Спосіб визначення істинних напружень в матеріалі у зоні передруйнування біля вершини тріщини

Реферат: Спосіб визначення істинних напружень в матеріалі у зоні передруйнування біля вершини тріщини, який полягає у вимірюванні пружно-пластичних деформацій на поверхні матеріалу методом цифрової кореляції спекл-зображень та тензометричним профілографом, причому деформації вимірюють у трьох взаємно перпендикулярних напрямках, встановлюють еквівалентну деформацію, а за нею визначають напруження в матеріалі біля вершини тріщини з істинної діаграми руйнування цього матеріалу. UA 72303 U (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ІСТИННИХ НАПРУЖЕНЬ В МАТЕРІАЛІ У ЗОНІ ПЕРЕДРУЙНУВАННЯ БІЛЯ ВЕРШИНИ ТРІЩИНИ UA 72303 U UA 72303 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Спосіб застосовується в експериментальній механіці матеріалів і може бути використаний для визначення напружень біля вершини тріщини та конструктивних концентраторів напружень у пластичних металічних матеріалах за різних силових схем навантаження. Відомо ряд способів для визначення напружень біля вершини тріщини [1, 2], зокрема оптичні методи, методи тензометрії, магнітні та інші, які передбачають випробування зразків з тріщиною, вимірювання поздовжніх і поперечних переміщень та розрахунок деформацій і напружень за відповідними аналітичними залежностями. Недоліками цих методів є те, що тензометричний метод дозволяє визначати деформації між двома точками або в обмеженій області точок, що пов'язано із розмірами тензометрів. Магнітні методи не дають можливості визначати деформації безпосередньо в околі тріщини, що впливає на точність вимірювання. Спільним недоліком цих методів є неможливість врахувати при розрахунку складової деформації у напрямку, перпендикулярному до площини зразка при його пластичному деформуванні під навантаженням. Відомим способом визначення напружень є метод сіток який полягає в нанесенні на поверхню зразка фотографічним способом сітки ліній, вимірюванні переміщень цих ліній у двох напрямках у процесі навантаження оптичними приладами і розрахунку напружень за визначеними таким чином деформаціями. Недоліком цього способу є складність реалізації, підвищені вимоги до поверхні зразка і невисока точність вимірювання. Найближчим способом визначення напружень біля вершини тріщини є спосіб [4], який полягає у вимірюванні переміщень поверхні перед вершиною тріщини методом цифрової кореляції спекл-зображень (ЦКСЗ) [3], розрахунку деформацій та визначення за ними напружень у цій зоні. Недоліком цього способу є неможливість вимірювати деформації біля вершини тріщини у напрямку, перпендикулярному до площини зразка при його потоншенні в процесі пластичного деформування. В основу корисної моделі поставлено задачу створити спосіб оцінки напруженодеформованого стану в околі тріщин та концентраторів напружень, який включав би в себе коректне визначення деформацій із врахуванням усіх складових тензора деформації ( x , y , z ) та встановлення величини напружень на основі істинної діаграми руйнування (    ) [2] для цього ж матеріалу. В основу запропонованого способу поставлено визначення двох складових деформації    і  y методом (ЦКСЗ) [3] на мінімально можливій базі вимірювання і визначення третьої складової деформації  z , отриманої тензометричним методом [2]. Методом ЦКСЗ визначають розподіл пружно-пластичних переміщень деформівної поверхні біля вершини тріщини у двох взаємно перпендикулярних напрямках уздовж осей та OY (напрямок осі ОХ співпадає з напрямком поширення тріщини). За допомогою тензометричного пристрою вимірюють переміщення точок поверхні біля вершини тріщини у напрямку осі OZ, перпендикулярної до площини зразка (XOY). За відношенням приросту переміщення уздовж осей ОХ та OY, визначених методом ЦКСЗ, до мінімальної бази вимірювання розраховують деформації у двох взаємно перпендикулярних напрямках  x ,  y . Деформацію  y визначають як відношення величини переміщення уздовж осі OZ до початкової товщини зразка. За розрахованими деформаціями ( x , y ,  z ) визначають еквівалентну деформацію за формулою  екв   2   2   2 x y z 45 50 55 (1). За величиною еквівалентних деформацій у кожній точці зони передруйнування з попередньо побудованої істинної діаграми руйнування (Фіг. 3) стандартного циліндричного зразка із цього ж матеріалу визначають істинні напруження в матеріалі перед тріщиною. Перевагою пропонованого методу є те, що поєднання методу спекл-кореляції і тензометрії дозволяє визначити усі три компоненти тензора деформацій і отримати їх розподіл у зоні передруйнування на ділянці певного розміру з мінімальним кроком вимірювання. Приклад. Реалізацію розробленого способу використано при випробуванні на розтяг плоских зразків із листової сталі 08кп товщиною 1,5 мм з попередньо виведеною центральною втомною тріщиною, перпендикулярною до лінії прикладання сили, з метою визначення розподілу напружень на лінії продовження тріщини. Під час навантаження зразка фотографували ділянку деформівної поверхні зразка перед вершиною тріщини розміром 9 × 13 мм ПЗЗ-камерою від початку навантаження до моменту старту тріщини з кроком 500 кг. Після оброблення отриманих зображень зони передруйнування 1 UA 72303 U 5 10 15 20 25 методом ЦКСЗ отримали розподіл двох складових тензора деформацій  x i  y (Фіг. 1) на лінії продовження тріщини за бази вимірювання 0,5 мм з початком координат у вершині тріщини. Розподіл третьої складової деформації  z (Фіг. 1) визначали з профілограми поверхні на лінії продовження тріщини, отриманої тензометричним профілографом. Після цього, використовуючи формулу (1) отримали розподіл еквівалентної деформації на лінії продовження тріщини  екв ( x) (Фіг. 2). Оскільки на момент старту тріщини деформації на вказаній ділянці поверхні зразка перевищують межу текучості (>0,002), то для розрахунку напружень використовували тільки пластичну ділянку істинної діаграми руйнування даного матеріалу (Фіг. 3), яку для зручності розрахунків описали наступною функцією: (2),   a1  a 2   a 3  2 де a 1 = 306,37 МПа; a 2 = 1038,50 МПа; a 3 = 857,51 МПа - коефіцієнти апроксимації, визначені на основі експериментальних результатів. Підставляючи у формулу (2) значення з графіку розподілу еквівалентної деформації (Фіг. 2) отримали розподіл істинних напружень ( x ) на лінії продовження тріщини (Фіг. 4). Джерела інформації: 1. Эксперементальные методы в механике деформируемого твердого тела. /Писаренко Г. С., Стрижало В. А./ - К.: Наукова думка, 1986. - 264 с. 2. Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений. /Б. С. Касаткин, А. Б. Кудрин, Л. М. Лобанов и др./ Справочное пособие - К.: Наукова думка, 1981. - 584 с. 3. Панасюк В. В., Іваницький Я. Л., Максименко О. П. Аналіз пружно-пластичного деформування матеріалу зони перед руйнування // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2004. - № 5. С. 67-72. 4. Патент на корисну модель UA № 26395, МПК G 01В 11/16. Спосіб визначення напружень в матеріалі біля вершини тріщини// Іваницький Я. Л., Штаюра С. Т., Мольков Ю. В. Костів Р. Б. Бюл. № 15, 2007р. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 Спосіб визначення істинних напружень в матеріалі у зоні передруйнування біля вершини тріщини, який полягає у вимірюванні пружно-пластичних деформацій на поверхні матеріалу методом цифрової кореляції спекл-зображень та тензометричним профілографом, який відрізняється тим, що деформації вимірюють у трьох взаємно перпендикулярних напрямках, встановлюють еквівалентну деформацію, а за нею визначають напруження в матеріалі біля вершини тріщини з істинної діаграми руйнування цього матеріалу. 2 UA 72303 U 3 UA 72303 U Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 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