способ определения долговечности образцов из композиционных материалов при циклических нагрузках

Формула изобретения

Способ определения долговечности образцов из композиционных материалов при циклических нагрузках, заключающийся в том, что образец нагружают и разгружают циклически с постоянной скоростью, выбираемой в диапазоне 10³ - 10⁵ Па/с, регистрируют число импульсов электромагнитной эмиссии заданной длительности и амплитуды во времени с момента начала нагружения и определяют кинетические константы прочности и долговечности материала образца, по которым судят о контролируемом параметре, отличающийся тем, что регистрируют число импульсов заданной длительности и амплитуды в течение первого цикла нагружения - разгрузки, фиксируют время нарастания фронта этих импульсов, затем нагружают образец до полного разрушения, регистрируют время нарастания фронта импульса, порождаемого магистральной трещиной разрушения, а кинетические константы прочности и долговечности материала и полное число циклов, которое образец может выдержать до разрушения (долговечность), определяют по измеренным параметрам.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, в частности к контролю прочности и долговечности образцов из композиционных материалов при циклических нагрузках по акустической или электромагнитной эмиссии при трещинообразовании и разрушении.

Известен способ [1] определения долговечности образцов из композиционных материалов, заключающийся в том, что образец нагружают с постоянной скоростью, регистрируют импульсы акустической эмиссии во времени и определяют кинетические константы прочности, по которым рассчитывают долговечность образца. Недостатком этого способа является длительность испытаний при циклических нагрузках.

Наиболее близким к изобретению является способ определения долговечности образцов из композиционных материалов [2], заключающийся в том, что образец нагружают с постоянной скоростью 10³-10⁴ Па/с, регистрируют число импульсов электромагнитной эмиссии заданной длительности и амплитуды во времени от начала нагружения до полного разрушения образца и определяют по измеренным параметрам кинетические константы прочности и долговечности материала образца.

Недостатком данного способа при циклических нагрузках является необходимость проведения большого числа циклов "нагружение - разгрузка" до полного разрушения образца и определения полного числа импульсов N^* до разрушения. Это особенно заметно при малой амплитуде _A циклической нагрузки, составляющей доли процента от разрушающей.

Задачей изобретения является повышение производительности и снижение трудоемкости контроля.

Указанная задача достигается тем, что в способе определения долговечности образцов из композиционных материалов при циклических нагрузках, заключающемся в том, что образец нагружают и разгружают циклически с постоянной скоростью в диапазоне 10³-10⁵ Па/с, регистрируют число импульсов электромагнитной эмиссии заданной длительности и амплитуды во времени на первом цикле нагружения-разгрузки и определяют кинетические константы прочности и долговечности материала образца, фиксируют время нарастания фронта этих импульсов, нагружают образец до полного разрушения, регистрируют время нарастания фронта импульса, порождаемого магистральной трещиной разрушения, а кинетические константы прочности, долговечности материала образца и полное число циклов, которое образец может выдержать до разрушения (долговечность), определяют по измеренным параметрам.

При возникновении микротрещин на границе волокон и связующего компонента, а также внутри волокон или в связующем излучаются короткие импульсы акустической и электромагнитной эмиссии. Время нарастания _н фронта импульсов электромагнитного излучения совпадает со временем роста трещины. Поэтому, регистрируя число импульсов заданной длительности и амплитуды, можно определить число микротрещин заданных размеров, накопленных за определенный промежуток времени.

В качестве адекватной кинетическому процессу трещинообразования математической модели используются уравнения для скорости трещинообразования:



условие необратимости накопления микротрещин заданных размеров:



и концентрационный критерий разрушения:



где N^* - максимальное число микротрещин, накопленное в объеме V образца за полное время t_k с момента начала циклических испытаний до полного разрушения образца; скорость трещинообразования; 10^-13 с - период тепловых атомных колебаний; k - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура; - действующее напряжение как функция времени; U₀, - кинетические константы прочности материала образца, ^м_н - время нарастания фронта импульсов излучения при возникновении микротрещин; ^м_н^.тр - время нарастания фронта импульса при распространении магистральной трещины разрыва образца; H - линейный размер магистральной трещины (высота образца).

Из данных уравнений при постоянных скоростях нагружения-разгрузки можно найти число накопленных импульсов за i циклов:



_A - амплитуда циклической нагрузки;



скорость разгрузки на i-м цикле;

скорость нагружения на i-м цикле.

Для числа импульсов, накопленных за время t_s на первом цикле, аналогично (см. [2]) можно получить:



Откуда, воспользовавшись методом наименьших квадратов (см. [2]), можно найти кинетические константы U₀, по формулам:





H - линейный размер магистральной трещины разрушения, V - объем образца.

Долговечность образца (число полных циклов до разрушения) определяют по формуле



На фиг. 1 показана схема установки, реализующей способ. На фиг. 2 изображен импульс электромагнитного излучения, возникающего при распространении трещин.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом.

Испытуемый образец 1 материала (фиг. 1) с помощью устройства 2 подвергают циклическому нагружению. С помощью антенны 3, усилителя-дискриминатора 5, регистрируют импульсы электромагнитной эмиссии заданной длительности и амплитуды. С помощью счетчика 6 накапливается число импульсов электромагнитной эмиссии, таймер 7 регистрирует текущее время. Накопленное число импульсов N_i и время t_i процесса накопления этих импульсов поступают в запоминающее устройство 8, из которого они могут быть выведены на экран дисплея или принтер. Температура образца выбирается равной температуре воздуха во время испытаний. С помощью запоминающего осциллографа 4 регистрируют и фотографируют отдельные импульсы электромагнитного излучения в процессе испытаний, по которым определяют время нарастания (_н) фронта импульсов (фиг. 2).

Например, нагружают образец фенопласта T266 со скоростью = 1,510⁶ Па/с и разгружают со скоростью = 1,6 10⁶ Па/с. Объем образца V = 1,4710^-6 м³; T = 293 K. За первый цикл нагружения в образце выделяются импульсы (см. табл.) с временем нарастания фронта импульсов 210^-6 с.

Затем нагружают образец, доводя до разрушения, регистрируют время нарастания фронта импульса, порождаемого магистральной трещиной, 20010^-6 с, размер магистральной трещины H = 1,410^-2 м. Используя эти данные, определяют по формулам (6), (7) кинетические константы прочности (U₀, ) материала образца. Получают U₀=1,6910^-19 Дж, = 1,1910^-28 м³. Используя данные эксперимента: = 1,5510⁶ Па/с, _A = 1,9610⁸ Па, T = 293 K, по формуле (11) определяют долговечность образца (i). Получают i = 10,47 цикла. Долговечность образца из этого же материала T266, определенная из эксперимента, составила i = 11,5 циклов. Расхождение экспериментальных и теоретических данных составляет примерно 9%.

Преимущества описанного способа заключаются в следующем:

- импульсы заданной длительности и амплитуды регистрируют на первом цикле нагружения. Это существенно снижает время испытаний и их трудоемкость, поскольку, согласно способу, нет необходимости проводить полное число циклов (иногда до 15000 циклов) до разрушения образца.

- регистрируют время нарастания фронта импульсов, порождаемых микротрещинами ^м_н и магистральной трещиной разрушения ^м_н^.тр. Это дает возможность не определять полное число N^* микротрещин, накопленных за все время циклических испытаний до разрушения образца, то есть не проводить полного цикла испытаний на усталостную прочность.

- кинетические константы прочности (U₀, ) и долговечность (i) определяют по числу накопленных за первый цикл нагружения импульсов заданной длительности и амплитуды, времени процесса и времени нарастания фронта импульсов микротрещин и магистральной трещины разрушения. Это позволяет, не снижая точности прогноза долговечности материала образцов, избежать трудоемких испытаний на усталостную прочность.

Источники информации

1. Башкарев А.Я. и др. Кинетический подход к прогнозированию методом акустической эмиссии прочности и долговечности соединений металл-полимер. ДАН СССР, -1988, т.301, N3, с.595-598.

2. Патент РФ N 2020476, G 01 N 29/14, - 1991.