Способ определения долговечности образцов из композиционных материалов при циклическом нагружении
Владельцы патента RU 2439532:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кузбасский государственный технический университет" (ГУ КузГТУ) (RU)
Изобретение относится к области измерений и, в частности, к способам контроля механических характеристик композиционных материалов путем исследования электромагнитной эмиссии при трещинообразовании и разрушении. Сущность: осуществляют нагружение образца с постоянной скоростью. Регистрируют число импульсов электромагнитной эмиссии во времени с момента начала нагружения вплоть до полного разрушения образца и определяют по измеренным параметрам кинетические константы прочности и долговечности материала. В процессе испытаний образца поддерживают постоянную температуру, причем нагружение производится только при возрастающей нагрузке. Технический результат: повышение точности и уменьшение трудоемкости определения долговечности. 2 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области измерений и, в частности, к способам контроля механических характеристик композиционных материалов путем исследования электромагнитной эмиссии при трещинообразовании и разрушении.
Известен способ (патент РФ №2020476, G01N 29/14, - 1991) определения долговечности образцов из композиционных материалов, 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 циклической нагрузки, составляющей доли процента от разрушающей. При этом страдает точность определения кинетических констант прочности и прогноза долговечности материала, поскольку для упрощения расчетов этих параметров скорость нагружения выбирается в довольно узком диапазоне скоростей, уравнения для расчета линеаризируются и ошибка в определении констант прочности может превышать 45-60%, что приводит к ошибкам в прогнозных оценках долговечности на два - три порядка.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению (изобретению) является способ определения долговечности образцов из композиционных материалов при циклических нагрузках (патент РФ №2145416 C1, G01N 29/14, - 1998), заключающийся в том, что образец нагружают и разгружают циклически с постоянной скоростью, выбираемой в диапазоне 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).
Недостатком данного способа является ограниченный диапазон скорости нагружения при приложении циклической нагрузки, что опять-таки порождает большую погрешность в определении кинетических констант прочности и долговечности материалов. При этом температура образца в процессе испытаний не контролируется, что приводит к дополнительным погрешностям, т.к. при расчетах она считается постоянной.
Техническим результатом изобретения является повышение точности и уменьшение трудоемкости определения долговечности.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения долговечности образцов из композиционных материалов при циклических нагрузках, включающем нагружение образца с постоянной скоростью, регистрацию числа импульсов электромагнитной эмиссии во времени с момента начала нагружения вплоть до полного разрушения образца, и определения по измеренным параметрам кинетических констант прочности и долговечности материала согласно изобретению образец нагружают со скоростями 10-102 Па/с, в процессе испытаний образца поддерживают постоянную температуру, нагружение производится только при возрастающей нагрузке.
Заявляемый способ поясняется чертежами, где на фиг.1 показана установка, реализующая способ, на фиг.2 - кинетическая кривая накопления импульсов электромагнитной эмиссии.
Сущность изобретения состоит в следующем.
При возникновении микротрещин на границе волокон и связующего компонента, а также внутри волокон или в связующем излучаются короткие импульсы электромагнитной эмиссии. Число импульсов совпадает с числом возникающих микротрещин. Время нарастания фронта импульсов электромагнитного излучения совпадает со временем роста трещины. Поэтому, регистрируя число импульсов, можно определить число микротрещин, накопленных за определенный промежуток времени.
В качестве адекватной кинетическому процессу трещинообразования математической модели используют:
1) скорректированное кинетическое уравнение С.Н.Журкова для скорости трещинообразования
2) условие необратимости накопления повреждений структуры материала типа Робинсона-Бэйли
где
U0, γ - кинетические константы разрушения, определяемые на образцах с размером ℓ, при температуре Т, °К;
k - постоянная Больцмана;
τ0 - период тепловых атомных колебаний, с;
σ(t) - меняющееся во времени напряжение на образце;
Lc - масштабный коэффициент, учитывающий размер объекта, в котором регистрируется процесс электромагнитной эмиссии;
τ - время до разрушения образца, с;
е - основание натурального логарифма;
N* - критическое (предельное) число трещин, накапливающихся к моменту полного разрушения некоторого объема V материала;
LC=L/b - масштабный коэффициент; 
- средний диаметр образцов материала, м;
b - диаметр образцов материала, на которых определяются кинетические константы U0 и γ материала, м.
Кинетическая модель (1)-(2) нечувствительна к масштабному уровню разрушения, учитывает подобие процессов разрушения на разных уровнях, а кинетические константы U0 и γ, найденные на испытываемых образцах, могут быть использованы в аналогичных условиях нагружения (объемное, одноосное сжатие-растяжение) для прогноза разрушения на образцах любых размеров.
Из этих уравнений, предположив, что циклическое нагружение осуществляется путем приложения сжимающего или растягивающего напряжения с постоянной частотой (несимметрическое циклическое нагружение σmin/σmax=0) и, считая, что скорость изменения напряжений постоянна в каждом цикле 
, для числа накопленных в каждом цикле импульсов ЭМИ композита, используя (1) и (2), получают уравнение
где
t - время эксперимента, с;
- скорость нагружения, Па/с.
Кинетические константы разрушения определяются из условия минимума суммы квадратов отклонений теоретических значений, от экспериментальных точек Nk кинетической кривой накопления импульсов ЭМИ
При этом, поскольку в уравнении (3) мы не пренебрегаем единицей, существенно возрастает точность определения констант U0 и γ.
В результате расчетов получаем уравнения для нахождения кинетических констант, которые в последующем могут быть использованы как константы для соответствующих типов композиционных материалов.
где
.
Определив значения U0 и γ, на основе решения нелинейных уравнений (5), (6) можно спрогнозировать количество циклов приложения нагрузки до разрушения образца по формуле (долговечность образца)
где
- амплитудные значения напряжений при нагружении образца композита, Па;
f - частота приложения нагрузки, Гц;
Lc=1,2.
В дальнейшем при использовании формулы (7) и полученных выше кинетических констант рассчитывают долговечность композитных материалов при любых заданных значениях температуры, частоты, амплитудной нагрузки и заданном масштабном коэффициенте.
Предлагаемый способ реализуют следующим образом.
Испытуемый образец испытывают на лабораторной установке (фиг.1). Образец материала 1 помещают в экранированную ячейку 2 с антенной 3 и нагружают при помощи устройства 4 с любой постоянной скоростью до полного разрушения. В процессе нагружения термопарой 5 контролируют температуру образца, с помощью обдува образца воздухом заданной температуры ее выдерживают постоянной в процессе нагружения образца, с помощью антенны и усилителя 6 регистрируют импульсы электромагнитной эмиссии. С помощью счетчика 8 регистрируют число импульсов, таймер 9 регистрирует текущее время. Накопленное число импульсов Ni и время ti процесса накопления этих импульсов поступают в запоминающее устройство 10, из которого их выводят на экран дисплея или принтер (фиг.2). Осциллограф 7 используют для контроля помех при проведении измерения.
Примером применения предлагаемого способа может служить следующее. Образец фенолоформальдегидного композита при температуре 293 К нагрузили с постоянной скоростью вплоть до полного разрушения. В результате испытания получена кинетическая кривая накопления импульсов электромагнитной эмиссии (фиг.2), по которой согласно уравнениям (5) и (6) определены кинетические константы U0 и γ. Затем по формуле (7) находим долговечность материала образца при заданной частоте нагружения (см. таблицу).
Таблица
|
Т | f |
|
γ | U0 | nц эксп | nц теор |
| МПА | К | 10-4 Гц | 102, Па/с | 10-28 м3 | 10-19 Дж | циклов | циклов |
| 1,53 | 293 | 1,25 | 1 | 2,14 | 1,7 | 27,7 | 29 |
Как видно из таблицы, в целом наблюдается удовлетворительное соответствие циклической долговечности образца композиционного материала, определяемой экспериментально и рассчитанной по формуле (7) на основе найденных из эксперимента кинетических констант разрушения образца (см. таблицу).
В таблице приняты следующие обозначения:
- амплитуда приложения сжимающей нагрузки,
Т - температура образца,
f - частота циклов нагружения - разгрузки;
- скорость нагружения - разгрузки;
U0, γ - кинетические константы разрушения материала;
nц эксп - экспериментально зафиксированное число циклов нагружения - разгрузки до разрушения образца;
nц теор - теоретическая оценка числа циклов нагружения - разгрузки до разрушения образца при заданных условиях.
Расхождение экспериментальных и теоретических данных составило примерно 5%.
Преимущества описанного способа заключаются в следующем:
- скорость нагружения выбирается менее 102. Это дает возможность повысить точность определения U0, и γ, т.к. в модели не пренебрегаем единицей в уравнении (3);
- снижается влияние температурных эффектов, тем самым повышается точность определения U0, γ, а следовательно, и долговечности материалов;
- нагружение образца производится только при возрастающей нагрузке.
Это позволяет не выполнять полный цикл нагружение-разгрузка при циклическом испытании, что дает возможность, не снижая точности прогноза долговечности материала образцов, избежать трудоемких испытаний на усталостную прочность.
Заявляемый способ позволяет повысить точность и уменьшить трудоемкость определения долговечности.
Способ определения долговечности образцов из композиционных материалов при циклических нагрузках, включающий нагружение образца с постоянной скоростью, регистрацию числа импульсов электромагнитной эмиссии во времени с момента начала нагружения вплоть до полного разрушения образца, и определения по измеренным параметрам кинетических констант прочности и долговечности материала, отличающийся тем, что в процессе испытаний образца поддерживают постоянную температуру, причем нагружение производится только при возрастающей нагрузке.
