СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КРИВОЙ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
METHOD OF DETERMINING PARAMETERS OF ENDURANCE CURVE OF METALS

Изобретение относится к испытанию материалов на циклическую прочность (выносливость) и определение параметров их кривой усталости и может быть использовано для определения усталостных характеристик материала в разных областях долговечности.
Известен способ определения кинетических параметров усталостного разрушения металлов [1], заключающийся в их циклическом нагружении и измерении сигналов акустической эмиссии, измерении мгновенных параметров усталостных трещин, измерении интенсивности напряжений или деформаций в изделии в процессе нагружения, а о контролируемых параметрах судят по соотношению сигналов акустической эмиссии и деформации или интенсивности напряжения с учетом зависимости этих величин для эталонного изделия.
6
8
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения параметров кривой усталостного разрушения металлов [2], заключающийся в их циклическом нагружении до разрушения при фиксируемом уровне напряжения и определении числа циклов нагружения, установлении корреляции между уровнем циклического напряжения и числом циклов до разрушения в области долговечностей вплоть до 10-10 циклов, а уровень напряжения для этой области, при котором разрушение образцов не происходит, определяют в качестве предела усталости.
Технической задачей предлагаемого способа является повышение достоверности использования результатов испытания для определения параметров кривой многоциклового усталостного разрушения.
6
8
Для выполнения поставленной технической задачи предлагаемому способ определения параметров кривой усталостного разрушения металлов, заключающийся в их циклическом нагружении до разрушения, определении числа циклов нагружения до разрушения при фиксируемом уровне напряжения и установлением корреляции между уровнем циклического напряжения и числом циклов до разрушения в области долговечностей 10-10 циклов, отличающийся тем, что испытания проводят одновременно с записью информативных параметров сигналов акустической эмиссии, по которым регистрируют момент возникновения трещины, после чего циклическое нагружение прекращают, осуществляют монотонное растяжение испытанного материала до разрушения, чтобы вскрыть поверхность возникшей трещины, полученную поверхность (излом) помещают в электронный микроскоп и анализируют, а о принадлежности данных испытаний к области многоцикловой усталости судят по расположению очага разрушения на поверхности.
6
8
6
8
6
8
В области долговечностей 10-10 циклов происходит переход в разрушении материалов с формированием очага разрушения, как на поверхности материала, так и под его поверхностью. Неразрушенные образцы, которые испытаны до долговечности нагружения в интервале 10-10 циклов могут иметь трещины, однако без их регистрации и отнесения места очага разрушения к поверхности или под поверхность нельзя с определенностью утверждать, что полученные данные испытаний относятся именно к области многоцикловой усталости. Это приводит к существенным искажениям параметров усталостной кривой для области многоцикловой усталости материалов. Поэтому в предлагаемом способе осуществляют нагружение образцов из изучаемого материала для установления связи между уровнем приложенного циклического напряжения и количеством зарегистрированных циклов с момента начала испытаний до разрушения образца. По мере снижения уровня циклического напряжения число циклов до разрушения возрастает и приближается к области долговечностей 10-10 циклов. В предлагаемом способе при достижении указанного числа циклов на первом их испытанных образцов последующее нагружение образцов при уменьшаемом уровне напряжения осуществляют при проведении акустико-эмиссионного контроля. Для этого на образце и в захватах испытательного устройства закрепляют датчики приема сигналов акустической эмиссии и в процессе циклического нагружения осуществляют анализ закономерности формирования сигналов акустической эмиссии на специальных стендах, например, фирмы «Хьюлит Паккарт», по которым судят о моменте возникновения усталостной трещины в испытываемом образце. В этот момент циклическое нагружение прекращают и осуществляют монотонное растяжение испытывавшегося образца до его разрушения при низкой скорости деформации, чтобы обеспечить возможность раскрытия малой по размеру усталостной трещины. Полученный излом помещают в камеру электронного микроскопа и осуществляют поиск зоны расположения очага разрушения. При выявлении очага разрушения на поверхности образца полученные данные об уровне напряжения и числе циклов до зарождения трещины используют для определения параметров усталостной кривой тестируемого материала в области многоцикловой усталости.
Предлагаемое изобретение поясняется следующим примером.
ПРИМЕР
Были исследованы образцы из титанового сплава ВТ3-1 при циклическом растяжении. Образцы диаметром 8 мм имели концентратор радиусом 2 мм в центральной части. По поверхности концентратора образцы были подвергнуты слабому упрочнению на глубину не более 0.2 мм. Испытания осуществляли на гидравлической машине путем последовательного уменьшения уровня напряжения от 920 МПа до 140 МПа при асимметрии цикла 0.3-0.5. Частота нагружения составила 35 Гц.
В процессе испытаний осуществляли АЭ - контроль с помощью прибора компании «Хьюлит Паркер». Датчики для регистрации сигналов АЭ располагали как у захватов, так и в центральной части образца. Датчики у захватов использовали для фильтрации шумов, возникающих на установке в процессе испытаний.
6
После достижения долговечности 10 циклов проводили АЭ-контроль для установления момента возникновения усталостной трещины в образце. О моменте возникновения трещин судили по, так называемому, α-критерию, отражающему резкое нарастание суммарного счета сигналов акустической эмиссии [3].
В момент возникновения α-критерия циклические испытания прекращали. Образцы подвергали монотонному растяжению до их разрушения. Далее образцы снимали с испытательной установки, изломы отрезали от образца и полученные фрагменты располагали в камере электронного микроскопа фирмы Карл Цейс.
f
a
На основании исследований в электронном микроскопе была проведена селекция образцов, у которых трещины зарождались с поверхности и под поверхностью. Зависимость долговечности N образцов из титанового сплава ВТ3-1 от амплитуды циклического напряжения σ, полученная по предлагаемому способу сопоставлена с усталостной кривой, которая могла быть построена без селекции образцов, как показано на фиг.1: кривая (1) соответствует данным по зарождению трещин с поверхности; кривая (2) соответствует данным по зарождению трещин под поверхностью; пунктирная кривая показывает положение усталостной кривой без селекции данных по месту расположения очага разрушения, а стрелочками указаны испытанные образцы при акустико-эмиссионном контроле до момента возникновения трещины с последующим их доломом и определением на электронном микроскопе месторасположения очага разрушения.
В результате этого была построена левая ветвь усталостной кривой, которая представлена на фиг.1 в сравнении с усталостной кривой «3», которая могла быть построена без реализации предлагаемого способа. Очевидно принципиальное отличие сопоставляемых усталостных кривых «1» и «3».
7
4
8
В области долговечности 10 и выше все образцы показали зарождение трещин под поверхностью, что было отнесено к другой ветви усталостной кривой «2», отражающей сопротивление усталости в области сверхмногоцикловой усталости [4]. Как следует из результатов эксперимента, для испытанных образцов обработка экспериментальных данных по существующему способу дает принципиальное расхождение в определяемых параметрах усталостной кривой многоциклового разрушения в интервале долговечностей 10-10 циклов по сравнению с предлагаемым способом, позволяющим повысить точность в определении параметров усталостной кривой в области многоцикловой усталости.
6
8
6
8
Предлагаемый способ позволяет не только повысить точность в определении параметров усталостной кривой почти на порядок, но и откорректировать результаты уже реализованных экспериментов при циклическом нагружении, в которых испытания в области долговечностей в интервале 10-10 циклов были проведены и образцы не были разрушены. Испытанные циклически образцы, в соответствие с одним из этапов предложенного изобретения, могут быть подвергнуты монотонному растяжению до разрушения с последующим анализом излома. По положению очага разрушения у поверхности или под поверхностью данные испытаний могут быть дифференцированы и отнесены к той усталостной кривой, которая соответствует области многоцикловой усталости или не использованы, если очаг усталостного разрушения вообще отсутствует из-за недостаточного числа циклов нагружения, которые были реализованы в опыте для зарождения усталостной трещины. Дополнительно, предлагаемое изобретение позволяет существенно снизить длительность проводимых испытаний на усталость, особенно в области долговечностей 10-10 циклов. Доля периода роста трещины составляет не более 10% от долговечности в указанной области испытаний, поэтому точность определения самой долговечности будет находиться в указанном пределе. Вместе с тем длительность этого периода по количеству циклов, как указано выше, значительна и может потребовать не одного дня испытаний, если проводить испытания полностью до разрушения образца. Причем разрушение образца может оказаться не с поверхности, что потребует проведения следующих, продолжительных по времени испытаний.
Источники информации
1. АС 1320735, 30.06.87, Бюл. №24, G01N 29/04.
2. Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов // М.: Металлургия, 1975, 455 с.
3. Троенкин, Д.А., Шанявский А.А, Банов, М.Д., Коняев, Е.А. Методические рекомендации по контролю усталостных повреждений маломерных конструкций методом акустической эмиссии // М.: ЦНТИГА, 1985, 52 с.
4. А.А.Шанявский. Моделирование усталостных разрушений металлов, Синергетика в авиации. - Уфа, Монография, 2007, 450 с.