Способ определения момента времени возникновения предразрывного состояния нагруженного материала

 

Изобретение относится к области исследования материалов путем определения их физических свойств, конкретно - к определению критериев разрушения твердого тела, и может использоваться для определения момента времени формирования локализованного очага разрушения в деталях машин и механизмов, в массивах горных пород при подготовке горных ударов и землетрясений. Способ решает задачу количественного определения момента времени возникновения предразрывного состояния материала. Для этого при регистрации сигналов от образующихся в материале трещин измеряют времена прихода п последовательных сигналов и производят вычисление по предложенной формуле, повторяют вышеперечисленные операции для последующих совокупностей таких сигналов, строят график вычисленной величины до тех пор, пока он не пройдет через нуль, верхнюю и нижнюю границы доверительного интервала, определенного для точки d = 0, а момент времени возникновения предразрывного состояния материала определяют как точку пересечения функцией оси абсцисс. Способ может применяться при прогнозировании горных ударов, землетрясений, разрушения деталей машин и механизмов. 3 ил.

Изобретение относится к области исследования материалов путем определения их физических свойств, а конкретно к определению критериев разрушения твердого тела, и может использоваться для определения момента формирования локализованного очага разрушения /магистральной трещины/ в деталях машин, конструкциях и массивах горных пород при подготовке горных ударов и землетрясений.

Аналогом является способ /1/, в котором регистрируют акустическую эмиссию в нагруженном материале, измеряют ее активность в зависимости от времени t, строят график , на котором сильное возрастание активности интерпретируют как близкое разрушение объекта. Недостаток этого способа заключается в отсутствии количественного критерия возрастания величины .

В способе прототипе /2/ регистрируют акустическую эмиссию от образующихся трещин и измеряют временные интервалы Dt между хронологически последовательными сигналами. Для имеющих случайный характер интервалов в различные моменты времени вычисляют коэффициент вариации V. Уход величины V от единицы в сторону больших значений определяется как возникновение предразрывного состояния формирование локализованного очага разрушения. Этот способ позволяет зафиксировать переход от стационарного к нестационарному потоку величины Δt. Однако, принципиальная нестационарность генерации трещин и на стадии, предшествующей вознковению предразрывного состояния, не позволяет считать прототип конкректным. Эта нестационарность вызвана увеличением среднего интервала во времени t и проявляется, в частности, как "затухание" активности , которая, будучи определяемой отношением числа зарегистрированных импульсов акустоэмиссии к длительности наблюдения, равна .

Задачей изобретения является определение момента времени возникновения предразрывного состояния нагруженного материала /нахождение количественного критерия/.

Эта задача решается тем, что, в известном споcобе определения момента времени возникновения предразрывного состояния нагруженного материала путем регистрации сигналов от образующихся трещин и измерения их временных характеристик, согласно формуле изобретения, измеряют времена прихода n последовательных сигналов t_j, j 0,1,2. / n I/, вычисляют величину где повторяют вышеперечисленные операции для последующих подобных совокупностей сигналов, строят график d(t) до тех пор, пока он не пройдет через нуль и верхнюю и нижнюю границы доверительного интервала, определенного для точки d 0 и момент времени возникновения предразывного состояния материала определяют как точку пересечения функцией оси абсцисс.

Сущность способа.

Установлено, что разрушению /распаду на части/ нагруженных твердых тел предшествуют две стадии термоактивированного трещинообразования: делокализованное /хаотическое /накопление стабильных трещин в объеме, сопровождающееся спонтанной клоастеризацией /укрупнением начальных трещин/, приводящей к формированию очага разрушения магистральной трещины /первая стадия/, и локализованный рост магистральной трещины, переходящей в атермический режим /вторая стадия/.

Авторами заявляемого способа впервые установлено, что эти стадии различаются не только по указанному выше характеру пространственных корреляций при развитии трещин, но и зависимостью от времени среднего временного интервала в потоке трещин. В силу исчерпания резервуара неразрушенных элементов и структурной неоднородности материала на первой стадии функция возрастает. Увеличение концентрации напряжений в окрестности магистральной трещины при ее росте приводит на второй стадии к убыванию . Таким образом, смене стадий на графике отвечает максимум, обнаружение которого имеет смысл регистрации момента возникновения предразрывного состояния. В момент прохождения функции через максимум ее производная становится равной нулю. Статистическим эквивалентом /среднеквадратичной оценкой/ этой производной, отражающим случайный характер времен прихода сигналов, как установлено авторами, является величина d(t), выражение для которой приведено в формуле изобретения. Возникающие при обработке /например, компьютерной /банка времен прихода сигналов статистически обусловленные площадки на графике функции приводят к появлению ложных нулей величины d(t) в окрестности которых, однако, функцию d(t) можно разместить внутри некоторого интервала, называемого доверительным. Доверительный интервал зависит от объема выборки, вида функции распределения коэффициента надежности. Величина d в области ложных нулей не выходит за границы доверительного интервала, а признаком истинного /глобального/ нуля случайной величины d(t) считается пересечение функциeй d(t) обеих границ доверительного интервала /полосы/ в окрестности нулевого значения.

Пример.

Был использован образец в форме двойной лопатки из низкоуглеродистой стали со сварным швом. Образец растягивался циклической нагрузкой и доводился до разрушения. Образование трещин фиксировалось методом акустической эмиссии. Осуществлялся непрерывный сбор и запись времен t_j прихода сигналов. На фиг.1 графически представлена заключительная часть банка полученных значений t_j и соответствующих им интервалов Δt_j /значения которых соединены линией/. На основе этих данных на фиг.2 компьютером построен график функции d(t) и пунктиром обозначены границы доверительного интервала при d=0. При расчетах в данном примере величина объема выборки n принималась равной не менее 10, но не более 10% от общего числа накопленных сигналов. Вообще, значение n не может быть задано априори и его выбор зависит от характера диагностируемого объекта. Как видно из фиг.2 график d (t) проходит через нуль несколько раз в различные моменты времени. Однако обе границы доверительного интервала пересекает только фрагмент графика, проходящий через нуль в момент τ₁₌₁₂₀. Согласно формуле изобретения этот момент времени отвечает возникновению предразрывного состояния, а все другие точки пересечения оси абсцисс графиком d(t), не выходящим за пределы доверительного интервала, являются ложными нулями и не определяют момента времени возникновения предразрывного состояния.

Вскоре после момента τ₁ исследуемый образец был разгружен и в нем в области сварного шва была обнаружена микротрещина длиной 1,3 мм. Поскольку размер ранее генерируемых трещин составлял в среднем 30 мкм, обнаруженную более крупную трещину классифицировали как локализованный очаг дальнейшего разрушения. Действительно, последующее наблюдение за нагруженным образцом показало, что эта трещина растет и приводит к распаду образца.

Таким образом, приведенный пример подтверждает возможность определения заявленным способом момента времени возникновения предразрывного состояния нагруженного материала локализованного очага разрушения.

На фиг.3 представлена рассчитанная для рассматриваемого образца временная зависимость коэффициента вариации величин Δt_j, согласно прототипу призванная регистрировать возникновение предразрывного состояния. Видно, что "цель" пропущена момент τ₁ или какой-либо другой не выделен никакой особенностью. Применение способа не ограничено характером материала /металлы, сплавы, полимеры, горные породы и др. /, видом напряженного состояния /растяжение, изгиб, кручение, сложно-напряженное состояние/, способа регистрации сигналов от образующихся трещин /которые могут быть акустоэмиссионными, электрическими, электромагнитными/. Информации о действующих значениях напряжений, виде напряженного состояния, структуре материала и его предыстории /длительности пребывания под нагрузкой, концентрации накопленных трещин / не требуется.

Способ может применяться как в режиме непрерывной регистрации сигналов, так и в режиме периодической региcтрации в течение определенных интервалов времени. Применение способа возможно в условиях эксплуатации объекта, нагруженного рабочими напряжениями. Если измеряемые при этом интервалы между сигналами слишком велики, их регистрация может быть проведена в режиме "перегрузки" объекта /они создаются при пневмо- или гидро-испытаниях сосудов давления, взрывах в шахтах и другими способами/. В этом случае величина временного интервала между сигналами уменьшается, что однако, не сказывается при установлении характера стадии трещинообразования, на которой находится диагностируемый материал, и не влияет на способ определения момента времени его предразрывного состояния.

Формула изобретения

Способ определения момента времени возникновения предразрывного состояния нагруженного материала, заключающийся в том, что регистрируют время t_j возникновения акустоэмиссионных сигналов от образующихся трещин, отличающийся тем, что по результатам измерения по n последовательным сигналам определяют функцию где а момент времени возникновения предразывного состояния нагруженного материала определяют по моменту равенства нулю указанной функции при превышении ею перед этим положительного и отрицательного заданных порогов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3