Курсовая работа КЭ Жураев Уктам. Испытания на вязкость разрушения. Критерии вязкости разрушения. Расчет характеристик вязкости разрушения с использованием записи сигналов акустической эмиссии на оборудовании National Instruments
 Скачать 0.86 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» ИНСТИТУТ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ КАФЕДРА МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ И ФИЗИКИ ПРОЧНОСТИ НАПРАВЛЕНИЕ 22.03.01 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ Курсовая работа на тему: Испытания на вязкость разрушения. Критерии вязкости разрушения. Расчет характеристик вязкости разрушения с использованием записи сигналов акустической эмиссии на оборудовании National Instruments Студент ___Жураев У.Р. Группа БМТМ-17-1 Преподаватель Ожерелков Д.Ю. Оценка______________________________________________________ Москва 2021 СОДЕРЖАНИЕ ИНСТИТУТ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ 0 КАФЕДРА МЕТАЛЛОВЕДЕНИЯ И ФИЗИКИ ПРОЧНОСТИ 0 НАПРАВЛЕНИЕ 22.03.01 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ 0 ВВЕДЕНИЕ 3 ВВЕДЕНИЕ Данная курсовая работа заключается в проведении испытания на вязкость разрушения. В ходе испытаний должны быть выявлены свойства, отвечающие за нестабильное развитие трещин. При эксплуатации металлические конструкции, на которые приложено напряжение ниже предела текучести, часто разрушаются хрупко, это связано с наличием различных концентратов напряжений. Решающее значение имеет поведение трещин при нагружении, возможность их торможения. В результате реальная конструкционная прочность окажется значительно ниже определенной методом статистических испытаний. Поэтому необходимы специальные испытания для оценки «чувствительности» материала к концентраторам напряжений. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ Хрупкое разрушение судов, мостов, кранов, строительных и дорожных машин и т. д. обычно происходит при довольно низких напряжениях, лежащих в упругой области, без макропластической деформации. Очагом хрупкого разрушения являются имеющиеся в металле микротрещины или трещиноподобные дефекты, возникающие в процессе эксплуатации. Поэтому разрушение конструкции обусловлено в основном сопротивлением металла распространению уже имеющейся опасной, острой трещины (вязкостью разрушения), а не ее зарождением. В соответствии с положениями линейной механики разрушения, разработанными Д. Ж. Ирвиным, явления, происходящие у устья трещины, могут быть описаны с помощью параметра К, который представляет собой коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины, или локальное повышение растягивающих напряжений у ведущего конца трещины:  где Y – безразмерный коэффициент, зависящий от типа (размеров) образца и трещины; σн – номинальное (среднее) напряжение вдали от трещины, МПа; l – длина трещины, мм. Отсюда размерность К имеет вид: МПа∙мм1/2.Если высвобождающаяся при разрушении удельная упругая энергия достигает критического уровня, трещина будет расти самопроизвольно. Силовое условие начала самопроизвольного разрушения – достижение величиной К критического значения Кс. Чаще всего Кс определяют в условиях плоского деформированного состояния, когда разрушение происходит путем отрыва – перпендикулярно к плоскости трещины. В этом случае коэффициент интенсивности напряжения, т. е. относительное повышение растягивающих напряжений в устье трещины, при переходе ее от стабильной к нестабильной стадии роста обозначают К1с [МПа∙мм1/2] и называют его вязкостью разрушения при плоской деформации.  Рисунок 1. Схема нагружения образца при испытании на вязкость разрушения Испытание на вязкость разрушения проводят по схеме внецентренного растяжения специальных образцов при изгибе. Для испытания применяют образцы с прямоугольным поперечным сечением и односторонним острым надрезом (рисунок 1). Предварительно на пульсаторе от надреза наводится усталостная трещина. Затем образец подвергают растяжению при постепенно повышающейся нагрузке Р. При испытании строят диаграмму нагрузка Р – смещение V (смещение берегов трещины, т. е. расстояния между точками по обе стороны от трещины вследствие ее раскрытия). По этой диаграмме находят нагрузку РQ, отвечающую началу нестабильного развития трещины, и по ней рассчитывают К1с. Вязкость разрушения характеризует способность металла (сплава) противостоять развитию трещины. Поэтому нередко К1с называют трещиностойкостью. Чем выше значение К1с, тем меньше опасность хрупкого разрушения и выше надежность конструкции (машины), изготовляемой из этого материала.  Рисунок 2. Зависимость вязкости разрушения К1с от σ0,2 для сталей (1), титановых (2) и алюминиевых (3) сплавов Вязкость разрушения является структурно чувствительной характеристикой, т. е. она зависит от всех тех воздействий, которым подвергается металл при обработке (деформационной, термической и т. п.). К1с, как правило, тем ниже, чем выше предел текучести σ0,2 (рисунок 2). Поэтому для повышения конструктивной прочности нередко отказываются от высокопрочных материалов вследствие низкого значения их трещиностойкости К1с и возможности хрупкого разрушения. Из рисунка 2 также следует, что сталь по сравнению с титановыми, а тем более алюминиевыми сплавами, имеет большую вязкость разрушения К1с. Рисунок 2. Зависимость вязкости разрушения К1с от σ0,2 для сталей (1), титановых (2) и алюминиевых (3) сплавов Испытание на вязкость разрушения используют при экспертизе наиболее ответственных высокопрочных металлических материалов, идущих на изготовление сильно нагруженных конструкций (крупных сварных узлов, деталей самолетов, корпусов ракет, сосудов высокого давления, уникальных по своим размерам сооружений). МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении регламентируется ГОСТом 25.506-85, На рисунке 3 изображена схема образца на трехточечный (сосредоточенный) изгиб.  Рисунок 3. Схема образца на трехточечный (сосредоточенный) изгиб t = 0,5b; b = 2t; l = (0,45…0,55)b; L=4b; h = (0,25…0,45)b; На рисунке 4 изображена схема образца на внецентренное растяжение.  Рисунок 4. Схема образца на внецентренное растяжение Основные требования к размерам b = 2t t = 0,5b l = (0,45…0,55)b Для определения характеристик трещиностойкости используют машины с механическим, гидравлическим или электрогидравлическим приводом, метрологические параметры которых соответствуют ГОСТу 28840—90. Испытательные машины должны быть аттестованы в соответствии с ГОСТом 24555—81. Для испытаний на трещиностойкость в данной работе использовалась машина Instron 5569. Для измерения смещений v или прогибов применяют двухконсольные датчики тензорезисторного типа. Захватные части датчиков, способы их установки на образцах и размеры элементов датчиков в зоне их крепления приведены на рисунках 5 и 6.  Рисунок 5.  Рисунок 6. Метод акустической эмиссии – это метод испытаний, основанный на анализе параметров упругих волн акустической эмиссии, вызванных внутренними источниками, расположенными в толще исследуемого тела. Акустическая эмиссия (АЭ) – это акустическое излучение ультразвукового диапазона (∆ƒпримерно равен 100 МГц), сопровождающее процессы фазовых превращений, деформации и разрушения материалов. В лаборатории метод АЭ на базе National Instruments “LabView”. Также при испытании для оценки локальных напряжений дополнительно использовалась оптическая система VIC-3D РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Исходные данные В таблицах 1, 2 и 3 приведены данные, полученные из испытаний.
Таблица 1. Значения амплитуды акустической эмиссии в момент времени раскрытия датчика
Таблица 2. Параметры образца
Таблица 3. Физические величины для данного образца Данные раскрытия датчика от приложенной нагрузки не приведены из-за большого количества значений. Расчеты и построение графиков Необходимо сопоставить данные акустической эмиссии с приложенной нагрузкой по времени. Графики зависимости раскрытия датчика от приложенной нагрузки, а также значения амплитуды акустической эмиссии в соответствующих точках представлены на рисунке 7.  Рисунок 7. Построив первичный график, выяснялось, что датчик АЭ не записывал с начального положения, поэтому было принято решение, что время, соответствующее максимальному значению амплитуды АЭ, будет равно времени, когда будет приложена максимальная нагрузка. Получившийся график более- менее приемлем, и возможно соответствует действительности. Для построения тангенса угла линейного участка были выбраны первая точка и точка, соответствующая нагрузке 400 Н. В таблице 4 приведены соответствующие значения.
Таблица 4.  Для нахождения нагрузки, соответствующей нестабильному распространению трещины (PQ), необходимо построить тангенс, уменьшенный на 5% от линейного участка, и пресечение этой прямой и графика раскрытия датчика от приложенной нагрузки даст необходимую точку.  Рассчитав тангенсы наклонов для всех точек, найдём соответствующую нагрузку. PQ=494,41 Н. В таблице 5 указаны значения для построения прямой угла наклона β.
Таблица 5. Для вычислений, которые понадобятся позже, была построена прямая, параллельная линейному участку и идущая в точку максимальной нагрузки. Максимальная нагрузка PС=930.783 Н. Начало прямой находится при νpс=0.07834 мм. νpс – условное пластическое смещение. В таблице 6 указаны значения для построения прямой параллельной линейному участку.
Таблица 6. На рисунке 8 изображен график зависимости раскрытия датчика от приложенной нагрузки с построенными прямыми.  Рисунок 8. После нахождения соответствующих значений необходимо проверить критерии достоверности. Должно выполняться условие:   Критерий достоверности не выполняется Должно выполняться условие:  где νС и νQ − значение раскрытие датчика при максимальной нагрузке и нагрузке, соответствующей нестабильному распространению трещины соответственно.  Критерий достоверности не выполняется. Найдем расчетное значение коэффициента интенсивности напряжений, и далее необходимо проверить критерий достоверности.   PQ – нагрузка в точке пересечения с 5%-ной касательной, Н L – расстояние между опорами, мм l – длина нанесенной трещины, мм t – ширина образца, мм b – толщина образца, мм Y – безразмерная гамма-функция отношения l/b u−коэффициент Пуассона E – модуль Юнга   Критерий достоверности:  β = 2,5 (стали, Al и Ti-сплавы) β = 0,6 (чугуны)  м <0.01мКритерий достоверности не выполняется В случае невыполнения условий корректности величин К1с, KQ трещиностойкость металлов оценивают по величинам Кс* δс, JQ. Необходимо для дальнейшего расчета рассчитать условный критический коэффициент интенсивности для образца данной толщины(K*C). Он также рассчитывается, как и KQ, только в формуле вместо PQ используется PC  Вычисление энергетической характеристики J1с производится по формуле   K*C – условный критический коэффициент интенсивности ν – коэффициент Пуассона E – модуль Юнга t – ширина образца b – толщина образца в месте надреза ApС – работа, затраченная на пластическое распространение трещины n – безразмерная функция отношения l/b  Работа, затраченная на пластическое распространение трещины, находится вычислением площади (интеграл) между графиком раскрытия трещины и прямой, параллельной линейному участку и проведенной от точки, соответствующей условному пластическому смещению, до точки максимальной нагрузки. На рисунке 9 представлена заштрихованная область, площадь которой необходимо вычислить.  Рисунок 9. С помощью программы OriginPro был вычислен интеграл до точки Vc. A1=0.1786 Дж Далее из него необходимо вычесть площадь треугольника, который находится ниже фигуры, для которой и считается площадь. Площадь треугольника найдем по формуле:  PC – максимальная нагрузка. P0 – нагрузка в начальном положении. νc – раскрытие датчика при максимальной нагрузке. νpс – условное пластическое смещение  Площадь искомой фигуры будет равна   Раскрытие в вершине трещины при максимальной нагрузке  K*C – условный критический коэффициент интенсивности ν – коэффициент Пуассона E – модуль Юнга σ0,2 – предел текучести rp – plastic rotation factor = 0.44 νpс – условное пластическое смещение z – начальное положение датчика l – длина нанесенной трещины b – толщина образца, мм  ВЫВОДЫ В данной работе при расчете следующие критерии достоверности не были выполнены: м <0.01мИсходя из этого, выбранные параметры образца не удовлетворяют для оценки вязкости разрушения. Следовательно, необходимо было провести испытания при большой толщине образца. В случае невыполнения условий корректности величин К1с, KQ трещиностойкость металлов также можно оценить по величинам Кс* δс, JQ    |