Способ нагружения материала силовой конструкции

 

Изобретение относится к механическим нагружениям преиумущественно при усталостном разрушении и может найти применение при усталостных испытаниях, а также при управлении разрушением конструкции в процессе ее эксплуатации. Нагружение образца или конструкции осуществляется в два этапа. На первом этапе в контакте с материалом конструкции вводят активатор в твердой фазе, например, это может быть металл, расплав которого снижает поверхностную энергию трещинообразования материала конструкции. Нагружение осуществляют при уровнях нагрузки не выше предельного для материала с активатором. На втором этапе обеспечивают нагрев нагружения до температуры не ниже температуры плавления активатора. 2 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к механическим нагружениям, преимущественно при управлении разрушением конструкции в процессе ее эксплуатации, а также при усталостном разрушении, и может найти применение при усталостных испытаниях.

Наиболее близким к данному техническому решению является способ нагружения, раскрытый в способе испытаний конструкционных материалов на длительную прочность и ползучесть в высокотемпературных жидкометаллических теплоносителях [1] в соответствии с которым материал нагружают в условиях нагрева и контакта с жидким металлом, являющимся активатором разрушения материала.

Недостатком прототипа является то, что он не позволяет управлять процессом разрушения. Данный недостаток связан с тем, что материал конструкции в процессе всего нагружения характеризуется одной предельной величиной, определяемой нагружением материала в контакте с активной средой.

Цель изобретения появление возможности управления процессом разрушения.

Цель достигается за счет того, что нагружение осуществляют в два этапа, предварительно (на первом этапе) в контакт с материалом вводят активатор разрушения в твердой фазе, а контакт материала с активатором в жидкой фазе и разрушение осуществляют на втором этапе, для чего обеспечивают на втором этапе нагрев объекта нагружения до температуры не ниже температуры плавления активатора, и нагружение осуществляют при уровнях нагрузки не выше предельного для материала без активатора, но на втором этапе выше предельного для материала с активатором. Кроме того, нагрев объекта нагружения осуществляют за счет его саморазогрева при действии усталостной нагрузки или на втором этапе нагружение сопровождают аэродинамическим обдувом материала потоком с температурой торможения выше температуры плавления активатора.

Сущность заявленного способа состоит в том, что активатор разрушения проявляет свое влияние на скорость раскрытия поверхностных трещин (ослабляет их взаимодействие), лишь пребывая в жидкой фазе, поэтому материал конструкции до взаимодействия с расплавленным активатором "не чувствует" его присутствия.

Устройство для реализации способа представляет собой нагружатель, снабженный средствами нагрева объекта нагружения и средствами закрепления на объекте нагружения в заданных местах фрагментов активатора в твердой фазе. Конкретный вид и техническое исполнение таких средств не существенны для заявленного способа, они широко известны в практике испытаний.

Способ реализуется следующим образом.

Нагружение образца или конструкции осуществляется в два этапа. На первом этапе в контакте с материалом конструкции вводят активатор в твердой фазе, например, это может быть металл, расплав которого снижает поверхностную энергию трещинообразования материала конструкции, а температура плавления ниже температуры плавления материала конструкции. Нагружение осуществляют при уровнях нагрузки не выше предельного для материала без активатора, но на втором этапе выше предельного для материала с активатором.

На втором этапе обеспечивают нагрев объекта нагружения до температуры не ниже температуры плавления активатора. Проведя серию опытов при одной и той же истории механического нагружения, но начиная нагрев в разные моменты времени, можно построить зависимость ресурса конструкции на втором этапе от начальной поврежденности, вызванной нагружением на первом этапе. Кроме того, можно обеспечить управление разрушением за счет изменения времени начала второго этапа. Нагрев материала можно осуществить за счет его саморазогрева при действии усталостной нагрузки, либо на втором этапе нагружение сопровождают аэродинамическим обдувом материала потоком с температурой торможения выше температуры плавления активатора.

Пример реализации способа.

Продемонстрируем способ на примере нагружения сферической оболочки (например, несущей конструкции космического аппарата), выполненной из алюминиевого сплава. В качестве активатора будем использовать расплав галлия, фрагменты которого в твердой фазе равномерно распределим по поверхности. На первом этапе воспроизведем нагрузки, соответствующие полетным нагрузкам, уровень которых, как известно, ниже разрушающих. На втором этапе воспроизведем нагрузки, соответствующие входу КА в атмосферу, сопровождаемому резким аэродинамическим разогревом конструкции. Поскольку температура плавления галлия составляет примерно 320К, он расплавится задолго до плавления алюминиевых элементов. В то же время галлий является сильным активатором процесса поверхностного разрушения алюминия и его сплавов, поэтому с моментом плавления галлия материал оболочки вступает в режим нагружения при ограниченном ресурсе.

Пусть нагружение является циклическим при уровне напряжения 30% от предела выносливости на базе 100 тыс. циклов. Нагружение трех оболочек на первом этапе осуществим при 10, 20 и 30 тыс. циклов соответственно, после чего нагреем оболочку до 320 К и зафиксируем момент ее разрушения в местах контакта с расплавленными фрагментами галлия. Число циклов до разрушения на втором этапе составило 2,5; 2,2 и 1,9 тыс. циклов соответственно, т.е. величина начальной поврежденности для второго этапа заметно снизила остаточный ресурс материала, что видно из анализа полученной зависимости.

Таким образом, заявленный способ может быть использован для управления разрушением конструкций, а также для усталостных испытаний материалов и конструкций.

Формула изобретения

1. СПОСОБ НАГРУЖЕНИЯ МАТЕРИАЛА СИЛОВОЙ КОНСТРУКЦИИ, по которому нагружают материал конструкции механической нагрузкой при одновременном нагреве и воздействии на него активатора в жидкой фазе, отличающийся тем, что до нагрева материала к нему прикладывают предварительную механическую нагрузку величиной, равной или меньшей предельной для материала без активатора, при одновременном воздействии активатора в твердой фазе, а нагружение при нагреве, температуру которого поддерживают равной или выше температуры плавления активатора, осуществляют при нагрузке, величину которой поддерживают выше предельной для материала с активатором в жидкой фазе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев материала осуществляют за счет его саморазогрева при действии нагрузки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагружение при нагреве сопровождают аэродинамическим обдувом материала потоком с температурой торможения выше температуры плавления активатора.