Спосіб визначення більш надійного в експлуатації листового матеріалу

Реферат: Спосіб визначення більш надійного в експлуатації листового матеріалу включає випробування на одновісний розтяг двох послідовно розташованих в захватах навантажувального пристрою геометрично однакових зразків кожного матеріалу до руйнування одного із зразків, проведення масових вимірювань твердості у робочій зоні незруйнованого зразка, визначення параметрів пошкоджуваності структури матеріалу методом LM-твердості. Незруйновані зразки повторно навантажують до граничного рівня напруження відповідного зруйнованого зразка і у цьому стані проводять масові вимірювання значень твердості у робочій зоні зразка і визначають параметр пошкоджуваності структури матеріалу. За значенням якого проводять оцінку експлуатаційної надійності листового матеріалу шляхом співставлення стану структури матеріалу в робочій частині зразка у відповідність стану структури матеріалу в області вершини тріщини при її зрушуванні. Більш надійний в експлуатації матеріал визначають за результатами співставлення параметрів пошкоджуваності досліджуваних зразків матеріалів. UA 106569 U (12) UA 106569 U UA 106569 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пропонована корисна модель належить до способів дослідження листових матеріалів, зокрема до способів визначення більш надійного в експлуатації листового матеріалу. Для визначення експлуатаційної надійності листового матеріалу при статичному розтягу широко використовуються показники в'язкості руйнування, відомості про які дозволяють обґрунтовано вибирати матеріали для створюваних конструкцій [Сосновский Л.А., Махутов Н.А., Бордовский A.M., Воробьев В.В. Статистическая оценка деградации свойств материала нефтепровода // Завод, лаборатория, Диагностика материалов. - № 11.-2003. -С. 40-49.]. За показники в'язкості руйнування приймаються такі фізичні параметри як критичні значення довжини тріщини, розмір пластичної зони в її вершині, переміщення берегів у серединній частині і в усті тріщини, кута розкриття тріщини і швидкості росту тріщини. На ці параметри при оцінці роботоздатності матеріалів орієнтуються не тільки на стадії виготовлення конструкцій але і в процесі їх експлуатації. Однак, методи визначення цих показників досить складні й трудомісткі, вимагають спеціалізованого випробувального обладнання. Їх використання при оцінці працездатності виробу з листового матеріалу в деяких випадках може привести до невірної оцінки несівної здатності конструкції. Відомий спосіб визначення більш надійного в експлуатації листового матеріалу за значеннями в'язкості руйнування матеріалів, який включає операції навантажування зразка матеріалу з наведеною тріщиною та реєстрацію параметрів навантажування, визначення границі текучості на ділянці зрушування тріщини і середнього поперечного розміру зерна, за якими визначають в'язкість руйнування [А.с. СРСР № 796706, МПК 5 G01N 3/00; Опубл 15.01.1981 р., Бюл. № 2]. Значення в'язкості руйнування застосовується як параметр пошкоджуваності досліджуваного матеріалу [Лебедев А.А., Музыка Н.Р., Швец В.П. Метод оценки вязкости разрушения материала по рассеянию характеристик твердости // Пробл. прочности.-2007. - №6. - С. 5-12]. Недолік описаного способу полягає у складності його застосування для проведення оцінки експлуатаційної надійності листових матеріалів у зв'язку з необхідністю виготовлення спеціального зразка з тріщиною відповідних розмірів згідно з вимогами стандарту [ГОСТ 25.50685. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении.- Введ. 27.03.85.- М.: Изд-во стандартов, 1984.-61с]. При використанні відомого способу важко забезпечити якісний контроль змін у геометрії тріщини в процесі проведення вимірів. Із відомих способів визначення більш надійного в експлуатації листового матеріалу, найбільш близьким до пропонованого за технічною суттю є спосіб, де надійність матеріалу конструкції визначають за граничним рівнем накопичених пошкоджень за час експлуатації. Чим менше рівень накопичених пошкоджень у матеріалі, тим більш надійний матеріал в подальшій експлуатації. Згаданий спосіб включає випробування двох геометрично однакових зразків матеріалу на одновісний розтяг до руйнування одного з них. Зразки розташовують в захватах навантажувального пристрою послідовно, що унеможливлює їх одночасне руйнування, при цьому рівень навантаження є достатнім для руйнування одного із зразків. Неможливість одночасного руйнування зразків обумовлена різним рівнем вихідної пошкоджуваності їх структури внаслідок недосконалості технології виготовлення заготовки та виготовлення самих зразків. Після випробовування визначають граничну пошкоджуваність матеріалу незруйнованого зразка методом LM-твердості [Патент на корисну модель № 78162 Україна, МПК G01N3/40 (2006.01); опубл. 11.03.2013. - Бюл. №5]. Недолік відомого способу полягає у недостатній точності визначення із конкуруючих листових матеріалів більш надійного в експлуатації матеріалу за рівнем його пошкоджуваності. В основу пропонованої корисної моделі поставлено задачу створення такого способу визначення більш надійного в експлуатації листового матеріалу, який би був менш трудомістким і більш точним. Поставлена задача вирішується за рахунок створення умов для прогнозування експлуатаційної надійності листових матеріалів без залучення параметрів в'язкості руйнування. Відомо, що руйнування матеріалу з тріщиною супроводжується виникненням пластичної зони в зоні вістря тріщині, тобто подальшій розвиток тріщини відбувається в пошкодженому матеріалі. Рівень пошкоджуваності матеріалу в пластичній зоні перед зрушенням тріщини, може бути структурною характеристикою даного матеріалу, оскільки не залежить від причин його утворення - способу і рівня навантаження та виду напруженого стану, які впливають тільки на розміри, напрямок і темп розвитку зони активної пошкоджуваності в вершині тріщини. Листовий матеріал без тріщини руйнується, коли під дією зовнішнього навантаження вихідна структура внаслідок накопичення розсіяних пошкоджень у вигляді пор, мікротріщин та ін. настільки пошкоджена, що матеріал не в змозі чинити опір діючому навантаженню. Теж саме 1 UA 106569 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 має місце в усті тріщини, де стан матеріалу за рівнем пошкоджуваності подібний стану матеріалу без тріщини перед його руйнуванням. Подібність цих станів дозволяє моделювати стан пошкоджуваності матеріалу в зоні вістря тріщини станом пошкоджуваності матеріалу в робочій зоні зразка досліджуваного матеріалу перед його руйнуванням при випробуваннях на одновісний розтяг. Це, в свою чергу, дозволяє проводити оцінку листових матеріалів за роботоздатністю без залучення критеріїв в'язкості руйнування і визначати більш надійний в експлуатації листовий матеріал. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб визначення більш надійного в експлуатації листового матеріалу включає операції випробування на одновісний розтяг двох послідовно розташованих в захватах навантажувального пристрою геометрично однакових зразків кожного матеріалу до руйнування одного із зразків, проведення масових вимірювань твердості у робочій зоні незруйнованого зразка, визначення параметрів пошкоджуваності структури матеріалу методом LM-твердості, згідно з корисною моделлю, незруйновані зразки повторно навантажують до граничного рівня напруження відповідного зруйнованого зразка і у цьому стані проводять масові вимірювання значень твердості у робочій зоні зразка і визначають параметр пошкоджуваності структури матеріалу, за значенням якого проводять оцінку експлуатаційної надійності листового матеріалу шляхом співставлення стану структури матеріалу в робочій частині зразка у відповідність до стану структури матеріалу в області вершини тріщини при її зрушуванні, а більш надійний в експлуатації матеріал визначають шляхом співставлення параметрів пошкоджуваності конкуруючих матеріалів. Для кожного матеріалу характерний свій, визначений вихідною структурою, стан пошкоджуваності структури, при досягненні якого матеріал руйнується [Новые методы оценки деградации механических свойств металла конструкций в процессе наработки/ Лебедев А. А., Чау сов Н.Г. - Киев, 2004. - 133 с]. Цей стан в робочій зоні навантаженого зразка матеріалу при одновісному розтягу під дією напруження за величиною наближеного до межі міцності матеріалу подібний стану цього же матеріалу в зоні активного пошкодження в вершині тріщини при її старті, де локальна текучість підготовляє умови для руйнування матеріалу. Це обумовлює можливість, співставлення стану структури матеріалу в робочій частині зразка у відповідність до стану структури матеріалу в області вершини тріщини при її зрушуванні. В момент старту (при критичному навантаженні) пори і мікротріщини в цій зоні максимально розкриті, що полегшує просуванню тріщини. Можливість моделювати стан матеріалу в зоні активної пошкоджуваності в вершині тріщини станом матеріалу в зоні передруйнування в робочій частині зразка досліджуваногоматеріалу при одновісному розтягу дозволяє прогнозувати експлуатаційну надійність листових матеріалів за їх роботоздатністю без залучення критеріїв в'язкості руйнування. У цьому зв'язку, а також з урахуванням того, що тріщина стартує в зону пошкодженого матеріалу, який знаходиться в напруженому стані, пропонується спосіб оцінки експлуатаційної надійності листових матеріалів, де як параметр, що характеризує надійність в експлуатації истового матеріалу, використовується параметр гомогенності т Вейбулла, що визначається згідно з надійним і доступним для практичного застосування методом LM-твердості [Стандарт Національної академії наук України СОУ НАН 72.1-008:2013 "Матеріали металеві. Визначення рівня розсіяних пошкоджень методом LM-твердості. Метод випробування" номер державної реєстрації № 32595752/ 2370 від 14.01.2014 p.]. Параметр т характеризує ступінь однорідності структури матеріалу за визначеними значеннями твердості матеріалу, при масових вимірах в умовах одновісного розтягу і дії напруження, наближеного за величиною до межі міцності матеріалу. Він є показником надійності конструктивних елементів як на стадії виготовлення конструкцій, так і в процесі їх експлуатації. Чим більше в матеріалі накопичилося дефектів, тим більш низьке значення приймає параметр т. Суть процесів, які проходять у відповідності з операціями запропонованого способу і їх послідовність полягають у наступному. З кожного конкуруючого матеріалу виготовляються два однакових зразки. Зразки встановлюються послідовно в захватах стандартної випробувальної установки і піддають їх одновісному розтягу. При досягненні напруження, що дорівнює межі міцності матеріалу, один із зразків руйнується, його демонтують, а не зруйнований зразок навантажують до рівня напруження, при якому зруйнувався зразок, і в цьому стані, під навантаженням, проводять масові вимірювання твердості в робочій зоні. Далі визначають рівень пошкоджуваності матеріалу в робочій зоні зразка за параметрами розсіяння вимірюваних значень твердості, які визначають шляхом розрахунку коефіцієнтів гомогенності m Вейбулла, значення яких є характеристикою несівної здатності досліджуваного матеріалу. Рівень пошкоджуваності матеріалу в робочій частині зразка становлять у відповідність рівню пошкоджуваності матеріалу в області вершини тріщини при її зрушуванні. Зіставляючи отримані 2 UA 106569 U 5 10 15 20 25 30 35 40 для конкуруючих матеріалів значення коефіцієнтів гомогенності Вейбулла визначають більш надійний в експлуатації листовий матеріал за його несучою здатністю. Приклад. Для апробації способу використовували стандартні зразки, що застосовуються для проведення випробування на одновісний розтяг [ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний . -2 . -2 на растяжение.- М.: Изд-во стандартов.-1990]. Зразки товщиною 1 10 м шириною 5 10 м робочій частині виготовляли з листової сталі 20 і сталі 45, що мають феритно-перлітну структуру і сталі 0Н9 - з особливими властивостями, що має структуру дрібнозернистого фериту з ділянками залишкового аустеніту. Зразки навантажували до граничної для кожного матеріалу деформації, яка відповідала початку утворенння локалізованої пластичної деформації в робочій частині зразка. Далі проводили у напруженому стані зразка масові вимірювання твердості. Для вимірювання твердості використовували портативный прилад "COMPUTEST SC" фірми "ERNST" (Швейцарія), що дозволяв отримувати автоматичну реєстрацію накопичень і обробки результатів вимірювань з їх виведенням на дисплей у вигляді характеристик твердості. За значеннями твердості методом LM-твердості розраховували параметри розсіювання характеристик твердості - коефіцієнти гомогенності m Вейбулла, за якими проводили оцінку пошкоджуваності матеріалу. Отримані значення коефіцієнта гомогенності m незруйнованого зразка приймають за граничний рівень пошкоджень і відповідають досягнутому стану пошкоджуваності матеріалу в області вершини тріщини перед її стартом, а оцінку експлуатаційної надійності декількох конкуруючих листових матеріалів проводять шляхом співставлення параметрів пошкоджуваності. При низькому рівні накопичення пошкоджень розсіювання характеристик твердості має низьке значення, якому відповідає більш високе значення коефіцієнта m і навпаки, при зростанні щільності структурних дефектів - пор, мікротріщин, ямок та ін. значення коефіцієнта m зменшується. Вимірювання твердості зразків проводили у вихідному стані і в умовах статичного одновісного розтягу в зоні перед руйнування в робочій частини зразка у навантаженому стані при значенні напруження, яке наближається до значення границі міцності матеріалу. Розрахункові значення коефіцієнтів гомогенності для вихідного стану mв.c і навантаженого стану 1 1 2 2 mн.с відповідно становили: для сталі 25-mв.c =27; mн.с =19,5, для сталі 45 mв.c =45; mн.с =28.4, а 3 3 сталі 0Н9 mв.c =72; mн.с =59. Характеристики в'язкості руйнування визначали за методикою випробувань листових матеріалів на дископодібних зразках [Лебедев А.А., Музыка Н.Р. Методы испытаний и механика разрушения листовых материалов при двухосном растяжении. - Луцк: Волынское областное редакционно-издат. предприятие "Надстырье".-2004.-214 с.], в центрі робочої частини яких виконували в напрямку прокатки листа прямолінійний наскрізний надріз довжиною 2l0=10 мм з радіусом у вершині 0,003 мм. Зразки піддавали одноосьовому розтягуванню у напрямку перпендикулярному лінії надрізу. Як параметр в'язкості руйнування приймали коефіцієнт, при якому відбувається зрушування тріщини Кзр, - коефіцієнт інтенсивності напруження, що визначається за вихідної довжини тріщини l і напруження σзр, при якому відбувається K 45 50 55  l  1 2 , де 1 і  2 зрушування тріщини від початкового концентратора: Кзр = σзр зр поправочні множники, що враховують відповідно вплив граничних умов на напружений стан у вершині тріщини і геометрію (форму і розміри) концентратора. Коефіцієнт Кзр є гарною інженерної характеристикою, за допомогою якої можна не тільки вибрати кращий матеріал для безпечно пошкоджуваних конструкцій з кількох конкуруючих листових матеріалів, але й реально оцінити несівну здатність листового елемента виробу з тріщиною. Зазначена характеристика в'язкості руйнування в прямому вигляді не використовуються в розрахунках за критеріями міцності і довговічності, але є важливим показником надійності 1 . 1/2 конструктивних елементів. Коефіцієнт Кзр для сталі 25 становить Кзр =50,4 МПа м ; для сталі 45 2 . 1/2 . 3 . 1/2 –Кзр =75,3 МПа м ; для сталі 0Н9 Кзр =182,0 МПа м . Зіставляючи коефіцієнти гомогенності і коефіцієнти інтенсивності напружень досліджуваних 3 2 1 матеріалів для навантаженого стану поміж собою mн.с :mн.с :mн.с =2,07:1,45 і 3 2 1 Кзр :Кзр :Кзр =2,42:1,49 можна бачити, що параметри mн.с і Кзр находяться у кореляційному зв'язку. Якщо орієнтуватися на значення вище наведених параметрів, що характеризують рівень накопичених пошкоджень в матеріалах m, і на значення показника в'язкості руйнування Кзр, то при виготовленні листових конструкцій по більш надійному опору розвитку тріщини, а отже, по роботоздатності, досліджувані матеріали можна розташувати в наступній послідовності: сталь 3 UA 106569 U 5 0Н9, сталь 45 і сталь 25, і якщо сталь 0Н9 за своїми фізико-механічними характеристиками відповідає розрахунку на міцність, то її й слід вибрати для виготовлення елемента конструкції. Таким чином, даний спосіб дозволяє провести оцінку (виконати прогноз) здатності матеріалу в стані поставки до деградації внаслідок накопичення пошкоджень при його експлуатації і є більш точним і менш трудомістким за рахунок створення умов для прогнозування експлуатаційної надійності листових матеріалів за їх несівною здатністю без залучення критеріїв в'язкості руйнування. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 Спосіб визначення більш надійного в експлуатації листового матеріалу, який включає випробування на одновісний розтяг двох послідовно розташованих в захватах навантажувального пристрою геометрично однакових зразків кожного матеріалу до руйнування одного із зразків, проведення масових вимірювань твердості у робочій зоні незруйнованого зразка, визначення параметрів пошкоджуваності структури матеріалу методом LM-твердості, який відрізняється тим, що незруйновані зразки повторно навантажують до граничного рівня напруження відповідного зруйнованого зразка і у цьому стані проводять масові вимірювання значень твердості у робочій зоні зразка і визначають параметр пошкоджуваності структури матеріалу, за значенням якого проводять оцінку експлуатаційної надійності листового матеріалу шляхом співставлення стану структури матеріалу в робочій частині зразка у відповідність стану структури матеріалу в області вершини тріщини при її зрушуванні, а більш надійний в експлуатації матеріал визначають за результатами співставлення параметрів пошкоджуваності досліджуваних зразків матеріалів. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4