Способ определения релаксации напряжений в вершине трещины или концентраторе напряжений
METHOD OF DETERMINATION OF STRESS RELAXATION AT THE CRACK TIP OR STRESS CONCENTRATOR

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для определения прочностных свойств металлических конструкционных материалов, а именно, для оценки работоспособности металлов с трещиной или концентратором напряжений в конструкциях, применяющихся в авиационной промышленности, машиностроении, судостроении и других отраслях техники, а также в строительной индустрии.
Оценка релаксации напряжений в вершине усталостной трещины или концентраторе напряжений необходима при исследовании механических характеристик материалов, особенно для случаев, когда временные или температурные факторы являются доминирующими. В ряде изысканий при определении одного из основных параметров материала - коэффициента интенсивности напряжений в вершине трещины, необходима оценка релаксационных процессов. Так при оценке коэффициента интенсивности напряжений в условиях постоянно заданной деформации необходимым условием является оценка релаксации. Стандарт ASTM Е1681 диктует требование, чтобы релаксация коэффициента интенсивности напряжений не превышала 5% за 24 часа, в противном случае, данные испытания считаются некорректными. Для определения релаксационных процессов в вершине трещины стандарт ASTM Е1681 предлагает оснастить распорный болт датчиком силы и провести предварительные испытания на модельных образцах.
Согласно стандарту ASTM E1681 предложения по оценке релаксации напряжений в материале сводятся к включению в цепочку нагружения датчика силы, который фиксирует изменение действующего усилия и, следовательно, напряжений во времени при заданной постоянной деформации. Аналогичный подход всесторонне представлен также в американском стандарте ASTM Е328.
Однако предлагаемые методики, базирующиеся на встраивании датчика силы в силовую цепочку, оказываются, в большинстве случаев, неприемлемыми из-за отсутствия миниатюрных датчиков силы или невозможности их использования при высоких температурах.
Из уровня техники известен способ измерения параметров медленного роста трещин в хрупких материалах, согласно которому в призматическом образце предварительно инициируют трещину, нагружают образец поперечным прибором, определяют длину трещины через определенное время и рассчитывают параметры медленного роста трещин А и N. При этом в образце предварительно инициируют, по крайней мере, еще одну трещину. Нагружение осуществляют с постоянной скоростью изменения напряжения, предварительно определяют расстояние от первой и второй трещины до одной из опор, определяют длину обеих трещин через определенное время (SU 1833802, опубл. 15.08.1993, G01N 3/08).
Известен способ оценки вязкости разрушения конструкционных материалов, включающий нагружение специального образца с трещиной и фиксирование приложенной нагрузки завинченным в сквозное резьбовое отверстие распорным болтом. После чего образец с завинченным распорным болтом снимают с испытательной машины и помещают в коррозионную среду. По росту трещины и полученной при растяжении образца до разрушения нагрузке с оценкой деформации делается вывод о влиянии коррозионного воздействия на вязкость разрушения материала (RU 148072, опубл. 27.11.2014, G01N 3/00).
К недостаткам данных способов относится невозможность измерения релаксационных процессов в вершине трещины или концентраторе напряжений.
Техническая задача заявленного изобретения заключается в создании способа измерения релаксации напряжений в вершине трещины или концентраторе напряжений при различных временных выдержках и в широком диапазоне температур.
Технический результат заявленного изобретения заключается в создании способа определения релаксации напряжений в вершине трещины или концентраторе напряжений при комнатной или повышенной температурах.
Заявленный технический результат достигается тем, что способ определения релаксации напряжений включает нагружение образца с трещиной, в котором ось приложения нагрузки и ось действия распорного болта разнесены, фиксирование распорным болтом заданной деформации и последующую экспозицию нагруженного образца. После экспозиции образца, нагруженного распорным болтом, осуществляют установку датчика раскрытия трещины, затем прикладывают внешнюю нагрузку и по датчику раскрытия трещины определяют усилие начала раскрытия трещины. Релаксация напряжений в вершине трещины определяется как разница между изначально установленной нагрузкой на образце и усилием начала раскрытия трещины, действующим в образце после экспозиции.
Заявлен также способ определения релаксации напряжений, включающий нагружение образца с концентратором напряжений, в котором ось приложения нагрузки разнесена с осью действия распорного болта, фиксирование распорным болтом заданной деформации на образце с концентратором напряжений и последующую экспозицию нагруженного образца. После экспозиции образца, нагруженного распорным болтом, осуществляют установку датчика раскрытия трещины на образец, затем прикладывают внешнюю нагрузку и определяют по датчику раскрытия трещины усилие сжатия, действующее в образце с концентратором напряжений. Релаксация напряжений в образце с концентратором напряжений определяется как разница между изначально установленной нагрузкой на образце с концентратором напряжений и усилием сжатия, действующим в образце после экспозиции.
Заявленное изобретение поясняется графическими материалами:
Фиг. 1 - общий вид устройства;
Фиг. 2 - график раскрытия трещины для заневоленного образца.
В соответствии с заявленным способом определение релаксации напряжений осуществляется с использованием специального образца 1 из тестируемого материала, содержащего краевой надрез, сквозное отверстие с резьбой для распорного болта, выполненное перпендикулярно краевому надрезу и с выходом одного своего конца в полость краевого надреза. На образце изготовлены сквозные отверстия для крепления образца в захватах испытательной машины, расположенные симметрично относительно краевого надреза и размещенные между открытым концом краевого надреза и его вершиной. Сквозное отверстие с резьбой для распорного болта расположено ближе к открытому концу надреза, чем сквозные отверстия для крепления образца в захватах испытательной машины. В образце предварительно выращивают трещину или изготавливают концентратор напряжения. Затем проводят нагружение образца внешней силой с фиксированием приложенной нагрузки распорным болтом 3, завинченным в сквозное резьбовое отверстие до упора (фиг. 1).
Подготовленный образец 1, в котором ось приложения нагрузки разнесена с осью действия болта, нагружают на испытательной машине с помощью оснастки 4 до заданного уровня нагрузки, что позволяет установить заданный уровень напряжений в вершине трещины или в концентраторе напряжений. Напряжение в вершине трещины или в концентраторе напряжений прямо пропорционально приложенной нагрузке, поэтому изменение нагрузки в полной мере отображает изменение напряжений в образце.
Нагрузка при заданной деформации фиксируется распорным болтом. Распорный болт 3 обеспечивает постоянство деформации на протяжении всей длительности испытаний. При длительной экспозиции в нормальных условиях или при повышенных температурах происходит релаксация напряжений в вершине трещины или в концентраторе напряжений.
Для определения расклинивающего усилия после экспозиции применяется датчик раскрытия трещины 2, который устанавливается на торце образца.
При повторном нагружении образца на испытательной машине регистрируется как усилие растяжения испытательной машины, действующее на образец, так и сигнал с датчика раскрытия трещины. На начальном этапе нагружения усилие закрытия трещины или усилие сжатия, действующее в образце с трещиной или с концентратором напряжений, установленное ранее и зафиксированное распорным болтом, превышает усилие, создаваемое испытательной машиной. На диаграмме (фиг. 2) показана деформация, фиксируемая датчиком раскрытия трещины (ось X), и усилие, приложенное к образцу (ось Y). Начальный этап нагружения представлен прямой линией на оси ординат (Y).
При повышении нагрузки, когда нагрузка, создаваемая испытательной машиной, достигает и начинает превышать уровень усилия сжатия, действующего в образце, появляется сигнал от датчика раскрытия. Сигнал от датчика раскрытия трещины характеризует равенство усилий, действующих на образец, - внешней растягивающей нагрузки и усилия сжатия, действующего в образце. Появление сигнала от датчика раскрытия трещины позволяет определить сжимающее усилие, действующее в образце. Датчик раскрытия трещины позволяет с высокой точностью определить нагрузку, действующую в образце, и, следовательно, определить релаксацию напряжений в вершине трещины или в концентраторе напряжений.
Разница нагрузок, изначально установленной в образце с фиксацией ее распорным болтом, и нагрузки после экспозиции, определенной по моменту равенства приложенной внешней нагрузки и усилия сжатия, действующего в образце, характеризует релаксацию напряжений в вершине трещины или в концентраторе напряжений.
Заявленный способ позволяет определить релаксацию напряжений в вершине усталостной трещины или концентраторе напряжений при исследовании механических характеристик материалов для случаев, когда временные или температурные факторы являются доминирующими.