способ контроля прочности изделий из твердых материалов

Формула изобретения

Способ неразрушающего контроля прочности изделий, заключающийся в том, что контролируемое изделие подвергают механическому воздействию с помощью электромеханического ударного устройства с нормированной силой ударного возбуждения, измеряют амплитуду электромагнитного сигнала, характеризующую внутреннюю неоднородность изделия, с помощью Фурье-преобразования рассчитывают амплитудно-частотную характеристику электромагнитного сигнала, из которой определяют частоту основного максимума, длительность переднего фронта сигнала, характеризующую поверхностную твердость изделия, определяют обобщенный параметр (Р), сравнивают определенную таким образом величину с предварительно установленной эмпирической зависимостью, связывающей параметр Р с механической прочностью, по результатам сравнения определяют прочность изделия, отличающийся тем, что перед механическим воздействием измеряют влажность и температуру окружающей среды и по предварительно установленным градуировочным зависимостям определяют коэффициент влажности и температурный коэффициент, измеренные величины подставляют в аналитическую формулу и рассчитывают обобщенный параметр (Р): P=t+k₁k₂A/A _max· 1/f где t - длительность переднего фронта электромагнитного сигнала, мкс, А - амплитуда электромагнитного сигнала, В, А_max - максимальная амплитуда электромагнитного сигнала (аппаратурная), В, f - частота основного максимума спектральной характеристики электромагнитного сигнала, МГц, k₁ - коэффициент влажности, k₂ - температурный коэффициент.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области исследования прочностных свойств твердых материалов путем приложения к ним механических усилий, а именно к способам неразрушающего контроля прочности твердых материалов посредством приложения ударных нагрузок, и может найти применение для определения механической прочности изделий из твердых материалов, например из бетона.

Известен способ определения прочности изделия (метод склерометрии), заключающийся в том, что изделие подвергают воздействию ударной нагрузки и регистрируют величину отскока бойка механического ударника, по которому определяют механическую прочность (ГОСТ 22690-88). Недостатком способа является его нечувствительность к внутренним неоднородностям, которые в ряде случаев существенным образом влияют на прочность изделия.

Известен также способ определения прочности изделия, заключающийся в том, что изделие подвергают механическому нагружению до испытательной нагрузки и регистрируют электромагнитное излучение, а о величине прочности судят по среднему числу импульсов в единицу времени (А.с. №932352). Недостатком способа является то, что при механическом нагружении до испытательной нагрузки, которая в среднем составляет 0.3 от разрушающей, в изделии возникают нарушения, которые могут ухудшить качество испытываемого изделия. Кроме того, существует целый ряд материалов, в которых электромагнитное излучение возникает только при нагрузках, близких к разрушающим.

Наиболее близким, принятым за прототип, является способ определения прочности, основанный на использовании явления генерирования электромагнитной эмиссии твердыми телами при их слабом ударном возбуждении (Суржиков А.П., Фурса Т.В. Способ контроля прочности изделий из твердых материалов.//патент на изобретение №2190204 с приоритетом от 27.11.2000 г.). Согласно способу контролируемое изделие подвергают механическому воздействию с помощью электромеханического ударного устройства с нормированной силой ударного возбуждения, измеряют амплитуду электромагнитного сигнала, характеризующую внутреннюю неоднородность изделия, с помощью Фурье-преобразования рассчитывают амплитудно-частотную характеристику электромагнитного сигнала, из которой определяют частоту основного максимума, измеряют длительность переднего фронта сигнала, характеризующую поверхностную твердость изделия, измеренные величины подставляют в аналитическую формулу и рассчитывают обобщенный параметр (Р):

где t - длительность переднего фронта электромагнитного сигнала, мкс,

А - амплитуда электромагнитного сигнала, В,

А_max - максимальная амплитуда электромагнитного сигнала (аппаратурная), В,

f - частота основного максимума спектральной характеристики электромагнитного сигнала, МГц,

сравнивают определенную таким образом величину с предварительно установленной эмпирической зависимостью, связывающей параметр Р с механической прочностью, по результатам сравнения определяют прочность изделия.

Недостатком способа является недостаточно высокая точность определения прочности - порядка 10-18%. Кроме того, в некоторых случаях, при испытании материалов наблюдаются значительные отклонения прогнозируемой по данному способу прочности от реальной прочности.

Задачей изобретения является повышение точности определения прочности изделий из твердых материалов и возможности его использования в любых климатических условиях.

Решение данной задачи предлагается осуществлять следующим способом. Измеряют температуру и влажность окружающей среды. Контролируемое изделие подвергают механическому воздействию с помощью электромеханического или иного ударного устройства с нормированной силой ударного возбуждения. Измеряют амплитуду электромагнитного сигнала, характеризующую внутреннюю неоднородность изделия, и с помощью Фурье-преобразования рассчитывают амплитудно-частотную характеристику электромагнитного сигнала, из которой определяют частоту основного максимума. Измеряют длительность переднего фронта сигнала, характеризующую поверхностную твердость изделия. По градуировочным зависимостям определяют коэффициент влажности (k₁) и температурный коэффициент (k₂). Измеренные величины подставляют в аналитическую формулу и рассчитывают обобщенный параметр (Р):

где t - длительность переднего фронта электромагнитного сигнала, мкс,

А - амплитуда электромагнитного сигнала, В,

A_max - максимальная амплитуда электромагнитного сигнала (аппаратурная), В,

f - частота основного максимума спектральной характеристики электромагнитного сигнала, МГц,

k₁ - коэффициент влажности,

k₂ - температурный коэффициент.

Затем сравнивают величину Р с предварительно установленной эмпирической зависимостью, связывающей параметр Р с механической прочностью, и по результатам сравнения определяют прочность изделия.

Следовательно, новизна предлагаемого изобретения заключается в том, что измеряют влажность и температуру окружающей среды, определяют коэффициент влажности и температурный коэффициент, а прочность изделия определяют по формуле

Физическая сущность способа определения прочности изделий основывается на взаимосвязи амплитудно-частотных характеристик электромагнитного сигнала с качеством адгезионного контакта в композиционных материалах и длительности переднего фронта, с поверхностной твердостью и учете влияния внешней среды на параметры электромагнитного сигнала. Проведенными исследованиями показано, что на параметры электромагнитного сигнала на ударное возбуждение существенное влияние оказывает температура и влажность среды, в которой производится испытание изделий. На фиг.1 приведена зависимость амплитуды электромагнитного сигнала из образцов бетона от влажности окружающей среды. Данная зависимость была получена следующим образом: в климатическую камеру помещался образец бетона и производилось его многократное испытание по методике, описанной в патенте (Суржиков А.П., Фурса Т.В. Способ контроля прочности изделий из твердых материалов//патент на изобретение №2190204 с приоритетом от 27.11.2000 г.) при различных значениях влажности. Используемое нами слабое ударное возбуждение в области упругой деформации даже при многократном возбуждении изделия не приводит к его нарушению. Испытания проводят следующим образом. Образец помещают на испытательный стол, на верхнюю поверхность образца устанавливают ударное устройство, а измерительный электромагнитный датчик устанавливают на расстоянии 3 мм от боковой поверхности. С помощью прибора “EMISSION”, совмещенного с ЭВМ (Гордеев В.Ф., Елисеев В.П., Малышков Ю.П., Чахлов В.Л., Кренинг М. Аппаратура для контроля качества неметаллических материалов и изделий по характеристикам электромагнитной эмиссии//Дефектоскопия. - 1994. - №4. - С.48-54), осуществляют с пульта управления автоматический запуск ударного устройства и оцифровку электромагнитного сигнала. С помощью ЭВМ с использованием стандартных программ амплитуду сигнала (А) (фиг.4). Затем таким же образом производят испытание при другом значении влажности в климатической камере. Таким образом производятся измерения во всем выбранном диапазоне изменения влажности. Полученные данные по температуре испытания и амплитуде электромагнитного сигнала заносят в таблицу 1. На ЭВМ с помощью стандартной программы "Origin 5.0 Professional" проводят линейную аппроксимацию и получают искомую градуировочную зависимость влажность-амплитуда электромагнитного сигнала. Коэффициент влажности находится следующим образом: измеряется влажность окружающей среды, в которой производится испытание изделия, затем на влажностной градуировочной зависимости (фиг.1) находится значение амплитуды, соответствующее этой влажности (A₁), и значение амплитуды (А₂) из этой же градуировочной зависимости для влажности, при которой была получена эмпирическая зависимость обобщенного параметра электромагнитного отклика от прочности бетона (фиг.3). Коэффициент влажности k₁=A₂/A₁ .

Испытания изделий могут производиться при различных температурах, в том числе и при отрицательных, поэтому для повышения точности предлагаемого способа необходимо контролировать температуру и вводить температурный коэффициент, который позволит привести амплитуду регистрируемого при температуре испытания электромагнитного сигнала к той амплитуде, которая бы имела место при температуре, при которой была получена градуировочная зависимость обобщенного электромагнитного параметра от прочности изделия. Зависимость, изображенная на фиг.2, и является градуировочной для определения температурного коэффициента. Градуировочная зависимость также была получена в климатической камере при многократном испытании одного и того же образца бетона при изменении температуры в камере. Из фиг.2 видно, что наиболее существенные изменения амплитуды электромагнитного сигнала наблюдаются при переходе в отрицательную область температур. Возрастание величины электромагнитного сигнала с переходом в область отрицательных температур может быть связано с процессом обледенения. Обледенение приводит к появлению дополнительных двойных электрических слоев на границах льда с бетоном. Это приводит к увеличению эффективной площади двойных электрических слоев, возбуждаемых акустической волной. Данная зависимость была получена следующим образом: в климатическую камеру помещался образец бетона и производилось его многократное испытание по методике, описанной в патенте (Суржиков А.П., Фурса Т.В. Способ контроля прочности изделий из твердых материалов//патент на изобретение №2190204 с приоритетом от 27.11.2000 г.) при различных значениях температуры. Используемое нами слабое ударное возбуждение в области упругой деформации даже при многократном возбуждении изделия не приводит к его нарушению. Испытания проводят следующим образом. Образец помещают на испытательный стол, на верхнюю поверхность образца устанавливают ударное устройство, а измерительный электромагнитный датчик устанавливают на расстоянии 3 мм от боковой поверхности. С помощью прибора “EMISSION”, совмещенного с ЭВМ (Гордеев В.Ф., Елисеев В.П., Малышков Ю.П., Чахлов В.Л., Кренинг М. Аппаратура для контроля качества неметаллических материалов и изделий по характеристикам электромагнитной эмиссии//Дефектоскопия. - 1994. - №4. - С.48-54), осуществляют с пульта управления автоматический запуск ударного устройства и оцифровку электромагнитного сигнала. С помощью ЭВМ с использованием стандартных программ амплитуду сигнала (А) (фиг.4). Затем таким же образом производят испытание при другом значении температуры в климатической камере. Таким образом производятся измерения во всем выбранном диапазоне изменения температур. Полученные данные по температуре испытания и амплитуде электромагнитного сигнала заносят в таблицу 2. Данная зависимость (фиг.2) достаточно хорошо описывается полиномом второго порядка. На ЭВМ с помощью стандартной программы "Origin 5.0 Professional" проводят аппроксимацию полиномом второго порядка и получают искомую градуировочную зависимость температура-амплитуда электромагнитного сигнала. Температурный коэффициент находится следующим образом: измеряется температура окружающей среды, в которой производится испытание изделия, затем на влажностной градуировочной зависимости (фиг.2) находится значение амплитуды, соответствующее этой температуре (B₁), и значение амплитуды (В₂) из этой же градуировочной зависимости для температуры, при которой была получена эмпирическая зависимость обобщенного параметра электромагнитного сигнала от прочности бетона (фиг.3). Температурный коэффициент k₂=B₂/B₁.

Значение прочности изделия определяется по предварительно установленной эмпирической зависимости, связывающей параметр (Р) с механической прочностью изделия при определенном значении температуры и влажности окружающей среды.

Эмпирическая зависимость устанавливается следующим образом. Берется некоторое количество изделий, обычно не менее 10, и производится их испытание по методике, описанной в патенте (Суржиков А.П., Фурса Т.В. Способ контроля прочности изделий из твердых материалов.//патент на изобретение №2190204 с приоритетом от 27.11.2000 г.) с помощью конкретного измерительного прибора, имеющего определенные технические характеристики (чувствительность, амплитудно-частотную характеристику, частоту оцифровки электромагнитного сигнала и т.п.). Измеряется температура и влажность стандартными приборами. При установлении эмпирической зависимости коэффициенты k₁ и k₂ равны единице, так как в этом случае температура и влажность окружающей среды, при которой производится испытание и определение обобщенного параметра Р и разрушение образцов, совпадают. На основании проведенных испытаний вычисляется по формуле

величина обобщенного электромагнитного параметра (Р) для каждого изделия. Затем эти изделия разрушаются на прессе и определяется их механическая прочность. На основе этих испытаний и определяется эмпирическая зависимость, связывающая параметр (Р) с механической прочностью изделия, для конкретного типа измерительного прибора. Эмпирическая зависимость устанавливается на конкретном измерительном приборе, с помощью которого в дальнейшем и осуществляется контроль прочности, а при изменении типа измерительного прибора и вида испытываемых изделий следует произвести установление эмпирической зависимости заново.

Измерение параметров окружающей среды и их учет позволяют повысить точность способа и избежать значительных погрешностей в определении прочности по данному способу, когда температура и влажность окружающей среды при испытании изделий существенно отличаются от температуры и влажности окружающей среды, в которой было произведено установление эмпирической зависимости прочности от обобщенного параметра. Кроме того, линейная аппроксимация эмпирической зависимости прочности от обобщенного параметра, полученная при одинаковом значении температуры и влажности окружающей среды, дает коэффициент корреляции R=0,88, в то время как при использовании прототипа коэффициент корреляции составлял 0,82.

На фиг.1 приведена зависимость амплитуды электромагнитного сигнала в зависимости от влажности окружающей среды, на которой показаны амплитуда электромагнитного сигнала при испытательной влажности (A₁) и амплитуда для влажности, при которой была получена эмпирическая зависимость обобщенного параметра электромагнитного сигнала от прочности бетона (А₂).

На фиг.2 приведена зависимость амплитуды электромагнитного сигнала в зависимости от температуры окружающей среды, на которой показаны амплитуда электромагнитного сигнала при температуре испытания (B₁) и амплитуда для температуре, при которой была получена эмпирическая зависимость обобщенного параметра электромагнитного сигнала от прочности бетона (B₂).

На фиг.3 приведена зависимость обобщенного электромагнитного параметра (Р) от прочности образцов бетона.

На фиг.4 приведена амплитудно-временная зависимость электромагнитного сигнала из образца бетона, на которой показаны: длительность переднего фронта сигнала (t) и амплитуда сигнала (А).

На фиг.5 приведена амплитудно-частотная характеристика электромагнитного сигнала, где стрелкой показана частота основного максимума спектра (f).

В таблице 1 приведены значения амплитуды электромагнитного сигнала из одного и того же образца бетона, зарегистрированные при различных значениях влажности окружающей среды.

В таблице 2 приведены значения амплитуды электромагнитного сигнала, зарегистрированные при различных значениях температуры окружающей среды.

В таблице 3 приведены значения обобщенного параметра (Р), полученные при испытании по предложенному способу образцов тяжелого бетона размером (100×100×100) мм³ с заполнителем в виде щебня, изготовленных по ГОСТ 10180-90, и значения их прочности, определенные путем разрушения на прессе по ГОСТ 2280-90 при температуре окружающей среды 25°С и влажности 62%.

Установление эмпирической зависимости производится аналогично тому, как это описано в прототипе, но с предварительным определением температуры и влажности окружающей среды с помощью стандартных приборов: термометра - для измерения температуры и гигрометра - для измерения влажности. В частности, приведенная зависимость обобщенного электромагнитного параметра от прочности (фиг.3) получена при температуре 27°С и влажности 62%. Для образцов тяжелого бетона размером (100×100×100) мм³ с заполнителем в виде щебня, изготовленных по ГОСТ 10180-90, проведено установление эмпирической зависимости. Для установления эмпирической зависимости использована партия образцов, состоящая из 18 образцов. Установление эмпирической зависимости проводят следующим образом. Образец помещают на испытательный стол, на верхнюю поверхность образца устанавливают ударное устройство, а измерительный электромагнитный датчик устанавливают на расстоянии 3 мм от боковой поверхности. С помощью того же прибора “EMISSION”, совмещенного с ЭВМ, осуществляют с пульта управления автоматический запуск ударного устройства и оцифровку электромагнитного сигнала. На ЭВМ с использованием стандартных программ производят обработку сигнала: измеряют длительность переднего фронта сигнала (t), амплитуду сигнала (А) (фиг.4), осуществляют Фурье-преобразование и определяют частоту основного максимума спектра (f) (фиг.5). Измеренные величины подставляют в аналитическую формулу и определяют величину параметра (Р) образца бетона. Таким же образом проводят испытания всех 18 образцов бетона, составляющих партию. В таблицу 3 заносят значения обобщенного параметра (Р), полученные в результате проведенных испытаний образцов бетона. Затем производят определение прочности этих же образцов бетона путем их разрушения на прессе по ГОСТ 2280-90. В таблицу 3 заносят значения механической прочности образцов. На основе данных таблицы 1 строят эмпирическую зависимость обобщенного параметра (Р) от механической прочности образцов бетона (фиг.3). На ЭВМ с помощью стандартной программы "Origin 5.0 Professional" проводят линейную аппроксимацию и получают искомую эмпирическую зависимость “обобщенный параметр (Р) - прочность”, которая для образцов тяжелого бетона размером (100×100×100) мм³ с заполнителем в виде щебня, изготовленного по ГОСТ 10180-90 при температуре окружающей среды 25°С и влажности 62%, описывается уравнением прочность=50-0,3·Р, МПа, с коэффициентом корреляции R=0,87. Затем полученная эмпирическая зависимость используется для неразрушающего контроля прочности образцов бетона такого вида с помощью этого же прибора.

В качестве примера осуществления предлагаемого способа приведем испытание образца тяжелого бетона размером (100×100×100) мм³ с заполнителем в виде щебня, изготовленного по ГОСТ 10180-90. Перед проведением испытания измеряют температуру с помощью термометра и влажность окружающей среды гигрометром. Температура оказалась равной 19°С и влажность 71%. Испытания проводят следующим образом. Образец помещают на испытательный стол, на верхнюю поверхность образца устанавливают ударное устройство, а измерительный электромагнитный датчик устанавливают на расстоянии 3 мм от боковой поверхности. С помощью прибора “EMISSION”, совмещенного с ЭВМ (Гордеев В.Ф., Елисеев В.П., Малышков Ю.П., Чахлов В.Л., Кренинг М. Аппаратура для контроля качества неметаллических материалов и изделий по характеристикам электромагнитной эмиссии//Дефектоскопия. - 1994. - №4. - С.48-54), осуществляют с пульта управления автоматический запуск ударного устройства и оцифровку электромагнитного сигнала. С помощью ЭВМ с использованием стандартных программ производят обработку сигнала: измеряют длительность переднего фронта сигнала (t), амплитуду сигнала (А) (фиг.4), осуществляют Фурье-преобразование и определяют частоту основного максимума спектра (f) (фиг.5). По предварительно установленным градуировочным зависимостям определяют коэффициент влажности (k₁) (фиг.1) и температурный коэффициент (k₂) (фиг.2). Коэффициент k₁ оказался равным 1,17, a k₂=0,63. Измеренные величины подставляют в аналитическую формулу и определяют величину параметра (Р) образца бетона. Для данного образца Р=71 мкс. Полученную величину (Р) сравнивают с предварительно установленной эмпирической зависимостью (фиг.3), по которой определяют механическую прочность в МПа.

Величина прогнозируемой прочности для данного образца оказалась равной 50-0,3·65=30,5 МПа. Затем, чтобы оценить точность определения прочности с использованием предлагаемого способа, образец был разрушен на прессе и определена его реальная механическая прочность, которая оказалась равной 32 МПа. Сравнение прогнозируемой прочности и реальной показывает, что использование предлагаемого способа контроля прочности в данном случае дало погрешность 4,9%. Для сравнения было проведено определение механической прочности с использованием способа, приведенного в качестве прототипа, то есть без учета температурного коэффициента и коэффициента влажности. Величина прогнозируемой прочности в этом случае для данного образца оказалась равной 37,7 МПа. Т.е. погрешность определения прочности с использованием прототипа оказалась равной 17,8%.

Таким образом, изобретение повышает точность определения прочности изделий из твердых материалов и может использоваться в любых климатических условиях.

Таблица 1
Способ контроля прочности изделий из твердых материалов
Влажность, %	Амплитуда, отн.ед.
40	101
42	97
44	95
46	94
48	92
50	89
52	87
54	86
56	83
58	81
60	78
62	76
64	74
66	72
68	69
70	68
72	65
74	62
76	60
78	56
80	52
82	49
84	47
86	45
88	43
90	42
92	40
94	39
96	38
98	36
100	34

Таблица 2
Способ контроля прочности изделий из твердых материалов
Температура, °С	Амплитуда, отн.ед.
-29	1632
-24	1441
-21	1373
-19	1340
-15	1025
-12	905
-10	893
-7	686
-5	568
-2	451
0	330
2	240
5	176
7	160
9	149
12	111
15	79
18	55
20	49
24	57
28	73
32	88
36	162
40	179

Таблица 3
Способ контроля прочности изделий из твердых материалов
№ образца	Параметр Р, мкс	Прочность, МПа
1	35,5	45
2	33	67
3	31,5	72
4	30,5	59
5	33,5	58
6	46,5	25
7	35,5	37
8	27	78
9	24,5	70
10	41,5	33
11	40,5	46
12	35,5	65
13	34,5	41
14	30,5	52
15	40,5	36
16	40,5	30
17	32,5	56
18	43	25