Способ прогнозирования параметров усталостного разрушения листовых металлических материалов
METHOD OF PREDICTION OF PARAMETERS OF FATIGUE DESTRUCTION OF SHEET METAL MATERIALS

Изобретение относится к области усталостных испытаний металлических материалов для определения циклической долговечности, параметров кривой усталости и может быть использовано для определения усталостных характеристик в широких областях долговечности.
Известен способ ((Патент RU 2 619 480 C1 G01N 3/32 (2006/01). Бюл. №14. Опубликовано 16.05.2017 года)) прогнозирования циклической долговечности металлов, который заключается в установлении корреляции долговечности с размером зерна металла в зависимости от его технологической обработки. Одним из недостатков данного метода является то, что требуется специальная подготовка образцов с продольным клиновым профилем и оценка деформированного состояния металла. Такой способ не дает возможность изучать кинетику процесса разрушения, фиксировать начало макроразрушения, определять скорость роста трещины и, как следствие, нет возможности прогнозировать ремонтопригодность конструкции. Данный вид испытаний не дает возможность прогнозировать обнаружение и устранение усталостных повреждений во время проведения технического обслуживания автомобиля, что увеличивает вероятность автомобильных аварий по этой причине.
Технической задачей предлагаемого метода является снижение трудоемкости и повышения достоверности полученных результатов испытания для определения параметров усталостного разрушения. При жестких требованиях к снижению металлоемкости машин и технических устройств невозможно избежать появления в ответственных деталях усталостных трещин. Однако в некоторых материалах они возникают сравнительно рано и большую часть своей эксплуатации детали работают с трещинами, а в других появляются перед самым моментом разрушения, что делает проблематичным их обнаружение в процессе технического обслуживания техники. Поэтому для полной оценки работоспособности деталей необходимо знать, как параметры сопротивления усталости, так и максимальную информацию о деструкции на всех этапах их усталостного разрушения: стадии зарождения трещин и их развитие до полного разрушения.
Технический результат достигается тем, что в способе прогнозирования параметров усталостного разрушения листовых материалов, заключающемся в их циклическом нагружении до разрушения, определении числа циклов нагружения до разрушения при фиксируемом уровне напряжения и установлении корреляции между уровнем циклического напряжения и числом циклов до разрушения, испытания проводят по мягкой схеме чистого изгиба в одной плоскости на электромагнитной установке одновременно с записью информативных параметров кривых текущего прогиба, по которым регистрируют длительность периода до зарождения усталостных трещин, момент возникновения трещины и длительность работы материала с трещиной, испытания прекращают после выхода образца из режима резонанса, затем осуществляют монотонное растяжение испытываемого образца листового материала до разрушения, чтобы вскрыть поверхность возникшей трещины с целью определения её длины, и на ее основе определяют скорость роста трещины, а излом образца исследуют под электронным микроскопом и делают вывод о характере очага разрушения на поверхности материала.
С целью выполнения поставленной технической задачи по предлагаемому способу прогнозирования параметров усталостного разрушения с установлением циклической долговечности листовых металлов, выявлением количества циклов до разрушения при фиксируемом уровне нагружения и установлением корреляции долговечности усталостные испытания проводят по мягкой схеме чистого изгиба в одной плоскости на электромагнитной установке с использованием режима резонанса. Для измерения текущей амплитуды нагружения в установке усталостных испытаний предусмотрен индукционный датчик, который позволяет постоянно вести запись изменения текущего прогиба образца.
Предлагаемое изобретение поясняется следующим примером. Большинство деталей автомобильной техники испытывают циклические нагрузки, приводящие к деструкции материалов. Испытания на усталость максимально приближены к условиям эксплуатации материалов.Это обуславливает необходимость нахождения оптимальных конструкторских решений в части как выбора материалов, так и технологических процессов, обеспечивающих высокие эксплуатационные характеристики деталей и конструкций. Предложен способ прогнозирования параметров усталостного разрушения листовых металлических материалов для проведения усталостных испытаний листовых автомобильных материалов. Его суть состоит в том, что он позволяет изучать сопротивление усталостному разрушению листовых металлических материалов по схеме чистого изгиба в одной плоскости. Для полной оценки работоспособности листовых изделий необходимо знать не только параметры сопротивления усталости, но также иметь максимальную информацию о деструкции на всех этапах их усталостного разрушения: стадии зарождения трещин, их развития до полного разрушения. Важной характеристикой поведения материалов при циклическом нагружении являются кривые циклического упрочнения (разупрочнения), отражающиеся на кривых изменения текущего прогиба образца в процессе усталостных испытаний. Данная схема нагружения максимально приближенна к условиям реального нагружения несущих корпусных элементов конструкции автомобиля. Результаты исследования изменения кривых текущего прогиба образца в процессе циклического нагружения, полученные реализацией этого способа, дают возможность изучать кинетику процесса разрушения, фиксировать начало макроразрушения, скорость роста трещины и, как следствие, прогнозировать ремонтопригодность конструкции. Данный вид испытаний дает возможность прогнозировать обнаружение и устранение усталостных повреждений во время проведения технического обслуживания автомобиля. Были исследованы и получены важные характеристики сопротивления усталостному разрушению для ряда конструкционных сталей типа 10кп и 20кп: долговечность до полного разрушения, предел выносливости,длительность периода до зарождения усталостных трещин и скорость их последующего развития и, как следствие, по итогам испытаний анализировалась ремонтопригодность конструкции. На фиг. 1 приведена типичная кривая изменения прогиба при усталости плоских образцов из стали 10кп. Кривая изменения текущего прогиба образцов в процессе циклического нагружения строилась в координатах ∆f–N (∆f -величина прогиба, N- циклическая долговечность). Горизонтальный участок на кривой текущего прогиба показывает, что образец не подвергается усталостному разрушению и его прочностные свойства сохраняются. Точка перегиба кривой свидетельствует о зарождении усталостной макротрещины, которая растет и уже на последнем участке резкого увеличения амплитуды информирует о разрушении образца. При этом амплитуда нагружения образца меняется.
Соотношение параметров кривых текущего прогиба при испытании образцов различных марок сталей в процессе циклического нагружения с наблюдением момента зарождения усталостной трещины и фиксацией ее последующего развития заносятся в таблицы и сравниваются. Результаты сравнительных испытаний параметров усталостного разрушения сталей 10кп и 20кп при напряжении образца 265 МПа показаны в таблице 1.
Таблица 1
Результаты сравнительных испытаний параметров усталостного разрушения сталей 10кп и 20кп при напряжении 265 МПа
Сталь
<i>N</i><sub><i>p</i></sub>,цикл.
<i>n</i><sub><i>з.тр</i></sub><sub>.</sub>,цикл.
<i>n</i><sub><i>роста тр</i></sub><sub>.,</sub>цикл.
<i>l</i><sub><i>тр</i></sub>.мм
<i>V</i><sub><i>ср. тр.,</i></sub>мм/цикл
<i>n</i><sub><i>з.тр</i></sub><i>.,</i>% от N<sub>р</sub>
<i>n</i><sub><i>роста тр.</i></sub><i>,</i>% от N<sub>р</sub>
10кп
262000
82000
180000
9,8
5,38<sup><b>.</b></sup>10<sup>-5</sup>
31,1
68,7
20кп
174000
78000
96000
9,4
9,79<sup><b>.</b></sup>10<sup>-5</sup>
44,8
55,2
p
где: N –число циклов до разрушения образца;
з.тр.
n– число циклов до появления трещины;
роста тр.
n– число циклов роста усталостной трещины;
тр
l. – полная длина трещины;
ср. тр.
V– усредненная скорость роста трещины;
з.тр
n. – процентная доля долговечности до зарождения трещины от полной долговечности;
роста тр.
n– процентная доля долговечности роста трещины от полной долговечности;
На основании данных таблицы 1 можно сделать вывод, что в стали 10кп усталостная макротрещина зарождается раньше и подрастает со значительно меньшей скоростью, поэтому есть возможность её раньше обнаружить и устранить.
Сталь 10кп может быть предпочтительней для ответственных деталей, чем сталь 20кп, так как появляется большая возможность обнаружения усталостных повреждений на стадии прохождения очередного технического обслуживания автомобиля, что снижает вероятность автомобильных аварий по этой причине.
По результатам испытаний усталостного разрушения плоских образцов сталей 10кп и 20кп по мягкой схеме чистого изгиба в одной плоскости выявлены полная циклическая долговечность, период зарождения усталостных трещин и скорости их последующего развития.
Аналогичные испытания проведены на плоских образцах сталей 08кп и 15сп. Результаты подтвердили достоверность данного способа и позволяют определить полную циклическую долговечность, период зарождения усталостных трещин и скорости их последующего развития.