Способ определения запаса прочности нагруженного материала

 

Изобретение относится к анализу материалов путем определения их физических свойств, определению превышения разрушающего напряжения над уровнем действующих механических напряжений и может найти применение для выявления в материале дефектов - концентраторов напряжения и т.д. Расширение круга исследуемых материалов, снижение трудоемкости и повышение точности определения запаса прочности нагруженного материала достигается за счет того, что в исследуемом материале регистрируют импульсы акустической эмиссии и измеряют их количественные характеристики. Исследуемый материал нагружают двумя нагрузками P1 и Р2, измеряют при этих нагрузках скорости счета акустической эмиссии N1 и N2 и запас прочности S1 при нагрузке Р1 определяют из соотношения S1 = (P2-P1)1g A/P1 1g(N2/N1), 1g A = (Uo/2,3 RT)-13, где Uo - начальная энергия активации разрушения, Т - абсолютная температура исследуемого материала, R - универсальная газовая постоянная.

Изобретение относится к области анализа материалов путем определения их физических свойств, точнее к диагностике напряженного состояния нагруженных материалов, в частности к определению превышения разрушающего напряжения (предела прочности) над уровнем действующих механических напряжений, и может найти применение для выявления в материале дефектов - концентраторов напряжения, для оценки долговечности и остаточного ресурса трубопроводов, сосудов давления, деталей машин и механизмов и т.д.

Запасом прочности S нагруженного материала принято, называть величину превышения пределом прочности материала σ^* уровня напряжения σ , действующего в материале вследствие приложения нагрузки P, то есть S = σ^*/σ. (1) Обычно при определении S находят σ как функцию P из расчета [1] или из измерений в нагруженном материале деформаций [2], а σ^* измеряют независимо при разрушении лабораторных образцов. Изучение физической природы разрушения приводит к аналитическому выражению σ^*= (U_o-RTlnτ_o/τ^*)/γ (2) где U₀ - начальная энергия активации разрушения материала (константа, не зависящая от его дефектной структуры), Т - абсолютная температура, R - универсальная газовая постоянная, τ_o = 10^-13 с, τ^* = 1 с, γ - характеристика, отражающая состояние дефектной структуры материала [3]. При расчете σ^* величина в скобках (2) является известной и задача сводится к нахождению значения γ . Соответственно и определение S сводится к нахождению γ , поскольку процедура нахождения σ является стандартной.

Известен способ [4], в котором материал нагружают постоянным напряжением σ , измеряют времена τ_i прихода дискретных сигналов акустической эмиссии (АЭ) и рассчитывают величину γ_i= (U_o-RTlnτ_i/τ_o)/σ. В этом способе значение γ в выражении для предела прочности (2) предлагают находить путем экстраполяции, алгоритм которой однако не обоснован.

За прототип взят способ определения адгезии полимера к металлу [5], позволяющий на основе формулы (2) определить предел прочности и тем самым запас прочности материала, нагруженного напряжением σ, включающий воздействие на материал напряжения, равномерно увеличивающегося со временем t, измерение зависимости числа сигналов АЭ N(t) и определение значения γ из наклона графика ln N - t. Способ-прототип содержит алгоритм определения значения γ, но ограничен по материалу (композит полимер-металл). При перенесении способа-прототипа на стали и другие металлические материалы возникает опасность разрушения объекта при испытаний. Кроме того, использование способа-прототипа требует нагружения с постоянной скоростью роста напряжений. Однако реализовать такой режим нагружения промышленной конструкции трудоемко или практически невозможно.

Общим недостатком существующих подходов к определению запаса прочности (1) является раздельное определение напряжения σ и предела прочности σ^*. При этом может быть пропущен локализованный дефект-концентратор напряжения, ответственный за реальную прочность конструкции, поскольку процедура определения S при расчете не предполагает наличия такого дефекта: при измерении осуществляется усреднение напряжений по значительной длине (порядка 1 см), а предел прочности измеряется на бездефектных образцах. Указанные обстоятельства снижают точность определения S.

Задачами изобретения являются расширение круга исследуемых материалов, снижение трудоемкости и повышение точности определения запаса прочности нагруженного материала.

Это достигается тем, что в известном способе определения запаса прочности нагруженного материала, по которому в исследуемом нагруженном материале регистрируют импульсы акустической эмиссии и измеряют их количественные характеристики, согласно формуле изобретения материал нагружают двумя нагрузками P₁ и P₂, измеряют скорость счета АЭ N₁ и N₂ при этих нагрузках и запас прочности при нагрузке P₁ определяют из соотношения S₁ = (P₂ - P₁)lgA/P₁lg(N₂/N₁), lgA = (U_о/2,3 RT) - 13, где U_о - начальная энергия активации разрушения, Т - абсолютная температура исследуемого нагруженного материала, R - универсальная газовая постоянная.

Сущность способа.

В кинетической теории прогнозирования разрушения [6] показано, что разрушение обусловлено накоплением критической концентрации начальных стабильных делокализованных трещин C^*, так что время τ до разрушения при постоянном напряжении σ есть
τ =C*/C, (3)
где С - скорость накопления трещин, и имеет вид формулы Журкова
τ = τ_oexp[(U_o-γσ)/RT] (4)
С учетом выражений для запаса прочности (1) и предела прочности (2) формула (4) преобразуется к виду
τ = τ^*A^(s-1)/s, A = (τ_o/τ^*)exp(U_o/RT). (5)
При регистрации дискретной АЭ, соответствующей генерации начальных трещин (начиная от микроскопического размера), величина C пропорциональна скорости счета АЭ N, так что выражения (3) - (5) возможно переписать в виде
N=N^*/ τ^* A^(S-1)/S, (6)
где N^* - аналог величины C^*. При двух значениях напряжения, приводящих к запасам прочности S₁ и S₂, отношение соответствующих двух скоростей счета составит
N₂/N₁=A^1/S2-1/S1 (7)
С учетом определения запаса прочности (1)
1/S₂-1/S₁= (σ₂-σ₁)/σ₁S₁. (8)
Наконец, поскольку напряжение σ пропорционально нагрузке P, из (7) и (8) окончательно находим
S₁ = (P₂ - P₁)lgA/P₁ (N₂/N₁) (9)
Автору впервые удалось установить количественную универсальную связь между запасом прочности реального (содержащего дефекты) нагруженного материала и скоростью генерации в нем дискретных импульсов АЭ, соответствующих подготовке материала к разрушению на стадии накопления рассеянных повреждений (делокализованных начальных трещин).

В отличие от прототипа предлагаемый способ справедлив для любых материалов (в которых возможна регистрация трещинообразования методом АЭ) менее трудоемок (так как установление двух фиксированных постоянных значений нагрузки проще, чем нагружение с постоянной скоростью роста напряжений), более точен (поскольку не содержит процедуры перехода от нагрузки к напряжению и не требует раздельного определения действующего напряжения и предела прочности). Реализация предлагаемого способа не требует пересчета нагрузки на напряжение.

Способ осуществляют следующим образом. По литературным данным либо на образцах исследуемого материала определяют величину начальной энергии активации разрушения U₀ и рассчитывают величину lgA (5) для данной температуры Т. На объекте задают постоянную нагрузку, регистрируют дискретную акустическую эмиссию и определяют ее скорость счета. Затем то же повторяют для другой нагрузки и по формуле изобретения рассчитывают запас прочности исследуемого материала при первой нагрузке.

Пример реализации способа.

Определялся запас прочности образца цинка в условиях одноосного растяжения при температуре 90^oC. Согласно литературным данным [6], для цинка U_о = 130 кДж/моль, то есть при температуре исследования lgA = 5,84. В нагруженном образце регистрировалась АЭ и измерялась скорость ее счета, которая при нагрузке P₁ = 3000 H оказалась равной lgN₁ = 2,75, а при нагрузке P₂ = 6000 H lgN₂ = 4,5. Согласно формуле изобретения при этих данных для нагрузки P₁ запас прочности равен S₁ = 3,33. Для проверки этого расчета образец был разрушен и разрушающая нагрузка оказалась равной P^* = 9000 H, то есть нагрузке P₁ = 3000 H соответствовал запас прочности, равный 3. Таким образом, определение запаса прочности по предлагаемому способу находится в удовлетворительном согласии с оценкой запаса прочности в независимом опыте.

Предлагаемый способ может быть использован для исследования различных металлоконструкций, изделий из композиционных материалов, для исследования напряженного состояния массива горных пород в шахтах и т.д. в тех случаях, когда для регистрации процесса трещинообразования в нагруженном материале может быть применен метод АЭ.

Литература
1. Федосеев В.И. Сопротивление материалов. Высшая школа, 1963.

2. Сухарев И.П. Экспериментальные методы исследования деформаций и прочности, М.: Машиностроение, 1987, с. 27, 88.

3. Регель В. P., Слуцкер А. И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974.

4. Донин A. P. Дефектоскопия, 1981, N 9, с. 11-17.

5. Авторское свидетельство СССР N 1467458, кл. G 01 N 19/04, БИ N 11,1989.

6. Петров В.А., Башкарев А.Я., Веттегрень В. И. Физические основы прогнозирования долговечности конструкционных материалов, СПб, Политехника, 1993.

Формула изобретения

Способ определения запаса прочности нагруженного материала, по которому в исследуемом материале регистрируют импульсы акустической эмиссии и измеряют их количественные характеристики, отличающийся тем, что исследуемый материал нагружают двумя нагрузками Р1 и Р2, измеряют при этих нагрузках скорости счета акустической эмиссии N1 и N2 и запас прочности S1 при нагрузке Р1 определяют из соотношения
S1 = (Р2 - Р1)lgA/P1lg (N2/N1),
lgA = (Uo/2,3RT)-13,
где Uo - начальная энергия активации разрушения;
Т - абсолютная температура исследуемого материала;
R - универсальная газовая постоянная.