Спосіб визначення області довготривалого в’язкого руйнування матеріалу за умов повзучості

Реферат: Спосіб визначення області довготривалого в'язкого руйнування матеріалу за умов повзучості полягає у тому, що групу зразків досліджуваного матеріалу випробовують на повзучість,  будують криві повзучості у координатах ε-t, визначають мінімальні швидкості повзучості  min, визначають коефіцієнти В і n, за значеннями коефіцієнтів В та n, визначають область і час довготривалого в'язкого руйнування. Другу групу зразків матеріалу випробовують на одновісний короткочасний розтяг, будують діаграму миттєвого деформування у координатах ζ - ε, визначають величину відносного подовження на момент руйнування δ, розраховують величину 1/n, і, за результатами порівняння цих величин, визначають область довготривалого в'язкого руйнування за умов повзучості. UA 76788 U (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ОБЛАСТІ ДОВГОТРИВАЛОГО В'ЯЗКОГО РУЙНУВАННЯ МАТЕРІАЛУ ЗА УМОВ ПОВЗУЧОСТІ UA 76788 U UA 76788 U 5 10 15 20 25 30 Корисна модель належить до галузі механічних випробувань матеріалів, а саме до способів випробувань зразків матеріалів на повзучість та довготривалу міцність і визначення областей превалюючої дії того чи іншого механізму руйнування (в'язкий, крихкий, змішаний), що необхідно при формулюванні визначальних рівнянь моделей повзучості та побудови методології визначення параметрів цих моделей. Характеристики повзучості і довготривалої міцності у вигляді відповідних графіків і таблиць та діаграм миттєвого деформування, а також методологія визначення області довготривалого в'язкого руйнування, що побудована на основі запропонованого способу, можуть бути використані у дослідницькій практиці конструкторських бюро та заводських лабораторій підприємств авіаційного, автомобільного та залізничного транспорту, енергомашинобудування, а також при необхідності задля обґрунтування, призначення та прогнозування довговічності матеріалів, що працюють довготривалий час за умов статичного навантаження та високих температур. Відомим є спосіб визначення області довготривалого в'язкого руйнування матеріалу за умов повзучості [1], згідно із яким групу зразків матеріалу випробовують на повзучість за фіксованої температури на декількох рівнях напружень ζ, вимірюють час до руйнування tR, будують криву довготривалого руйнування в координатах lg-lgtR, визначають дві різноспрямовані відносно осей координат гілки цієї кривої, ідентифікують координати її перелому і відповідно до цього визначають область в'язкого руйнування, яка обмежена лівою частиною кривої довготривалої міцності. Цей спосіб має наступні недоліки. По-перше, у зв'язку з існуванням області змішаного руйнування, яка розділяє в'язке і крихке руйнування, неможливо з повною точністю обмежити область в'язкого руйнування, що свідчить про недостатню працездатність цього способу. Подруге, для побудови повної діаграми довготривалої міцності з урахуванням областей в'язкого, крихкого і змішаного руйнування є необхідним досить суттєві затрати часу і матеріалу для випробувань, які роблять цей спосіб малоефективним. Відомий також, вибраний як прототип, спосіб визначення області довготривалого в'язкого руйнування матеріалу за умов повзучості [2], згідно з яким групу зразків досліджуваного матеріалу випробовують на повзучість за фіксованої температури на декількох рівнях напружень ζ, будують криві повзучості у координатах ε - t, використовуючи ділянки сталої повзучості цих кривих, визначають мінімальні швидкості повзучості коефіцієнти В і n степеневого закону повзучості   min , визначають   min   n , (1) 35 40 45 і, за значеннями коефіцієнтів В та n, незалежно від їх величин і пластичних властивостей матеріалу, визначають область і час довготривалого в'язкого руйнування. Недоліком прототипу є його недостатня точність що обумовлена невизначеністю у використанні коефіцієнтів В і n для ідентифікації області довготривалого в'язкого руйнування. Невизначеність полягає у тому, що використання коефіцієнтів В і n таким чином як описано в прототипі визначає, по суті, теоретичну область в'язкого руйнування, яка не завжди співпадає з реальною поведінкою матеріалу, який випробовується за умов довготривалого високотемпературного навантаження. Це може приводить до суттєвих похибок у випадку оцінки довготривалої міцності. В основу корисної моделі поставлена задача: у способі визначення області довготривалого в'язкого руйнування матеріалу за умов повзучості шляхом випробування групи зразків на короткотривалий одновісний розтяг, побудови діаграми миттєвого деформування у координатах ζ - ε, визначення величини відносного подовження на момент руйнування , як вихідного запасу 1 пластичності, розрахунку величини n , яку приймають в якості необхідної для реалізації в'язкого 1 50 55 руйнування пластичності, і порівняння величин  і n досягають усунення існуючої у прототипі невизначеності у використанні коефіцієнтів В і n степеневого закону повзучості, що дозволяє однозначно ідентифікувати область довготривалого в'язкого руйнування матеріалу за умов повзучості, внаслідок чого підвищується точність способу, який запропоновано. Поставлена задача розв'язується за рахунок того, що у способі визначення області довготривалого в'язкого руйнування матеріалу за умов повзучості, що містить випробування групи зразків матеріалу на повзучість за фіксованої температури на декількох рівнях напружень ζ, побудову кривих повзучості у координатах ε - t, визначення мінімальної швидкості повзучості   min , визначення коефіцієнтів В і n степеневого закону повзучості (1) і визначення за 1 UA 76788 U величинами коефіцієнтів B та n, незалежно від їх величин і пластичних властивостей матеріалу, області і часу довготривалого в'язкого руйнування, згідно із запропонованим способом другу групу зразків матеріалу випробовують на одновісний короткотривалий розтяг, будують діаграму миттєвого деформування у координатах  - , визначають величину відносного подовження на 1 5 10 15 20 25 30 35 момент руйнування , як вихідний запас пластичності, розраховують величину пластичності n необхідної для реалізації в'язкого руйнування і за результатами порівняння цих величин визначають область довготривалого в'язкого руйнування матеріалу за умов повзучості та підвищують точність способу за рахунок використання при ідентифікації області в'язкого руйнування конкретного критеріального співвідношення, що базується на оцінці властивостей пластичності матеріалу, що досліджується. Запропонований спосіб визначення області довготривалого в'язкого руйнування матеріалу за умов повзучості вирішує задачу використання в інженерних розрахунках концепції в'язкого руйнування завдяки однозначному визначенню умов його реалізації. Він побудований на гіпотезі про процес руйнування за умов повзучості як процес вичерпання вихідної пластичності матеріалу, а можливість в'язкого руйнування визначається балансом вихідної пластичності з одного боку, та пластичності, що необхідна для реалізації в'язкого руйнування, з іншого. Як вихідна пластичність матеріалу приймається величина деформації  на момент руйнування за умов випробування на короткотривалу міцність. Вважається, що в даному випадку реалізується максимальний запас пластичності матеріалу оскільки вплив фактору часу, що сприяє окрихченню матеріалу і зниженню його пластичності, мінімальний. Необхідний для реалізації в'язкого руйнування запас пластичності визначається із моделі в'язкого руйнування Хоффа [2], яка використана як прототип. Спосіб, що заявлений, здійснюється наступним чином. Дві групи зразків із матеріалу, що досліджується за фіксованої температури, випробовують на повзучість на декількох рівнях напруження, та одновісний короткочасний розтяг. Методику випробувань та обладнання для випробувань детально описано у [3]. Для зразків першої групи в процесі навантаження вимірюють дискретні величини часу навантаження / та деформації повзучості ε, що їм відповідають і будують криві повзучості у координатах ε-t для кожного з реалізованих рівнів напруження ζ0 при навантаженні. На їх основі  визначають мінімальні швидкості повзучості  min , що відповідають ланкам сталої повзучості кожної з кривих, та розраховують коефіцієнти В і n степеневого закону повзучості. Зразки матеріалу другої групи випробовують в умовах одновісного короткочасного розтягу, будують діаграму миттєвого деформування в координатах ζ-ε та визначають величину деформації  на момент руйнування як запас вихідної пластичності. Визначення величини запасу пластичності, необхідної для реалізації довготривалого в'язкого руйнування здійснюється наступним чином. Згідно з прототипом, час в'язкого c c руйнування при необмеженій течії визначається із урахуванням припущення, що ,  ,    , де  - поточна довжина робочої частини зразка, що випробовується на повзучість; εc - лінійна c деформація повзучості;  - її логарифмічна міра, яка визначається як  40     c   c  ln     ln 1    0 . (2) Вважається також, що в області великих деформацій швидкість повзучості задається тим же степеневим законом, що і за малих деформацій d c   n , dt (3) де В та n - ті ж самі коефіцієнти, що в (1). 45 c c В результаті інтегрування співвідношення (3) за граничних умов  = 0 при t = 0 і    при t - tR отримуємо час в'язкого руйнування tR  1 nB n 0 , (4) який запишемо у вигляді tR  1 1 1 1    ,  n  n n  c 0 min (5) 2 UA 76788 U c c c де min є мінімальна швидкість повзучості в початковий момент часу t = 0, для котрого  =ε = c c c 0,  = 0, a min = min = Β 0. Тоді величина 1 / n  R відповідає величині деформації, що характеризує необхідний для реалізації в'язкого руйнування запас пластичності, а час в'язкого руйнування може бути інтерпретований як час досягнення цієї величини деформації за умов 5 c сталої повзучості зі швидкістю min . З цього випливає, що умова реалізації довготривалого в'язкого руйнування металевих матеріалів може бути задана співвідношенням  10 n 1 n , (6) вихід за межі якого, супроводжується зміною механізму руйнування. Приклад: Розглянемо задачу визначення області довготривалого в'язкого руйнування матеріалу за умов повзучості. За об'єкт дослідження вибрано металеві конструкційні матеріали, що наведено в таблиці. Там же наведені основні механічні характеристики досліджених матеріалів, температура випробувань, а також значення коефіцієнтів В і n степеневого закону повзучості. 15 Таблиця Матеріал Сплав ХН55МВЦ Сталь St-9B Сплав ЭИ437Б 20 25 30 35 40 45 , °С E,МПа 650 750 950 500 550 600 750 5 1,8•10 5 1,75•10 5 1,7•10 5 1,45•10 -n B, МПа -1 год. -16 4,50•10 -14 2,20•10 -11 1,80•10 -41 5,27•10 -28 8,57•10 -14 4,33•10 -17 2,29•10 Β, МПа 488,0 338,1 145,0 570,0 504,0 444,0 680,0 n 1/n, % ,% Руйнування 5,00 5,20 5,20 14,10 9,37 3,93 4,99 20,00 19,20 19,20 7,10 10,70 25,40 20,10 46,0 48,0 48,0 17,0 19,0 23,0 10,5 в'язке в'язке в'язке в'язке в'язке крихке. крихке. Результати досліджень зразків матеріалів за умов повзучості при статичному навантаженні на декількох рівнях напруження за сталої температури відображені у координатах lg - lgtR на графіках 1-4 (точки). Штриховими лініями на цих рисунках відображені розраховані криві довготривалого в'язкого руйнування, що побудовані за співвідношенням (4) як для випадків коли виконується умова (6) - графік 1, 2 так і для випадків коли ця умова не виконується - графік 3, 4. Для випадків, коли реалізується умова, сформульована у співвідношенні (6), як це видно з наведених рисунків, спостерігається задовільне узгодження експериментальних даних з розрахованими кривими довготривалої міцності, а найбільша похибка в цілому не перевищує 30%. У випадку, коли умова (6) не виконується, спостерігається суттєве неузгодження між даними експерименту та розрахованими кривими довготривалої міцності, перш за все на якісному рівні. Це свідчить про те, що у даному випадку характер руйнування буде принципово відмінним від в'язкого, тобто буде реалізовуватися крихкий або змішаний механізм руйнування. Похибка при цьому між розрахунком і експериментом може сягати 2-х порядків. Використання запропонованого способу дозволяє суттєво підвищити точність способів визначення області довготривалого в'язкого руйнування матеріалу за умов повзучості, при тому, що реалізація способу дозволяє досягти зменшення трудомісткості та матеріалоємності процедури його реалізації. Наведений приклад підтверджує факт отримання технічного результату під час реалізації запропонованого способу, що відображено на приведених ілюстраціях, де співставлено отримання необхідного результату за методологією прототипу та способу, що запропонований. Джерела інформації: 1. Гольденблат И.И., Бажанов В.Л., Копнов В.А. Длительная прочность в машиностроении. М.: Машиностроение, 1977. - 248 с. 2. Hoff N.J. The necking and the rupture of rods subjected to constant tensile loads // Journal of Applied Mechanics.- 1953.- Vol. 20, N1, pp. 105-108. 3. Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов: Справочное пособие / Под ред. А.Т.Туманова. Т. 2. Методы исследования механических свойств металлов. - М.: Машиностроение, 1974. - 320 с. 3 UA 76788 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 Спосіб визначення області довготривалого в'язкого руйнування матеріалу за умов повзучості, який полягає у тому, що групу зразків досліджуваного матеріалу випробовують на повзучість за фіксованої температури на декількох рівнях напружень ζ, будують криві повзучості у  координатах ε-t, визначають мінімальні швидкості повзучості  min, визначають коефіцієнти В і n n  степеневого закону повзучості  min = Β і, за значеннями коефіцієнтів В та n, незалежно від їх величин і пластичних властивостей матеріалу, визначають область і час довготривалого в'язкого руйнування, який відрізняється тим, що другу групу зразків матеріалу випробовують на одновіснийкороткочасний розтяг, будують діаграму миттєвого деформування у координатах ζ - ε, визначають величину відносного подовження на момент руйнування δ, як вихідний запас пластичності, розраховують величину 1/n, яку приймають як необхідну для реалізації в'язкого руйнування пластичність і, за результатами порівняння цих величин згідно з співвідношенням:  1 , n визначають область довготривалого в'язкого руйнування за умов повзучості. Графік 1 Графік 2 20 Графік 3 Графік 4 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 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