Способ определения долговечности образцов из композиционных материалов при циклических нагрузках

 

Изобретение относится к области измерений и, в частности, к способам контроля механических характеристик композиционных материалов путем исследования электромагнитной или акустической эмиссии при трещинообразовании и разрушении. Согласно изобретению образец нагружают и разгружают циклически с постоянной скоростью 10³-10⁵ Па/с. При этом регистрируют число импульсов электромагнитной эмиссии заданных длительности и амплитуды в течение первого цикла нагружения - разгрузки. Фиксируют время нарастания фронта этих импульсов, а затем нагружают образец до полного разрушения. Регистрируют время нарастания фронта импульса, порождаемого магистральной трещиной разрушения. По измеренным параметрам определяют кинетические константы прочности и долговечности материала. С учетом этих констант находят полное число циклов, которое образец может выдержать до разрушения (т.е. его долговечность). Изобретение направлено на повышение производительности и снижение трудоемкости процесса контроля. 2 ил., 1 табл.

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 σ_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 τ_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; σ - действующее напряжение как функция времени; U₀, γ - кинетические константы прочности материала образца, τ^м_н - время нарастания фронта импульсов излучения при возникновении микротрещин; τ^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: σ_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, γ 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 (τ_н) фронта импульсов (фиг. 2).

Например, нагружают образец фенопласта T266 со скоростью = 1,5·10⁶ Па/с и разгружают со скоростью = 1,6 ·10⁶ Па/с. Объем образца V = 1,47·10^-6 м³; T = 293 K. За первый цикл нагружения в образце выделяются импульсы (см. табл.) с временем нарастания фронта импульсов 2·10^-6 с.

Затем нагружают образец, доводя до разрушения, регистрируют время нарастания фронта импульса, порождаемого магистральной трещиной, 200·10^-6 с, размер магистральной трещины H = 1,4·10^-2 м. Используя эти данные, определяют по формулам (6), (7) кинетические константы прочности (U₀, γ ) материала образца. Получают U₀=1,69·10^-19 Дж, γ = 1,19·10^-28 м³. Используя данные эксперимента: = 1,55·10⁶ Па/с, σ_A = 1,96·10⁸ 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 τ^м_н и магистральной трещиной разрушения τ^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, γ ) 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.

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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3