[1]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.
[2]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.
[3]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.
[4]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.
[5]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).
[6]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).
[7]К недостаткам данных способов относится невозможность измерения релаксационных процессов в вершине трещины или концентраторе напряжений.
[8]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.
[9]Технический результат заявленного изобретения заключается в создании способа определения релаксации напряжений в вершине трещины или концентраторе напряжений при комнатной или повышенной температурах.
[10]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.
[11]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.
[12]Заявленное изобретение поясняется графическими материалами:
[13]Фиг. 1 - общий вид устройства;
[14]Фиг. 2 - график раскрытия трещины для заневоленного образца.
[15]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).
[16]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.
[17]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.
[18]Для определения расклинивающего усилия после экспозиции применяется датчик раскрытия трещины 2, который устанавливается на торце образца.
[19]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).
[20]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.
[21]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.
[22]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.
