язко-крихкого та крихкого чини пружної деформації, що відповідають напруруйнування. Величини цих напружень мають склаe женням межі пропорційності pr дати (фіг.2) pr , межі плинності e y y та межі міцності B e B , завдяки яким визначають три рівні напружень, що відображують відповідно початок крихкого, в'язко-крихкого та в'язкого руйнування, і три рівні напруження, за умов дії яких проводять довготривале статичне навантаження зразків і будують повну діаграму довготривалої міцності. Позитивний ефект за умов реалізації запропонованого способу досягається за рахунок достовірного визначення рівнів напруження, що відповідають змінам механізмів руйнування в процесі високотемпературного довготривалого статичного навантаження. Фіг.1 - Схема визначення величин напружень, що відповідають змінам механізму довготривалого руйнування. Фіг.2 - Схема реалізації способу: незатоновані точки - розрахунок; затоновані - експеримент. Фіг.3-5 - Порівняння характеристик довготривалої міцності різних матеріалів з результатами, отриманими запропонованим способом: позначення ті, що прийняті на фіг.2. Спосіб реалізується наступним чином. Зразок матеріалу, що досліджується, піддають короткотривалому статичному навантаженню за дії того рівня температури, для якого має бути побудована діаграма довготривалої міцності. В процесі навантаження вимірюються та розраховуються величини пружної деформації, що відповідають рівням напруження на кривій короткотривалої міцності послідовно pr , y та B . Випробування на короткотривалу міцність з метою визначення величин pr , y, B , e pr , e y та e B проводилися з урахуванням рекомендацій ГОСТ 1497-73. Для подальшої реалізації способу авторами постулюється, як складова його частина експериментально обґрунтована закономірність - величини напружень, що відповідають ординатам точок перетину вектора навантаження, відображеними і зміщеними на величину пластичної деформації векторами розвантаження від рівнів напруження B , y і pr визначають відповідно рівні напружень діаграми довготривалої міцності: - напруження початку в'язкого руйнування, яке дорівнює напруженню довготривалої міцності на протязі однієї години, b – напруження, що відповідає зміні механізму 1 b 2 ; b ; (1) 2 0,85 b ; 3 Схема реалізації способу (фіг.2) демонструє, що проведення експериментальних досліджень довготривалої міцності на вказаних рівнях напружень має бути виконаним послідовно, починаючи з 1 з метою коректного визначення координати t 2 b для b , потім на рівні напруження 2 метою визначення кута нахилу ділянки діаграми довготривалої міцності, що описує в'язко-крихке руйнування, а також визначає координату t напруження b . І на останньому етапі має бути проведеним випробування довготривалої міцності при напруженні, що менше за b з метою визначення кута нахилу ділянки діаграми, що описує крихке руйнування для цілей подальшої екстраполяції на більші величини довговічності. Ділення осі абсцис на фіг.2 мають умовний характер і пов'язані з необхідністю відображення величини абсциси . Таким чином, координата t для рівня напруження b визначається як абсциса точки перетину ділянкою в'язкого руйнування діаграми довготривалої міцності рівня напруження і b, відповідно, координата t для напруження b - як абсциса точки перетину ділянкою в'язко-крихкого руйнування рівня напруження b . Як приклад застосування запропонованого способу, аналізуються довідкові дані з довготривалої міцності декількох жароміцних матеріалів, що наведені в [3]. В деяких випадках ці дані доповнюються аналогічними матеріалами досліджень, запозиченими з інших джерел. В таблиці наводяться експериментальні дані для сплавів ЭП109, ЖС6КП та ЭИ617, що отримані в результаті випробувань на короткотривалу міцність за вказаних температур, а також величини напружень , b та b , визначені на підставі отриманих результа тів. Величини напружень 1 , 2 і 3 розраховуються за допомогою рівнянь (1) з використанням даних колонок 9-11 наведеної таблиці. 5 55848 6 Таблиця ,°С Матеріал 1 2 900 950 800 900 950 700 800 850 Сплав ЭП109 Сплав ЖС6КП Сплав ЭИ617 Дані експерименту pr * 3 360 250 640 270 240 560 460 370 y 4 550 450 775 475 365 650 580 470 B 5 725 575 1025 775 625 900 750 590 Розраховані дані e pr e y e B 6 0,26 0,18 0,41 0,21 0,20 0,37 0,32 0,26 1 0,39 0,33 0,50 0,38 0,30 0,43 0,40 0,34 8 0,52 0,43 0,66 0,61 0,51 0,60 0,52 0,42 b 9 570 440 750500 370 690 580 370 10 280 220 370 240 180 330 270 250 ° b 11 180 140 310 150 130 280 240 190 - Всі напруження наведені у МПа; деформації – у % На фіг.3-5 проілюстровано використання знайдених величин напружень, відповідальних за зміну механізму руйнування стосовно довідкових даних з довготривалої міцності сплавів ЭП109 (а), ЖС6КП (б) та ЭИ617 (в), які з високою точністю відображують злами на діаграмі довготривалої міцності, що є наслідком зміни механізму руйнування. По температурі випробування номери кривих довготривалої міцності відповідають: 700°С 6; 800 - 3,7; 850 - 8; 900 - 1,4; 950 -2,5. Фізичне обґрунтування того факту, що величини критеріальних напружень довготривалого руйнування визначаються за допомогою ділянки пружного деформування кривої короткотривалого навантаження полягає в тому, що превалюючим механізмом цього руйнування, згідно з результатами багатьох досліджень, є механізми накопичення пошкоджень, які в залежності від рівня напруження і температури довготривалого навантаження можуть мати деформаційний, змішаний або ж бездеформаційний характер. В той же час, відомо, що найбільш ефективними критеріями ідентифікації і побудови методів підсумування накопиченого пошкодження є величини ефективного напруження та пружної деформації. Авторами обґрунтовано, що величини пружної деформації e pr , e y та e B характеризують макси мальні рівні накопиченого пошкодження на ділянках діаграми довготривалої міцності, що описують відповідно крихкий, в'язко-крихкий та в'язкий механізми руйнування. А також той факт, що напруження b та b знаходяться у теоретично і експериментально обґрунтованому співвідношенні з величинами ефективних напружень, тобто напружень руйнування за умов довготривалого наван таження. До того ж вищенаведеним аргументується кількісний коефіцієнт в третій формулі співвідношення (1), що пов'язаний зі встановленим рівнем неруйнівного напруження за умов довготдовготривалого статичного навантаження. Як зазначалося, спосіб має застосування до оцінки довготривалої міцності за умов високих гомологічних температур ( >0,6 ПЛ ), де мають місце суттєві структурні перетворення, що призводять до змін механізму руйнування. В тому випадку, коли температура дослідження не сягає вказаного рівня, діаграма довготривалої міцності не має зламів і винайдені запропонованим способом напруження , b та b розташовані на одній прямій (фіг.4, крива 3). Тобто в даному випадку реалізується механізм в'язкого руйнування незалежно від рівня діючого напруження. Використання запропонованого способу дозволяє суттєво знизити обсяг необхідних досліджень довготривалої міцності для побудови повної діаграми та забезпечити високий рівень точності їх визначення. Наведений приклад підтверджує отримання технічного результату від реалізації запропонованого способу. Джерела інформації: 1. ГОСТ 10145-81. Металлы. Метод испытания на длительную прочность.- М.: Изд-во стандартов, 1981.- 10 с. 2. Патент України № 32880 A G01N 3/00, 2001, бюл. № 1. 3. Справочник по авиационным материалам. Изд. 5-е, т.3 / Отв. ред. А. Т. Туманов.- М.: Машиностроение, 1965.- 632 с. 7 55848 8 9 Комп’ютерна верстка М. Мацело 55848 Підписне 10 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