Способ определения остаточного ресурса нагруженного материала

 

Изобретение относится к исследованиям разрушения материала, в частности, к определению временного остаточного ресурса в условиях длительного нагружения, и может применяться для оценки работоспособности и надежности различных деталей и конструкций, а также для прогнозирования горных ударов и землетрясений. Изобретение решает задачу количественного определения временного остаточного ресурса материала путем регистрации сигналов от развивающихся трещин в нагруженном материале, определения для последовательных моментов времени t средних значений временного интервала между ними, построения графика , от времени t, аппроксимации его прямой линией до точки τ пересечения с осью абсцисс и вычисления остаточного ресурса Dt на момент времени t_o из соотношения Δτ = τ -t_o . 3 ил.

Изобретение относится к диагностике разрушения материалов, в частности к определению их временного остаточного ресурса в условиях длительного нагружения, и может найти применение для оценки работоспособности различных деталей машин, конструкций, а также при прогнозировании времени горных ударов и землетрясений.

Известен способ [1] в котором время τ до разрушения объекта при постоянном одноосно растягивающем напряжении σ определяется с момента приложения нагрузки из соотношения τ ~ Θ τ_oexp, где Т абсолютная температура окружающей среды, К постоянная Больцмана, τ_o 10^-13 с; U_о и γ характеристики структуры материала объекта, определяемые при разрушающих испытаниях образцов материала.

В этом способе ввиду неопределенности численного коэффициента между τ и Θ и наличия статистического разброса возможна лишь порядковая оценка и исключается использование его при малых напряжениях, при нестационарном и сложнонапряженном состоянии, а также после пребывания под нагрузкой в течение неопределенного времени.

За прототип взят способ [2] в котором регистрируют сигналы от развивающихся (зарождающихся и растущих) трещин в нагруженном объекте, измеряют как функцию времени t интенсивность акустической эмиссии (число акустических сигналов в единицу времени), строят график (t), на котором сильное (достаточно резкое) возрастание интенсивности интерпретируется как близкое разрушение.

Однако отсутствие критерия разрушения не позволяет использовать прототип для количественного определения остаточного ресурса.

Задачей изобретения является возможность количественного определения времени до разрушения (остаточного ресурса) нагруженного материала при отсутствии информации о характере напряженного состояния и продолжительности пребывания под нагрузкой.

Это достигается в известном способе определения остаточного ресурса нагруженного материала путем регистрации сигналов от развивающихся трещин в нагруженном материале и измерения интервалов времени между ними, согласно формуле изобретения для последовательных моментов времени t определяют среднее значение интервалов (с), строят график зависимости y 13+lg от времени t, в области убывания зависимости у(t) аппроксимируют график прямой линией, экстраполируют ее до точки пересечения τ с осью абсцисс, а остаточный ресурс Δ τ в момент времени t_o определяют из соотношения Δ τ τ t_o.

Разрушению нагруженного материала предшествует трещинообразование, в общем случае содержащее три стадии: делокализованное образование термоактивируемых стабильных начальных трещин, формирующее магистральную трещину (первая стадия), термоактивированная генерация трещин и присоединение их к магистральной под действием создаваемой ею концентрации напряжений (вторая стадия), атермический рост магистральной трещины, приводящий к распаду объекта на части (третья стадия).

Временной интервал при генерации трещин определяется временем ожидания термической активации и для средних значений определяется как Θ τ_oexp.

Энергия активации U на первой стадии (вследствие структурного упрочнения) возрастает (после начального трещинообразования на технологических дефектах), на второй стадии (вследствие роста концентрации напряжений в окрестности магистральной трещины) величина U убывает линейно со временем, а на третьей стадии (по определению атермического процесса) U 0.

Поскольку длительностью атермического раста трещины (происходящего с околозвуковой скоростью) по сравнению с более медленными стадиями термоактивированного трещинообразования можно пренебречь, время τ разрушения нагруженного объекта определяется моментом перехода в третью стадию, когда U 0, а средний временной интервал в потоке актов трещинообразования уменьшается до предельного значения τ_o= 10^-13c.

Установлено на основе измерений интервалов Δ t между моментами прихода сигналов от образующихся в нагруженном материале трещин существование убывающей временной зависимости lg ( /τ_o), откуда определяется зависимость у 13 + lg , а ее линейная экстраполяция на ноль позволяет найти значение времени до разрушения и максимальную величину остаточного на данный момент ресурса нагруженного материала (верхнюю его оценку).

Интенсивность акустической эмиссии ∞ ^-1, т.е. увеличение интенсивности соответствует убыванию среднего значения интервала. Заявляемый способ позволяет использовать регистрацию не только сигналов акустоэмиссии, но и, например, электрических, электромагнитных и др.

Предлагаемый способ позволяет не только указать на "близкое разрушение", но и, выявив специфику поведения функции (t) (убывание в преддверии разрушения), характеризующей процесс трещинообразования в материале, и определив критерий разрушения как 10^-13 с, определить количественно остаточный ресурс материала нагруженного объекта.

П р и м е р. Изучалась возможность определения остаточного ресурса крупномасштабной металлоконструкции (макет стрелы каналокопателя), изготовленной из Ст 5, содержащей сварные швы, в условиях циклического нагружения. Трещины регистрировались методом акустической эмиссии. С помощью комплекса вычислительной аппаратуры формировался банк данных, содержащий информацию о каждом сигнале акустической эмиссии, в частности время его прихода. Программное обеспечение позволяет лоцировать область формирования магистральной трещины и определять зависимость от времени t среднего временного интервала между каждыми двумя последовательными сигналами, идущими из этой области.

График (t), полученный для исследуемой конструкции, приведен на фиг.1. На его базе, после прохождения функцией максимума, в момент времени τ₁, в области ее убывания строят график величины y 13 + lg в различные моменты времени (фиг. 2), которую аппроксимируют прямой линией и экстраполируют до пересечения с осью абсцисс. Точка пересечения τ ≈ 43 ч.

Таким образом, согласно формуле изобретения на время, отсчитываемое условно от начала нагружения, t_о 10 ч, остаточный ресурс Δ τ τ t_o= 33 ч. В действительности, после момента t_o разрушение наступило через 30 ч.

На фиг. 3 для той же металлоконструкции приведен график временной зависимости интенсивности акустической эмиссии и отмечено время τ₁, начиная с которого возможно применение предлагаемого способа (точка τ₁на фиг.1), и соответствующее время τ_п прототипа. Как видно, в прототипе предразрывное состояние обнаруживается позже, и кроме того, невозможно определить остаточный ресурс количественно. Область применения предлагаемого способа не ограничена характером материала и объекта из него, видом напряженного состояния и его зависимостью от времени, методом регистрации сигналов и видом (типом) сигналов, причем информации о предыстории состояния материала (действующих значениях напряжений, виде напряженного состояния, длительности пребывания под нагрузкой, концентрации накопленных трещин) не требуется.

Способ можно успешно применять при контроле надежности конструкций, деталей из всевозможных материалов, для прогнозирования разрушения сосудов давления, трубопроводов и т.п. прогноза горных ударов и землетрясений.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА НАГРУЖЕННОГО МАТЕРИАЛА, по которому регистрируют сигналы от развивающихся трещин в нагруженном материале, измеряют интервалы времени между ними, определяют параметр, характеризуемый этими интервалами времени, строят график зависимости этого параметра от времени t и с помощью этого графика определяют остаточный ресурс, отличающийся тем, что в качестве параметра выбирают среднее значение времени ожидания термической активности, строят график зависимости от времени t в области убывания, аппроксимируют график прямой линией, экстраполируют ее до точки τ пересечения с осью абсцисс, а остаточный ресурс Dt в момент времени t определяют из соотношения Dt = τ-t_o.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3