Способ определения долговечности образцов из композиционных материалов

 

Изобретение относится к контролю прочности и долговечности образцов из композиционных материалов по акустической или электромагнитной эмиссии при их разрушении. Целью изобретения является повышение производительности и снижение трудоемкости контроля. Это достигается тем, что для определения кинематических констант прочности и долговечности материала образцы измеряют число импульсов заданной длительности и амплитуды за время с момента разрушения образца до разделения его магистральной трещиной на части при нагружении со скоростью в диапазоне 10³-10⁴ Па/с, что исключает необходимость проведения длительных температурных испытаний. 1 ил.

Изобретение относится к контролю прочности и определению долговечности образцов из композиционных материалов по акустической или электромагнитной эмиссии.

Известен способ прогноза разрушения, включающий регистрацию во времени эмиссионных импульсов, измерение их частот, амплитуды, скорости изменения амплитуды и частоты по времени и определение по одновременному уменьшению обеих скоростей начала разрушения материала [1].

Наиболее близким к изобретению является способ [2] определения долговечности образцов из композиционных материалов, заключающийся в том, что образец нагружают с постоянной скоростью, регистрируют импульсы электромагнитной эмиссии во времени и определяют кинетические константы прочности и долговечности материала образца, по которым определяют долговечность образца по формуле: τ = τ_oexp - , (1) где τ - долговечность материала при заданном уровне действующих напряжений σ.

U_о и γ - кинетические константы прочности и долговечности материала образца.

Недостатком данного способа является необходимость предварительного определения кинетических констант прочности материала U_о, γ путем длительных испытаний образцов при заданных нагрузках и различных температурах.

Цель изобретения - повышение производительности и снижение трудоемкости контроля.

Это достигается тем, что в способе определения долговечности образцов из композиционных материалов, заключающемcя в том, что образец нагружают с постоянной скоростью, регистрируют импульсы электромагнитной эмиссии во времени и определяют кинетические константы прочности и долговечности материала образца, по которым судят о контролируемом параметре, скорость нагружения выбирают в диапазоне 10³-10⁴ Па/с, регистрируют число импульсов электромагнитной эмиссии заданной длительности и амплитуды с момента разрушения образца до разделения его магистральной трещиной на части, а кинетические константы прочности и долговечности материала образца определяют по измеренным параметрам.

На чертеже показана схема установки, реализующей способ.

Испытуемый образец 1 материала нагружается с помощью устройства 2 с постоянной скоростью. С помощью антенны 3, усилителя-дискриминатора 4 регистрируют импульсы электромагнитной эмиссии заданной длительности и амплитуды. С помощью счетчика 5 накапливается число импульсов электромагнитной эмиссии, таймер 6 регистрирует текущее время. Накопленное число импульсов N_i и время t_i процесса накопления импульсов поступают в запоминающее устройство 7, из которого они могут быть выведены на цифропечать или на экран графического дисплея. Температура образца выбирается равной температуре воздуха в момент разрушения.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Композиционные материалы состоят из волокон и связующего материала. Микроразрушение (образование микротрещин) начинается, как правило, на границе волокон и связующего компонента вследствие разрыва адгезионных контактов. В момент разрыва адгезионных связей излучаются импульсы акустической и электромагнитной эмиссии. Длительность импульсов определяется размерами образующих микротрещин. Поэтому, регистрируя импульсы определенной длительности и амплитуды (наиболее крупные дефекты), можно подсчитать полное число микротрещин заданных размеров, накопленных за определенный интервал времени.

В качестве математической модели трещинообразования используются, как правило, уравнение для скорости трещинообразования: = exp - (2) и условие необратимости накопления микротрещин определенных размеров: dt = N^* (3) где N^* - максимальная концентрация микротрещин, накопленных за время τ, равное ресурсу долговечности образца материала.

Из данных уравнений при постоянной скорости нагружения, полагая σ = t, можно получить для связи текущего времени t с числом накопленных импульсов (микротрещин): t ≈ ln+ln + .

Данное выражение получено из (3) при exp ≫ 1, которое выполняется для композитов при > 10³ .

Регистрация числа накапливаемых N_i импульсов за время t_i позволяет определить константы U_o, γ для данного образца путем минимизации следующего выражения: f =t_i- - ln __→ , где α = - ln ; β = .

_{= - = 0}; _{= - = 0};
Отсюда, обозначив Θ_i= ln, получают:


Эту систему уравнений можно переписать:
nα+β = t
α Θ_i+β Θ²_i = t
Решая эту систему относительно α и β, получим:
β = =
α = - ln =
Отсюда, находим константы:
γ = (4)
U_o= kTln+ (5)
Долговечность образца определяют по формуле (1).

Преимущества описанного способа заключаются в следующем:
регистрируются импульсы заданной длительности. Это дает возможность более надежно и точно определять количество самых крупных микротрещин, поскольку при записи всех поступающих импульсов часть из них (более коротких и более слабых) связана не с микротрещинами, а с формированием линий скольжения дислокаций и с другими причинами;
скорость нагружения выбирают 10³-10⁴ Па/с. Это дает возможность уменьшить трудоемкость измерений, так как позволяет снизить время испытаний и объем обрабатываемой информации;
кинетические константы прочности U_o и γ определяются для нагружаемого образца по числу накопленных импульсов заданной длительности, времени процесса и критическому числу трещин N^* в момент разрушения. Это дает возможность, не снижая точности определения U_o и γ, избежать трудоемких и длительных температурных испытаний прочности композитов в условиях нагружения постоянной нагрузкой.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ОБРАЗЦОВ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, заключающийся в том, что образец нагружают с постоянной скоростью, регистрируют импульсы электромагнитной эмиссии во времени и определяют кинетические константы прочности и долговечности материала образца, по которым судят о контролируемом параметре, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и снижения трудоемкости контроля, скорость нагружения выбирают в диапазоне 10³ - 10⁴ Па/с, регистрируют число импульсов электромагнитной эмиссии заданной длительности и амплитуды с момента разрушения образца до разделения его магистральной трещиной на части, а кинетические константы прочности и долговечности материала образца определяют по измеренным параметрам.

РИСУНКИ

Рисунок 1