Способ определения усталостной долговечности деталей из полимерных материалов

 

Изобретение относится к неразрушающим способам испытания деталей из полимерных материалов на длительную прочность, в частности к способам определения долговечности деталей и элементов конструкций. Цель изобретения состоит в повышении достоверности прогнозирования ресурса полимерных деталей. Цель достигается тем, что в известном способе определения ресурса деталей из полимерных материалов путем регистрации диагностического - параметра детали с последующим расчетным определением искомой величины, для уточнения значений текущей (Ct) и предельной (С) концентрации повреждений проводят совместное измерениемодуля упругости диагностируемой детали и поверхностной концентрации концов полимерных молекул, Образующихся при их разрыве вследствие процесса трещинообразования, методом нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) инфракрасной спектроскопии. Затем, решая уравнение долговечности, находят время достижения концентрацией повреждений Ct критической величины С, т.е. остаточный ресурс диагностируемой детали . 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4872898/28 (22) 20.07,90 (46) 28.02,93. Бюл. М 8 (71) Ленинградский политехнический инсти- тут.им. M.È.Êàëèíèíà (72) B.È,Âåòòåãðåíü, С.О.Лазарев, В.Д.Савельев и В.А.Трошкин (56) 1. Тамуж В.П., Куксенко В.С. Микромеханика разрушения полимерных материалов. Рига, "Зинатне", 1978. . 2; Михайлов Ю.К„Иванов Б.С; Муфты с неметэллическими упругими элементами. -.

Л.: Машиностроение, 1987.

Веттегрень В.И., Лазарев С,О., Петров

В.А, Физические основы кинетики разрушения материалов. - Л;, 1989.: (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ДЕТАЛЕЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ (5?) Изобретение относится к неразрушающим способам испытания деталей из полимерных материалов на длительную прочность, s частности к способам опредеИзобретение относится к неразрушающим способам испытания деталей из полимерных материалов на длительную прочность, в частности к способам определения долговечности деталей и элементов конструкций.

Цель изобретения состоит в повышении достоверности прогнозирования ресурса полимерных деталей и в расширении границ применимости метода, В основе предлагаемого. способа оценки остаточного ресурса лежит кинетическая теория разрушения твердых тел (11. согласно которой разрушение представляет собой процесс термофлуктуационного образова„„БЦ„„1798655 А1 (51)5 G 01. N 3/18

2 ления долговечности деталей и элементов конструкций. Цель изобретения состоит в повышении достоверности прогнозирования ресурса полимерных деталей. Цель достигается тем, что в известном способе определения ресурса деталей из полимерных материалов йутем регистрации диэгностическото параметра детали с последующим расчетным определением искомой величийы, для уточнения значений текущей (С1) и предельной (С+) концентрации повреждений проводят совместное измерение модуля упругости диагностируемой детали и поверхностной концентраций концов полимерных молекул, образующихся при их разрыве вследствие процесса трещинообразования, методом нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) инфракрасной спектроскопии.

Затем, решая уравнение долговечности, находят время достижения концентрацией tioвреждений С1 критической величины С*, т.е. остаточный ресурс диагностируемой детали..2 ил. ния и накопления в твердом теле микроскопических разрывов сплошности (так называемых ".зародышевых микротрещин"). По достижении концентрацией микротрещин предельной (критической) величины С* происходит их слияние в магистральную трещину, которая приводит к разделению массива тела на части. Скорость процесса трещинообразования описывается следующим выражением:

-1г где to = 10 с — соответствует периоду собственных колебаний атомов; R = 8,314 х х10 Дж/кмоль - К вЂ” газовая постоянная;

3 о

1798655

Т вЂ”; 1.4 — энергия акти- изделия возрастает, как показано на фиг.1. вации и у- активационный объем процесса Поскольку зависимости модуля от времени образования микротрещин; С* — предель- старения известны практически для всех ная концентрация микротрещин: температур и видов применяемых полимер1 5 ных материалов„то по измеренному значе{С ) з = e1, (2) нию модуля Е< (см. фиг, 1, кривая 3) и е 2,7 — основание натуральных логариф- изменению модуля, обусловленному термомов; 1 - размер микротрещин. Поскольку старением Е(Т)(кривая 1), путем вычитания процесс прорастания:магистральной тре- находим значение модуля Е(С» 1). соответстщины до полйого разделения тела на части "О вующее текущей концентрации микротрезанимает:не более 19% общего времени до щит Ct размера 1. Аналитическая разрушения, а 90% времени приходится на зависимость модуля.от величины .поврежпроцесс накопления микройовреждений, то денности изделия дается выражением; выражение (2) является концентрационным .. 16 критерием разрушения (1). Совмещая (1) и 15 Е(С 1) = Eo(1+ 3 (1 ) V ) (4) (2), можно найти время достижения кончен- где Ео — исходное значение модуля; t котрацией повреждений критической величи- эффицйент Пуассона; V — обьем диагностины С*,т.е. остаточный ресурс изделия t*: руемого изделия. Текущее значение модуля упругости можно измерять по любой из обт®

C* = C<+ 1 ехр (R T 1 2О щепринятых методик. (3) . После этого методом НПВО инфракрасе а нения долговечности 3 ной спектроскопии нужно измерить конценРешение уравнения долговечности (3), относительно1*дано в(2), Параметрыурав- . тРацию концов РазоРванных молекул нения то, 0 и у являются константами мате- 25 т U являются константами мате- 25 полимеРа Ni, ко ораЯ опРеделЯетсЯ фоРмУриала и определены практически для всех лой: полимеров, применяемых.для изготовления . С 1 Р (5) имо о где Ч вЂ”. концентрац Я Разорванных концов

: ределения остаточного ресурса иэделий из са из „ии из полимерных молекул по берегам микротренестандартных полимерных материалов не- 3Q

3О щины, которая определяется о™ошением .обходимо предварительно получить значее но пол чисть значе- Размеров TPeLL1MHbl и Диаметра полимерных молекул (1); STð —. площадь трещины. ния указанных параметров уравнения долговечности путем испытания стандарте cnытаHия cT a г Далее, решая совместно уравнения(4) и ных.образцов на разрушение статическим б О аз ение статическим (5); находим текущую концентрацию поРастяжением при различных температурах 35 вреждений С и размер микротрещин 1, что пометодике, изложенной в (2), позволяет с помощью выражений (1) — (3) определить остаточный ресурс диагностируемой детали. точный ресурс изделия при известных режи. мах нагружения o (t) и рабочей температуре няется чертежами и примером его конкретТ, необходимо найти величины критической 40

C* и текущей (начальной) Ct концентраций . ной реализации.

На фиг,l показано изменение модуля . микроповреждений в изделии. я и о e a 3 - упpу ос и детали из полимеpного материаДля этого предл агается процедура, за-. . ключающаяся в совместном измерейии мо1) и трещинообразованием в процессе эксдуля упругости конкретного изделия. а 45 плуатации (кривая 2), здесь же показана из также концентрации концов полимерных . меряемая на практике результатирующая молекул, образующихся при их разрыве вследствие процесса трещинообразования, кр в . ® "У . методом НПВО инфракрасной спектросковоздействием указанных факторов. пии.

На фиг.2 схематично показан алгоритм

Известно (3), что изменение модуля упреализации способа. ругости изделия в процессе его эксплуатации вызвано двумя, одновременно тали можно измерять любым из известных способов, но для снижения погрешности изпротекающими и конкурирующими процесмерений желательно применять прецизионсами: термостарение обусловливает повы- 55 ные измерители перемещения и шение модуля и одновременно происходит задаваемых усилий (оптиметры, динамометснижение модуля в результате процесса ры и т.д.). трещинообразования, причем обычно проДля измерения концентрации концов цесс термостарения превалирует и резуль- . полимерных молекул, образующихся вследтирующий (то есть измеряемый) модуль

1798655 ствие процесса трещинообразования, методом нарушенного полного внутреннего отражения необходимо применять инфракрасные спектрометры, оснащенные приставкой НПВО для регистрации спект.- 5

poe ".на отражение", так как регистрация спектров пропускания возможна лишь для узкого класса "прозрачных" полимерных материалов и только для тонких образцов, а реальные изделия обычно имеют интенсив- 10 ное поглощение.

Определение остаточного ресурса осуществляется следующим образом.

Проводят измерение модуля упругости

Et диагностируемой детали и выделяют 15 часть модуля, обусловленную трещинообразованием. Как видно из фиг.1, она дается выражением:

E(Ct, 1) = Et — Е(Т) + Ео.

Проводят измерение концентрации 20 концов полимерных молекул, образовавшихся в результате трещинообразования, методом НПВО инфракрасной спектроскопии.

Далее решают систему уравнений (4) и (5) и находят размеры! и влекущую концентрацию трещин С диагностируемой детали, из формулы (2) определяют предельную (предраэрывную) концентрацию микротрещин С* и, решая (3) относительно t*, находят остаточный ресурс детали, Формула изобретения

Способ определения усталостной долговечности деталей из полимерных материалов, по которому нагружают испытуемую деталь, регистрируют ее диагностические параметры и по ним судят о усталостной долговечности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и достоверности, определяют модуль упругости материала детали и поверхностную концентрацию концов полимерных молекул, образующихся при разрыве полимерных молекул в процессе эксплуатации детали, а о усталостной долговечности судят по этим двум параметрам.

1798655

Фиг2

Составитель В. Трошкин

Техред М.Моргентал Корректор С.Лисина

Редактор

-Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 766 .. Тираж:: Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по.изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб.. 4/5