Приложение Е (обязательное). Испытания на вязкость разрушения

Приложение Е
(обязательное)

Испытания на вязкость разрушения

Е.1 Образцы для испытаний на вязкость разрушения

Е.1.1 Для определения характеристик вязкости разрушения могут применяться два типа образцов:

тип С(Т) - прямоугольные компактные образцы для испытаний на внецентренное растяжение (см. рисунки Е.1-Е.3);

тип SE(B)-10 - образцы типа Шарпи с трещиной для испытаний на трехточечный изгиб (см. рисунки Е.4-Е.6).

На всех образцах типов С(Т) и SE(B)-10 допускается делать боковые канавки.

В= W/2 0,1 мм;

D = max[0,125W или 5 мм];

G = max[0,25W или 7 мм];

N = max[0,06W или 1 мм];

h = (0,45W - 1,5 мм);

0,45W < a < 0,55W

Рисунок Е.1 - Прямоугольный компактный образец типа С(Т) без боковых канавок, конструкция которого предусматривает установку датчика перемещений по линии действия силы

В = W/2 0,1 мм;

N = max[0,006W или 1 мм];

h = (0,45W - 1,5 мм);

0,45W < а < 0,55W

Рисунок Е.2 - Прямоугольный компактный образец типа С(Т) без боковых канавок, конструкция которого предусматривает установку датчика перемещений на его торце

В = W/2 0,1 мм;

N = max[0,06W или 1 мм];

h = (0,45W - 1,5 мм);

0,45W < a < 0,55W;

b = (0,05 - 0,125)W 0,1;

B_N = 0,8В 0,1

Рисунок Е.3 - Прямоугольный компактный образец типа С(Т) с боковыми канавками, конструкция которого предусматривает установку датчика перемещений по линии действия силы

W = 10 0,1 мм;

0,45W < a <0,55W;

B_N = 0,5В 0,1

Рисунок E.4 - Образец типа Шарпи с трещиной, с глубокими боковыми канавками (SE(B)-10/SG50)

W = 10 0,1 мм;

0,45W < а < 0,55W

Рисунок Е.5 - Образец типа Шарпи с трещиной, без боковых канавок (SE(B)-10/SG0)

W = 10 0,1 мм;

0,45W < a < 0,55W;

B_N = 0,8B 0,1

Рисунок E.6 - Образец типа Шарпи с трещиной, с боковыми канавками стандартной глубины (SE(B)-10/SG20)

Е.1.2 Для определения характеристик вязкости разрушения в качестве основного следует применять образец типа С(Т) (см. рисунок Е.1 или Е.3), позволяющий устанавливать датчик перемещения по линии действия силы. Допускается применять образец типа С(Т) с установкой датчика на торцевой поверхности на расстоянии 0,25W от линии действия силы (см. рисунок Е.2).

Е.1.3 При невозможности использовать для определения характеристик вязкости разрушения образцы типа С(Т) допускается использовать образцы типа SE(B)-10.

Е.1.4 Принятая технология вырезки и изготовления образцов должна обеспечить минимальные остаточные напряжения, не создавать наклепа, а также исключить изменения структуры и фазового состава в зоне разрушения образцов.

Е.2 Наведение усталостных трещин в образцах

Е.2.1 Начальная длина трещины, принимаемая равной суммарной глубине механического надреза и длине наведенной усталостной трещины, должна быть в пределах а₀ = 0,5W  0,05W. Для всех типов образцов при соблюдении начального размера трещины а₀ глубина участка выращиваемой усталостной трещины должна быть не менее 1,5 мм. Выращивание усталостной трещины допускается производить в две стадии. На первой стадии производят инициирование трещины, на второй - ее "заострение". Продвижение фронта трещины на стадии "заострения" должно быть не менее 0,6 мм.

Коэффициент асимметрии цикла R при циклическом нагружении должен быть в пределах 0,01 < R < 0,1.

Е.2.2 На стадии инициирования трещины из надреза максимальная величина K_l в цикле нагружения, K_max, должна удовлетворять условию

,

(Е.1)

где - значение вязкости разрушения для температуры испытаний при P_f = 0,05 и толщине образца B_N.

Дополнительным ограничением на стадии инициирования трещины является условие

,

(Е.2)

где - предел текучести при температуре создания трещины Т⁽¹⁾ (см. приложение Г);

- максимальное номинальное напряжение в нетто сечении образца, определяемое по следующим формулам:

для образцов типа SE(B)-10 при S = 4W, где S - расстояние между опорами

,

(Е.3)

для образцов типа С(Т):

.

(Е.4)

E.2.3 На стадии "заострения" трещины максимальная нагрузка в цикле должна быть такой, чтобы было выполнено условие:

.

(Е.5)

Кроме того, должны быть выполнены следующие дополнительные условия

,

(Е.6)

,

(Е.7)

где N₃ - количество циклов на стадии "заострения" трещины.

Примечания

1 В формулах (Е.1) и (Е.5) в качестве допускается принимать значение параметра K_min = 20 .

2 Если трещину создают при температуре T⁽¹⁾ испытывают образец при температуре Т⁽²⁾, то в формулах (Е.1) и (Е.5) вместо величины подставляют , где и - пределы текучести материалов для температур T = T⁽¹⁾ и T = T⁽²⁾ соответственно.

Е.2.4 Значение , полученное с учетом Е.2.3, сравнивается с  , где - пороговое значение размаха КИН при коэффициенте асимметрии цикла, равном R, рассчитывают по формуле

,

(Е.8)

где .

Допускается принимать  = 9 .

Если   1,3, то максимальную нагрузку в цикле определяют из условия .

Е.3 Процедура испытаний

Е.3.1 Представленная в настоящем приложении процедура испытаний разработана на основе требований ГОСТ 25.506. При отсутствии в настоящем стандарте описания или разъяснения какого-либо конкретного положения следует руководствоваться требованиями ГОСТ 25.506.

Е.3.2 Для определения вязкости разрушения следует использовать испытательные машины с механическим, гидравлическим, электрогидравлическим или другим приводом, метрологические параметры которых удовлетворяют требованиям ГОСТ 28840. При испытаниях могут применяться оборудование, приспособления, измерительные средства и аппаратура, требования к которым определены ГОСТ 25.506.

Е.3.3 Испытания на вязкость разрушения образцов любого типа следует производить на испытательных машинах, оборудованных датчиками и аппаратурой для регистрации диаграмм "нагрузка - перемещение".

При испытаниях на изгиб следует измерять перемещение нагружающего ножа относительно опор или поверхностей под опорами (прогиб образца).

При испытании на внецентренное растяжение компактных образцов допускается измерять перемещение кромок надреза на торцевой поверхности на расстоянии 0,25W от линии действия силы. В этом случае перемещение по линии действия силы определяют делением измеренных значений перемещения на коэффициент K_v, рассчитанный по формуле

.

(Е.9)

Е.3.4 Испытания следует проводить в термокриокамерах, при этом необходимо соблюдать требования к испытаниям, установленные ГОСТ 1497, ГОСТ 22706, ГОСТ 11150, ГОСТ 9651. На образцах толщиной более 10 мм необходимо установить термопару в районе вершины трещины на глубину, равную половине толщины образца. На образцах толщиной менее 10 мм допускается приваривать термопару на боковую поверхность образца.

Е.4 Выбор температуры испытаний

Е.4.1 В условиях ограниченного количества испытываемых образцов оптимальный выбор температуры испытаний должен преследовать цель обеспечения максимальной доли корректных значений K_JC. С другой стороны необходимо обеспечить выполнение условия K_JC(med)  50 . В связи с этим выполняют следующий порядок выбора температур испытаний для образцов облучаемых комплектов:

Е.4.1.1 Определяют значение Т_к для испытываемого состояния:

а) на основе экспериментальных данных по имеющимся результатам испытанных образцов на ударный изгиб в том же состоянии и обработанных в соответствии с приложением Д;

б) при отсутствии экспериментальных данных по ударным испытаниям материала в исследуемом состоянии допускается определять значение Т_к по формуле

,

(Е.10)

где Т_к0 - значение критической температуры хрупкости, полученное на дополнительном (контрольном) комплекте ОС;

- расчетное значение сдвига критической температуры хрупкости.

В формуле (Е.10) допускается использовать вместо Т_к0 паспортные значения критической температуры хрупкости металла КР в исходном состоянии .

Е.4.1.2 Температуру испытания первого ОС, °С, выбирают из интервала

.

(Е.11)

Е.4.2 При известном значении референтной температуры Т_исп принимается равной Т₀.

Е.4.3 Температура испытаний последующих образцов в группе может быть уточнена (в сторону увеличения или уменьшения) в процессе испытаний:

а) если для каждого из трех первых испытанных образцов K_JC < 50 , то температура испытаний должна быть увеличена;

б) если при испытании очередного образца K_JC > K_JC(lim), то последующие образцы должны быть испытаны при меньшей температуре.

Е.5 Нагружение образца

Е.5.1 Скорость нагружения определяют скоростью перемещения нагружающей траверсы испытательной машины, которая рассчитывается из условия

,

(Е.12)

где - скорость нагружения образца с трещиной на упругом участке.

При этом время достижения максимума нагрузки не должно превышать 10 мин.

Е.5.2 Нагружение образца следует выполнять до возникновения хрупкого разрушения, т.е. до резкого снижения нагрузки на диаграмме "нагрузка - перемещение", или появления на диаграмме резко выраженного скачка (или нескольких скачков), т.е. появление локального максимума (см. рисунок Е.7). Если при нагружении образца вплоть до падения нагрузки после прохождения максимума до 0,9Р_max (Р_max - максимальная нагрузка) не произойдут резкие скачки нагрузки на диаграмме "нагрузка - перемещение", а также отсутствует хрупкое разрушение, то такое разрушение образца считают вязким и данное испытание учитывают в расчетах как некорректное при анализе условий Е.9.5 и Е.9.6.

Е.5.3 После появления на диаграмме локального скачка нагрузки следует оценить его значимость путем графических построений, изображенных на рисунке Е.7.

На диаграмме деформирования проводят линию СВ, параллельную начальному линейному участку диаграммы и проходящую через точку В (нагрузка инициирования скачка трещины). Затем проводят секущую CF, имеющую наклон на 5 % меньше, чем линия СВ. Если при этом точка G, соответствующая моменту остановки трещины при скачке, находится вне угла BCF, то скачок признают значимым [см. рисунок Е.7, а)]. После окончания испытания визуально на изломе следует установить характер скачка трещины - хрупкий или вязкий. Измерение величины скачка производят на оптическом микроскопе в соответствии с Е.4.2. Испытание считают состоявшимся, если на изломе обнаружен хрупкий подрост трещины.

Е.5.4 Если при первом скачке точка G, соответствующая моменту остановки трещины при скачке, находится внутри угла BCF [см. рисунок Е.7 б)], следует продолжить нагружение до возникновения хрупкого разрушения образца или появления на диаграмме значимого скачка трещины. Если при дальнейшем нагружении образца происходит несколько последовательных хрупких скачков трещины, то для каждого скачка выполняют оценку его значимости по процедуре, изложенной в Е.5.3 или в настоящем пункте.

В качестве расчетной принимают нагрузку инициирования первого значимого скачка трещины. При этом оценку докритического подроста трещины определяют как вязкий подрост (подрост трещины за исключением хрупких скачков) трещины до первого значимого скачка. Допускается оценивать докритический подрост трещины как общий подрост по вязкому и хрупкому механизмам до первого значимого скачка.

Примечание - Длина отрезка DE = 0,95 длины отрезка BD.

Рисунок Е.7 - Процедура оценки значимости скачка трещины

Е.6 Измерение размеров образца

Е.6.1 До проведения испытания следует измерить основные размеры образца: толщину брутто В, толщину нетто B_N, ширину W и глубину надреза с погрешностью не более 0,5 % измеряемой величины или 0,05 мм (принимается наибольшая величина).

Е.6.2 После разрушения образца на изломе оптическим методом измеряют начальную длину усталостной трещины с погрешностью 0,1 мм, а также величину стабильного подроста трещины и величину хрупкого "проскока" трещины с погрешностью не более 0,1 мм.

Е.6.3 Измерение длины трещины на изломе образца в зависимости от его толщины следует выполнять следующим образом:

- отступить от боковой поверхности образца или от вершины бокового надреза на величину 1 % от В (или B_N) или на 0,1 мм (принимается наибольшая величина) с каждой стороны симметрично и разделить оставшуюся толщину образца на четыре равные части (для образцов толщиной 12,5 мм и менее) симметрично относительно середины толщины образца. Для образцов толщиной более 12,5 мм расстояние 0,98В следует разделить на восемь равных частей;

- произвести измерение длины трещины в отмеченных точках, т.е. сделать соответственно пять и девять измерений в зависимости от толщины образца;

- среднее значение из двух измерений в крайних точках (близких к боковым поверхностям) просуммировать с остальными измерениями (с тремя или семью) и определить среднее значение из четырех или восьми значений соответственно.

Е.6.4 Величину стабильного подроста трещины измеряют также в пяти или девяти точках в зависимости от толщины и вычисляют по той же процедуре, что и длину трещины.

Е.7 Обработка результатов испытаний

Е.7.1 Обработка результатов испытаний предусматривает вычисление K_JC в зависимости от типа полученных диаграмм "нагрузка - перемещение", а также последующее определение величин K_JC(med) и .

1 - 5 %-ная секущая: tg = 0,95tg; Р_с - нагрузка при разрушении образца; P_D - нагрузка локального максимума

Рисунок Е.8 - Типы кривых "нагрузка - перемещение"

Е.7.2 Для линейных диаграмм типа I по ГОСТ 25.506 (см. рисунок Е.8) K_IС = K_е. Параметр K_е рассчитывают по измеренной величине разрушающей нагрузки Р_с и начальной длине трещины а₀.

а) для образцов типа С(Т) K_e рассчитывают по формуле

,

(Е.13)

где .

б) для образцов типа SE(B)-10 K_е рассчитывают по формуле

,

(Е.14)

где ;

S - расстояние между опорами;

B_ef - эффективная толщина образцов, рассчитываемая по формуле

.

Примечание - Формула применима при 0,25 <  < 0,50.

Е.7.3 Для нелинейных диаграмм типов III и IV по ГОСТ 25.506 (см. рисунок Е.8) определяют пластическую часть работы разрушения А_Р. Параметр А_Р рассчитывают как заштрихованную площадь под кривой P(V) (см. рисунок Е.9).

Далее рассчитывают значение J_C по формуле

,

(Е.15)

где K_е - параметр, рассчитываемый по формулам (Е.13) и (Е.14);

,

.

По рассчитанному значению J_C определяют соответствующую величину K_JC по формуле

.

(Е.16)

Е.7.4 Для диаграмм типа II по ГОСТ 25.506 (см. рисунок Е.8) с резко выраженным локальным максимумом, обусловленным хрупким скачком трещины, расчет выполняют по формулам (Е.13), (Е.14) при расположении локального максимума (скачка) на линейном участке диаграммы; или по формулам (Е.13), (Е.14) и (Е.15) при расположении локального максимума (скачка) на нелинейном участке диаграммы. Предварительно следует выполнить оценку значимости скачка трещины в соответствии с процедурой, изложенной в Е.5. В случае значимого скачка вычисление K_IС и K_JC проводят по нагрузке локального максимума.

Примечание - Прямая 2 - 3 параллельна прямой 0 - 1.

Рисунок Е.9 - Пример определения А_Р

Е.8 Количество образцов

Е.8.1 Для построения зависимости K_JC(T) для одного состояния материала испытывают не менее 12 ОС.

Достаточное количество корректно испытанных ОС для получения зависимости K_JC(T) определяют в соответствии с разделом Е.9.

Е.9 Корректность результатов испытаний

Е.9.1 Испытание считают несостоявшимся, если при измерении начальной длины трещины любое из девяти (при B_N > 8 мм) или пяти (при B_N  8 мм) измерений отличается от средней длины трещины более чем на 7 % или 0,5 мм (принимается большая величина). При этом результаты данного испытания исключают из всех последующих расчетов.

Е.9.2 Испытание считают несостоявшимся, если образец разрушился вязко (отсутствует хрупкий проскок трещины). При этом результат данного испытания исключают из расчетов по приложению Е, но учитывают как некорректный при расчете достаточности количества испытаний по Е.9.5 и Е.9.6.

Е.9.3 Для всех испытаний, за исключением считающихся несостоявшимися согласно Е.9.1, Е.9.2 анализируют корректность испытаний:

а) для анализа корректности полученных в соответствии с разделом Е.7 значений K_JC, выполняют их сопоставление с величиной K_JC(lim) рассчитываемой по следующей формуле:

,

(Е.17)

где b = min (В, W - a₀, а₀);

,

где Е - модуль упругости при температуре испытания;

- коэффициент Пуассона;

- предел текучести материала при температуре испытания [4], [5].

б) испытание считают корректным, если выполняются следующие условия:

,

(Е.18)

,

(Е.19)

где - величина вязкого подроста трещины;

в) в случае если выполняется условие (Е.19) и не выполняется условие (Е.18), то испытание считают некорректным и для дальнейших расчетов принимают K_JC = K_JC(lim).

г) в случае если не выполняется условие (Е.19) и выполняется условие (Е.18), то испытание считают некорректным только при расчете достаточного количества корректных испытаний по Е.9.5 и Е.9.6; значение K_JC не корректируют.

д) в случае если не выполняется условие (Е.19) и не выполняется условие (Е.18), то испытание считается некорректным и для дальнейших расчетов принимается K_JC = K_JC(max), где K_JC(max) - максимальное из корректных значений K_JC, полученных при данной температуре испытаний.

Е.9.4 Результаты некорректных испытаний, скорректированные по перечислениям в) - д) Е.9.3, учитывают при дальнейшей обработке данных в Е.9.5, Е.9.6 и разделе 3.8.

Е.9.5 При однотемпературных испытаниях должны быть выполнены требования к минимальному числу корректных испытаний образцов r (Е.20) и к соотношению некорректных испытаний образцов (N-r) к общему числу испытанных образцов N (Е.21):

,

(Е.20)

.

(Е.21)

Значения [r] и [] представлены в таблице Е.1.

Если какое-либо из условий (Е.20) или (Е.21) не выполняется, то все испытания при данной температуре исключают из рассмотрения.

Таблица Е.1 - Требования к минимальному числу корректных испытаний [r] и к отношению числа некорректных к общему числу испытанных образцов []

N интервала KJC(med)	Интервал KJC(med), (для BN = 25 мм)	Минимальное число корректных испытаний [r]	Весовой фактор ni	[]
1	84-212	6	n1 = 1/6	1/3
2	66-83	7	n2 = 1/7	1/4
3	50-65	8	n3 = 1/8	0

Е.9.6 При многотемпературных испытаниях для каждой температуры испытаний должно быть выполнено условие (Е.21) для каждого интервала K_JC(med) из таблицы Е.1. Если условие (Е.21) не выполняется, то все испытания при данной температуре исключают из рассмотрения.

Количество корректных испытаний при многотемпературных испытаниях считают достаточным, если выполнено следующее требование

,

(Е.22)

где r_i - число корректных значений K_JC (с учетом отбраковки по условию (Е.21) и примечанию 2), соответствующих i-му интервалу K_JC(med) в соответствии с таблицей Е.1;

n_i - весовой фактор этого интервала.

Примечания

1 Расчет K_JC(med) для определения номера интервала согласно таблице Е.1 для каждой температуры испытаний выполняют по формуле (Е.27), где значение определяют по формулам (Е.27) или (Е.28) раздела Е.10.

2 Если при оценке результатов по Е.9.5, Е.9.6 K_JC(med) < 50 , то все испытания при данной температуре исключают из рассмотрения.

Е.10 Определение параметров и Т₀

Е.10.1 Полученные с учетом Е.9 значения K_JC пересчитывают по формуле на длину фронта трещины B_N = 25 мм

,

(Е.23)

где , - значения вязкости разрушения для образцов с длиной фронта трещины В_Х и В_Y (для образцов с боковыми канавками - расстояние между вершинами боковых канавок; для образцов без боковых канавок - толщина образца), при одной и той же вероятности P_f.

а) в случае однотемпературных испытаний в соответствии с методом наибольшего правдоподобия определяют параметр масштаба K₀ по формуле

,

(Е.24)

где N - общее число испытанных образцов, за исключением указанных в Е.9.2 и Е.9.5;

r - число корректно испытанных образцов.

Далее K_JC(med) рассчитывают по формуле

(Е.25)

б) по известному K_JC(med) при T = T_исп определяют значение параметра по формуле

,

(E.26)

где K_JC(med), в , Т_исп в °С.

в) в случае многотемпературных испытаний параметр определяют посредством решения нелинейного уравнения

,

(Е.27)

где K_JC(i) - значение K_JC, полученное из эксперимента при Т_исп = Т_i, - равно 1, если K_JC(i) корректно, и равно 0, если данное значение некорректно; N - общее число испытанных образцов за исключением указанных в Е.9.2 и Е.9.6.

Е.10.2 Одновременно с определением параметра определяют референтную температуру T₀. При определении параметра T₀ используются те же самые результаты испытаний на вязкость разрушения и методология их обработки, что и при определении параметра :

а) в случае однотемпературных испытаний по известному K_JC(med) при T = T_исп [см. формулу (Е.25)] определяют значение параметра T₀ по формуле

,

(Е.28)

где K_JC(med) в ; T₀, T_исп в °С.

б) в случае многотемпературных испытаний параметр Т₀ определяют посредством решения нелинейного уравнения

,

(Е.29)

где K_JC(i) - значение K_JC, полученное из эксперимента при T_исп = Т_i, равно 1, если K_JC(i) корректно, и равно 0, если данное значение некорректно; N - общее число испытанных образцов, за исключением указанных в Е.9.2 и Е.9.6.