способ прогнозирования ресурсных характеристик материалов

Формула изобретения

Способ прогнозирования ресурсных характеристик материалов при усталостном характере их разрушения, заключающийся в том, что измеряют исходную величину характеристики повреждаемости материала до начала эксплуатации материала и скорость ее изменения на выбранном отрезке времени, аппроксимируют изменение значений этой характеристики во времени, экстраполируют эту зависимость до достижения ею предельного значения, на основании анализа результатов измерения и расчета назначают ожидаемое время наступления разрушения и остаточный ресурс материала, отличающийся тем, что в качестве параметра ресурсной характеристики материала принимают энергию активации пластической деформации, а ожидаемое время t_pec наступления разрушения и остаточный ресурс материала определяют из соотношений

где t_эксп - длительность эксплуатации материала;

U_o, U_o ^исх, U_o ^кр - текущее, исходное и предельно допустимое значения соответственно энергии активации пластической деформации материала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, а именно к способам прогнозирования ресурсных характеристик материалов деталей машин и конструкций при усталостном характере их разрушения и износа.

Известны аналогичные способы прогнозирования ресурсных характеристик конструкционных материалов (Явленский К.Н. Явленский А.К. Вибродиагностика и прогнозирование качества механических систем. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1983. - 239 с. С.177-190; Машиностроение. Энциклопедия. Ред. Совет: К.В.Фролов (пред.) и др. М.: Машиностроение. Надежность машин. Т.1 V-3/ В.В.Клюев, В.В.Болотин, Ф.Р.Соснин и др. Под общей ред. В.В.Клюева. 1998. - 592 с. С. 171-173. B.C.Иванова и др. Синергетика и фракталы в материаловедении/В.С. Иванова, А.С.Баланкин, И.Ж.Бунин, А.А.Оксогенов. - М.: Наука, 1994. - 383 с. С.213, 214; Патент РФ N2077046, G 01 N 3/00 от 08.12.93, БИ №10, 1997. Способ определения повреждаемости нагруженного материала; Патент РФ N 2037804, G 01 N 3/00, 29/06 от 30.07.92; БИ №17, 1995. Способ определения остаточного ресурса нагруженного материала).

Аналогичные способы прогнозирования включают измерение прогнозирующих параметров и получение прогноза (результаты прогнозирования). Однако аналогичные способы сопряжены с большими трудностями получения и достоверности прогноза.

В качестве прототипа наиболее близкого по своей технической сущности может быть принят способ прогнозирования (патент 2037804, G 01 N 3/00, 29/06, БИ №17, 1995), согласно которому строят график зависимости выбранного параметра от времени, аппроксимируют график прямой линией, экстраполируют ее до точки пересечения с осью абсцисс, а остаточный ресурс в момент времени определяют из предлагаемого соотношения.

Недостатком способа-прототипа является выбор недостаточно физически обоснованного параметра, а именно среднего значения времени ожидания термической активности материала.

Заявляемый способ прогнозирования лишен указанного недостатка. Технической задачей, которую позволяет решить заявляемый способ прогнозирования, является облегчение и увеличение достоверности прогноза.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе прогнозирования ресурсных характеристик материалов при усталостном характере их разрушения измеряют исходную величину характеристики повреждаемости материала до начала эксплуатации материала и скорость ее изменения на выбранном отрезке времени, аппроксимируют изменение значений этой характеристики во времени, экстраполируют эту зависимость до достижения ею предельного значения, на основании анализа результатов измерения и расчета назначают ожидаемое время наступления разрушения и остаточный ресурс материала, в качестве параметра, определяющего ресурс материала, принимают энергию активации пластической деформации, а ожидаемое время t_pec наступления разрушения и остаточный ресурс материала определяют из соотношений

где t_эксп - длительность эксплуатации материала,

U_o, , - текущее, исходное и предельно допустимое значения, соответственно, энергии активации пластической деформации материала.

Заявляемый способ отличен от прототипа другим параметром, чувствительным к ресурсу материала, - энергии активации пластической деформации.

Доказательство возможности решения технической задачи с помощью реализации отличительных признаков изобретения.

Известно, что старение материалов в процессе эксплуатации машин проявляется в потере пластичности (охрупчивании), повышении твердости, а также структурной, химической деградации и др. изменениях. Физическая сущность старения заключается в постепенном увеличении количества различного вида упругих искажений кристаллической решетки металлов и сплавов - нуль-, одно-, двух- и трехмерных дефектов, появление которых вызывает повышение внутренней энергии кристаллической решетки на величину упругой энергии образовавшихся дефектов. При достижении внутренней энергией решетки некоторой критической величины, при которой наступает точка бифуркации, материал теряет устойчивость и, в зависимости от степени общей деградации и локализации очага неустойчивости, активизируется механизм сброса избыточной энергии посредством микро- и макропластических деформаций, растрескивания или хрупкого разрушения. Поэтому адекватно подойти к оценке ресурсных характеристик материалов можно только на основе энергетических критериев пластичности, отражающих фактическое состояние внутренней энергии исследуемого материала.

Сравнительный анализ способа прогнозирования с известными техническими решениями показывает, что в них отсутствуют отличительные признаки изобретения, позволяющие решить новую техническую задачу. Следовательно, эти признаки надо признать существенными.

Поскольку, как показали эксперименты, энергия активации пластической деформации является характеристикой, чувствительной к степени деградации материала, а усталостное разрушение связано с некоторым предельным, характерным для каждого материала и заданных условий, значением энергии активации, то есть возможность для приближенной оценки остаточного ресурса (в %) использовать соотношение (2). Для этого необходимо: предварительное создание базы данных о величине энергии активации , характеризующей критическое состояние материала под действием эксплуатационных разрушающих факторов. К ним относятся: радиация, высокие температуры, коррозийно-активные среды и деформации, при которых дальнейшая эксплуатация изделия связана с повышенным риском его усталостного разрушения. Эту базу данных имеется возможность определить на основе исследований, например на модельных образцах, подвергаемых усиленным воздействиям неблагоприятных факторов, до появления на них признаков разрушения - усталостных трещин. Оценку критического значения энергии активации имеется возможность производить на испытанных до разрушения образцах материала в зоне, прилегающей к краям трещины. Кроме того, база данных должна включать значение энергии активации пластической деформации материалов в состоянии поставки.

Производят оценку текущего значения энергии активации пластической деформации исследуемого элемента машины в наиболее уязвимом месте. По полученным результатам имеется возможность рассчитать остаточный ресурс по формуле (2). Оценка остаточного ресурса t элементов оборудования во времени находится из выражения

t =(100/[100- ])·t_эксп-t_эксп=t_pec -t_эксп

где t_эксп - длительность эксплуатации исследуемого элемента, t_pec - ожидаемый общий ресурс испытуемого элемента, включающий время его эксплуатации. Величина [100- ] характеризует степень деградации материала относительно исходного состояния (выработанный ресурс) в %.

Для деталей, работающих в режиме циклического нагружения, имеется возможность аналогичной оценки ресурса в циклах наработки.

Удобство заявляемого способа прогнозирования состоит в том, что он инвариантен к предыстории эксплуатации элемента и виду разрушающего воздействия. Поэтому в случае отсутствия данных об энергии активации материалов в состоянии поставки или точного времени его эксплуатации имеется возможность произвести оценку остаточного ресурса в два этапа следующим образом.

Вначале выполняется оценка текущего значения энергии активации исследуемого материала и фиксируется дата эксперимента. Через определенное время вновь повторяется оценка текущего значения энергии активации пластической деформации материала в этом же месте. Затем производится расчет остаточного ресурса материала. При этом принимается за t_эксп - время между двумя оценками энергии активации исследуемого элемента.

Пример конкретной реализации. Проводили испытания на усталостную прочность образцов сварных швов, полученных тремя способами: ручной дуговой сваркой, дуговой сваркой в среде инертного газа (аргонной сваркой) и газовой сваркой. Образцы, закрепленные консольно, подвергались тарированному ударному воздействию с частотой 1 Гц. Удар осуществляли грузом 10 кг, падающим с высоты 5 см. Образцы выполняли сваркой двух прямоугольных пластин (10×30×3 мм) из стали 45 встык. Размеры сварного шва: длина × высоту = 10×3 мм. На гребне шва делали шлиф глубиной 0,2 мм, шириной 2,5...3,0 мм и с шероховатостью R_а=0,32 мкм.

В ходе испытаний проводили оценку энергии активации пластической деформации на шлифованных участках гребней сварных швов через определенное время наработки вплоть до разрушения шва. Потерю пластичности оценивали склерометрическим способом по росту энергии активации пластической деформации сварного шва.

Разрушение сварного шва наблюдалось преимущественно в месте стыка шва с деталью. Критические значения энергии активации пластической деформации были: для ручной дуговой и газовой сварки - 61 кДж/моль; для дуговой сварки в среде инертного газа - 86 кДж/моль.

Из построенного на основе испытаний графика видно, что аппроксимирующая прямая пересекает прямую критических значений при значении П _р=320 циклов, что и является искомым ресурсом данного сварного соединения.

Заявляемый способ прогнозирования ресурсной характеристики может быть использован для любых соединений, пары которых изготовлены из любых металлов и сплавов.