Прогнозирование работоспособности конструкций с дефектами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Северо-Западный государственный заочный технический университет

Кафедра металлургии и литейного производства

Отчёт по практике

Прогнозирование работоспособности конструкций с дефектами

Выполнил студент: Майоров Вадим

Санкт-Петербург 2005 г.

Идея получения количественной связи результатов стандартных испытаний на ударную вязкость с вязкостью разрушения К1с является весьма привлекательной. В этом случае существенно упрощается методика определения значений К1с, появляется возможность использования уже имеющегося обширного объема информации по ударной вязкости для прогнозирования работоспособности конструкций с дефектами и т.д. В данной работе оценена возможность установления такой корреляции.

Если значения вязкости разрушения определяются в момент инициации разрушения (старт трещины), они характеризуют работу деформации металла в вершине трещины до критического состояния. При испытании крупногабаритных образцов из конструкционных машиностроительных сталей при низких температурах старт трещины обычно совпадает со скачком нагрузки. Значения К1с, вычисленные по этой нагрузке, характеризуют сопротивление зарождению разрушения. При увеличении температуры испытаний даже в корректных образцах скачек нагрузки исчезают, и значение К1с считают по усилию, соответствующему приросту трещины в 2 %. Полученные значения К1с уже характеризуют не только сопротивление зарождению разрушения, но и сопротивление распространению разрушения.

При расчете конструкций с дефектом необходимо определить сочетание длины дефекта и нагрузки, приводящие к зарождению разрушения, поэтому и расчет должен производиться с использованием параметра, характеризующего только зарождение разрушения. Процесс распространения трещины будет зависеть уже не только от свойств материала, но и от конструктивных особенностей, запаса упругой энергии в конструкции и т.д. Исходя из этого, даже результаты испытаний корректных образцов на К1с нужно использовать в расчетах с достаточной осторожностью. вязкость излом температура ударный

В значения ударной вязкости, полученные в стандартных испытаниях, входит не только работа деформирования материала в вершине дефекта, но и работа на боковые утяжки, распространение разрушения и т.д. Чем выше температура испытаний, тем больше вклад этих составляющих, не имеющих отношения к зарождению разрушения. В связи с этим надежды на установление корреляции значений К1с и ударной вязкости представляются весьма призрачными.

В настоящей работе высказанные выше положения подтверждены результатами испытаний при температурах от - 196 ° С до + 20 ° С одиннадцати серий образцов из различных машиностроительных углеродистых и легированных конструкционных сталей и их сварных соединений. Значения вязкости разрушения определялись по испытаниям на статический трехточечный изгиб стандартных образцов сечением 10 х 10 х 55 мм с предварительно зарожденной усталостной трещиной. Непосредственно по диаграмме нагружения определялись критические значения интеграла Райса, которые затем пересчитывались в К1с по известной зависимости. Кроме значений К1с, определенных в момент старта трещины, вычисляли также значения К максимального в момент достижения нагрузкой максимального значения.

Сравнение полученных результатов позволило подтвердить вывод о том, что ударная вязкость не коррелирует со значениями К1с, определенными в момент инициации разрушения. Для К максимального такая корреляция есть.

Ударная вязкость* - механическая характеристика, оценивающая работу разрушения надрезанного образца при ударном изгибе на маятниковом копре (см. рис.1,2). В Международной системе единиц (СИ) ударная вязкость выражается в Дж/м2 (отношение работы к площади поперечного сечения в месте надреза). Хотя ударная вязкость условная характеристика, сильно зависящая от размеров образца, формы и состояния поверхности надреза, и не может быть введена в расчеты на прочность, её практическое значение очень велико. По температурной зависимости ударной вязкости оценивают склонность материала к хрупкому разрушению.

Рисунок 1. Маятниковый копёр для испытания материалов на ударную вязкость: 1 - маятник; 2 - образец; 3 - стрелка; 4 - шкала.

Рисунок 2. Положение образца для испытания

Испытания на ударную вязкость. Один из самых важных видов динамических испытаний - испытания на ударную вязкость, которые проводятся на маятниковых копрах с образцами, имеющими надрез, или без надреза. По весу маятника, его начальной высоте и высоте подъема после разрушения образца вычисляют соответствующую работу удара (методы Шарпи и Изода).

СПОСОБЫ ОЦЕНКИ ВЯЗКОСТИ

Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению

Испытание проводят на образцах с надрезами определенной формы и размеров. Образец устанавливают на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника, который поднимают на определенную высоту (рис. 7.3)

Рис.7.3. Схема испытания на ударную вязкость: а - схема маятникового копра; б - стандартный образец с надрезом; в - виды концентраторов напряжений; г - зависимость вязкости от температуры

На разрушение образца затрачивается работа:

где: Р - вес маятника, Н - высота подъема маятника до удара, h - высота подъема маятника после удара.

Характеристикой вязкости является ударная вязкость (ан), - удельная работа разрушения.

где: F0 - площадь поперечного сечения в месте надреза.

ГОСТ 9454 - 78 ударную вязкость обозначает KCV. KCU. KCT. KC - символ ударной вязкости, третий символ показывает вид надреза: острый (V), с радиусом закругления (U), трещина (Т) (рис. 7.3 в)

Серийные испытания для оценки склонности металла к хладоломкости и определения критических порогов хладоломкости.

Испытывают серию образцов при различных температурах и строят кривые ударная вязкость - температура ( ан - Т) (рис. 7.3 г), определяя пороги хладоломкости.

Порог хладоломкости - температурный интервал изменения характера разрушения, является важным параметром конструкционной прочности. Чем ниже порог хладоломкости, тем менее чувствителен металл к концентраторам напряжений (резкие переходы, отверстия, риски), к скорости деформации.

ОЦЕНКА ВЯЗКОСТИ ПО ВИДУ ИЗЛОМА

При вязком состоянии металла в изломе более 90 % волокон, за верхний порог хладоломкости Тв принимается температура, обеспечивающая такое состояние. При хрупком состоянии металла в изломе 10 % волокон, за нижний порог хладоломкости Тн принимается температура, обеспечивающая такое состояние. В технике за порог хладоломкости принимают температуру, при которой в изломе 50 % вязкой составляющей. Причем эта температура должна быть ниже температуры эксплуатации изделий не менее чем на 40oС.

Испытания на выностивость (ГОСТ 2860) дают характеристики усталостной прочности.

Усталость - разрушение материала при повторных знакопеременных напряжениях, величина которых не превышает предела текучести.

Усталостная прочность - способность материала сопротивляться усталости.

Процесс усталости состоит из трех этапов, соответствующие этим этапам зоны в изломе показаны на рис.7.4.

1 - образование трещины в наиболее нагруженной части сечения, которая подвергалась микродеформациям и получила максимальное упрочнение

2 - постепенное распространение трецины, гладкая притертая поверхность

3 - окончательное разрушение, зона “долома“, живое сечение уменьшается,а истинное напряжение увеличивается, пока не происходит разрушение хрупкое или вязкое

Рис 7.4. Схема зарождения и развития трещины при переменном изгибе круглого образца

Наиболее старым и надежным методом испытания на чувствительность материала к разрушению путем отрыва является определение ударной вязкости. При этом испытании образец с односторонним надрезом, покоящийся своими концами на двух опорах или даже зажатый с одной стороны, в результате однократного удара либо разрушается, либо загибается, насколько это допускает конструкция прибора. Отношение затраченной при этом работы, измеренной в килограммометрах, к площади поперечного сечения образца в месте надреза в квадратных сантиметрах носит название удельной работы удара или ударной вязкости.

Рис.1. Пластический и хрупкий изломы ударных образцов

То обстоятельство, что работа удара относится к поперечному сечению образца в месте надреза, не имеет строгого обоснования. Величина ударной вязкости скорее является лишь относительной мерой полной работы, затраченной на разрушение или изгиб образца. При испытании по Изоду, применяемому в аглосаксонских странах, определяют общую работу удара. Наряду с величиной энергии, израсходованной на разрушение образца, в качестве характеристики материала рассматривают также характер излома образца. При этом за меру склонности материала к разрушению путем отрыва принимают выраженное в процентах отношение части сечения, соответствующей зоне пластичного разрушения, к другой части, соответствующей зоне хрупкого разрушения.

Поскольку разрушение начинается вблизи надреза, решающее значение для поведения материала имеет напряженное состояние и скорость деформации в этом месте. Зависимость обеих этих величин от формы и размеров образца, формы надреза, расстояния между опорами и скорости движения маятника в момент удара не носит явно выраженной формы. О напряженном состоянии в ударном образце в настоящее время в сущности известно лишь то, что в месте надреза оно по всей вероятности, двуосное.

Если при данных условиях испытания материал сохраняет способность деформироваться, то после значительного поглощения энергии удара наступает пластичное разрушение (высокое значение ударной вязкости). В других случаях после незначительного поглощения энергии удара происходит разрушение путем отрыва с малой степенью деформации (низкое значение ударной вязкости). Переход от пластичного разрушения к хрупкому может быть достигнут применением более жестких условий испытания, например, уменьшением радиуса надреза, увеличением ширины и длины образца и повышением скорости движения маятника в момент удара. Проще всего при прочих равных условиях этого можно достигнуть понижением температуры испытания (рис. 2). Температуру перехода из пластичного состояния в хрупкое, определенную по кривой зависимости ударной вязкости от температуры, можно считать мерой чувствительности материала к разрушению путем отрыва. Изменения свойств материала, ведущие к увеличению его хрупкости, например в результате старения, или отпускной хрупкости, повышают температуру перехода в хрупкое состояние, т. е. повышают чувствительность к разрушению путем отрыва.

Рис. 2. Зависимость ударной вязкости от температуры (схематическая кривая)

Изменения же, повышающие вязкость материала, т.е уменьшающие чувствительность к разрушению путем отрыва, понижают эту температуру.

Для чистого железа переход от пластичного разрушения к хрупкому происходит в довольно узком температурном интервале. Наличие резкого провала ударной вязкости в определенном температурном интервале является общим свойством металлов с кубической объемноцентрированной решеткой, причем отличие их друг от друга при этом состоит лишь в различной абсолютной величине температуры перехода. В технических сплавах и, в частности, в сталях, вследствие равномерной гетерогенной структуры, этот провал распространяется на довольно широкий температурный интервал. Плавный ход кривой обнаруживают материалы с ярко выраженной волокнистой структурой. В области перехода из вязкого в хрупкое состояние результаты испытаний имеют довольно значительный разброс, так как незначительные отклонения в условиях испытания оказывают особенно большое влияние. Чем резче выражен этот переход, тем сильнее разброс результатов испытания.

Для определения ударной вязкости применяют образцы различных размеров и с различной формой надреза. Поскольку условия напряженного состояния и деформации в месте надреза в сильной степени зависят от формы образца и условий испытания, значения ударной вяз-: кости, полученные на образцах различной формы, нельзя непосредственно сравнивать между собой. Лишь, в области максимальных значений ударной вязкости данные, полученные на различных образцах, можно сопоставлять 3.

Важное значение при испытании на ударную вязкость имеет напряженное состояние в месте надреза. Ударный способ приложения напряжений лишь делает условия испытания более жесткими. В соответствии с этим склонность к разрушению путем отрыва можно определить также и при статических испытаниях образцов с надрезом, но в ужесточенных условиях испытания, например при увеличении ширины образца, или снижении температуры испытания'. Необходимо отметить, что весьма важную роль в понимании освещаемого вопроса сыграли именно статические испытания образцов с надрезом (в результате наблюдений и анализа структуры излома больших образцов с надрезом, имеющих неблагоприятное для пластической деформации напряженное состояние), наряду с ударными испытаниями динамически высоконагруженных деталей, например броневых плит 2. Чувствительность к разрушению путем отрыва можно определить также путем статических и ударных испытаний на растяжение, проводимых на образцах с крутым и очень острым надрезом 3. В этом случае легче определить напряженное состояние в месте надреза, однако изготовление таких образцов и само проведение испытаний связано с большей трудоемкостью, чем при испытании на ударную вязкость, которое несложно и проводится быстро.

Сравнительно простое напряженное состояние получается в том случае, когда закрытая с обоих концов труба, находящаяся под внешней осевой нагрузкой или без нее, подвергается воздействию возрастающего ступенями внутреннего давления (испытание трубы на внутреннее давление)

В этом случае можно показать, что если несколько материалов имеют при одноосном растяжении практически одинаковые значения предела текучести, предела прочности, удлинения и сужения, но разные I значения ударной вязкости, то материал, имеющий высокую ударную; вязкость обнаруживает пластичное разрушение, а материал с низким ! значением ударной вязкости разрушается хрупко, разлетаясь на большое количество маленьких кусков (рис. 32). При этом (по крайней мере для представленного на рис. 32 случая испытания хромоникелевой стали) для тех и других образцов невозможно установить различия в характере напряженного состояния и величине объемного расширения, зависящего от величины внутреннего давления. В соответствии с этим разная чувствительность к хрупкому разрушению проявляется иногда лишь в различном характере разрушения, причем хрупкое разрушение по своим последствиям обычно значительно опаснее, чем пластичное,

так как в хрупких материалах может произойти преждевременное рушение в момент начала пластической деформации 1.

В связи с этим следует упомянуть об испытании пластичности путем взрыва, при котором в центре открытого с обеих сторон полого цилиндра высотой, например 60 мм, внешним диаметром 28 мм и внутренним диаметром 14 мм взрывают определенный заряд взрывчатого вещества. Вес заряда, необходимый для появления первых трещин в результате бочкообразного распухания, а также оценка формы излома

Рис. 32. Характер разрушения при испытании на внутреннее давление трубы хромоникелевой стали с 0,25% С; 0,23% Si 0.53% Мп; 0,035% Р; 0,90% Сг и 3,48% в вязком состоянии (пластичное разрушение -- слева) и в хрупком состоянии (хрупкое разрушение -- справа). [По Н. Be: nek, E. Houdremont u. R. Mailai der. Arch. Eisenhuttenw , 24, 1953,1 S. 315--321.]

Термическая обработка:

левый образец -- закалка с 820 ° в масле, отпуск при 620 °, охлаждение в воде: отсутствие отпускной хрупкости; правый образец -- закалка с 820 о в масле, отпуск при 620 °, охлаждение с печь наличие отпускной хрупкости поведения материала при деформации служат мерой его чувствительности к разрушению путем отрыва. Это сравнительно недорогое испытание, разработанное вначале для сталей, используемых для изготовления орудийных стволов, можно с успехом применять, например, для. определения склонности материалов к разрушению путем отрыва при низких температурах. Результаты этих испытаний характеризуют материал с той же стороны, что и результаты ударных испытаний.

С целью испытания на чувствительность к разрушению путем отрыва сталей, применяемых для изготовления сварных конструкций (испытание чувствительности к хрупкому разрушению в зоне сварки),: обычно стремятся применять такие методы, которые учитывали бы влияние происходящих в процессе сварки изменений в области сварного шва. Это достигается, например, при испытании сварных образцов на гиб с перегибом (см. стр. 568), а также, отчасти, при испытании образцов с более или менее острым надрезом, или при применении внецентренного растяжения, изменения температуры испытания и т. Д. Обстоятельства, обусловливающие применение того или иного метода.

Здесь не рассматриваются, так как обоснование каждого из них исходит из принципиально отличной точки зрения.

Так как в сущности все столь различные методы испытания чувствительности к разрушению путем отрыва основываются на применении одних и тех же принципиальных положений, проведенное при соответствующих условиях определение ударной вязкости можно считать принципиально достаточным для испытания этой чувствительности материала, пока не станет возможным точное определение в конечном итоге решающих, физически однозначных величин.

Размещено на Allbest.ru