СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВРЕЖДЕННОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ Российский патент 1999 года по МПК G01N29/14 G01N19/04 G01N3/00 

Изобретение относится к области исследования прочностных свойств материалов, в частности к исследованиям поврежденности образцов в процессе распространения в них ударных волн.

Известен способ определения повреждаемости нагруженного материала (патент N 2077046, кл. G 01 N 3/00, 1993), по которому количество трещин, образующихся в материале за время t, фиксируют методом малоуглового рентгеновского рассеивания, строят зависимость количества образующихся трещин от времени, экстраполируют ее до момента времени t, в который оценивают меру поврежденности как вероятность образования кластера из начальных трещин.

Однако данный способ не позволяет отслеживать изменение меры поврежденности в условиях ударного нагружения, а также невозможно в процессе проведения одного опыта получать информацию о поврежденности материала в различных сечениях и при различных уровнях механических напряжений.

В качестве прототипа авторами принят способ исследования кинетики развития трещины в металлическом образце (авт. св. N 390405, кл. G 01 N 3/00, 1973). Согласно данному способу через образец с трещиной пропускают переменный электрический ток, измеряют напряжение между двумя точками по краям трещины и по изменению напряжения судят о развитии трещины. К недостаткам данного способа следует отнести следующие:
- невозможность применения данного способа для исследования развития трещин в условиях ударного нагружения, так как при таком характере нагружения образца разрушение, как правило, происходит не в сечении, проходящем через имеющуюся в нем трещину;
- измерение падения электрического напряжения только на краях трещины не дает возможности получать информацию о распределении повреждений по длине образца.

Задачей настоящего изобретения является расширение возможностей и повышение точности измерений способа исследования поврежденности металлических образцов, в том числе при нагружении их ударной волной.

Поставленная задача решается следующим образом: через нагруженный образец пропускают электрический ток, измеряют падение электрического напряжения на участке между поперечными сечениями образца и по изменению этого напряжения судят о его поврежденности, причем неповрежденный образец длиной L нагружают ударной волной и измеряют падение электрического напряжения на каждом i-м его участке между соседними поперечными сечениями, расположенными по всей длине образца с шагом δ_i, а об изменении поврежденности на i-м его участке во времени судят по следующей зависимости:

где ρ - удельное электрическое сопротивление материала образца, [0м• м];
I - ток, протекающий через образец, A;
S - площадь поперечного сечения образца, м²;
U_i(t) - изменение напряжения на i-м участке образца, B;
i = 1,2,... m, L = Σδ_j.
На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего способ исследования поврежденности металлических образцов; на фиг.2 - звисимости поврежденности ω_i(t) от времени для различных участков.

Устройство для реализации способа содержит цилиндрический ударник 1, действующий на образец 2, выполненный в виде металлического цилиндра и включенный в электрическую цепь через контакты 3.1, 3.2 вместе с усилителем 4 и резистором R. На образце 2 закреплены контакты 5.1, 5.2, расположенные в сечениях, между которыми осуществляют измерение падения электрического напряжения. Расстояние между контактами и их положение на образце определяются значениями δ_i, которые выбираются исходя из технологических возможностей и необходимой точности измерения. К контактам 3.1, 3.2, 5.1, 5.2, попарно, подключаются осциллографы 6.1 - 6.3. Резистор R предназначен для осуществления обратной связи по току и позволяет поддерживать постоянное его значение в образце 2. Введение данной обратной связи дает возможность исключить влияние изменения электрического сопротивления образца в целом на характер падения электрических напряжений, измеряемых осциллографами 6.1 - 6.3.

Ударником 1 воздействуют на образец 2, генерируя ударные волны сжатия высокой интенсивности. Волны сжатия, распространяясь вдоль оси ударника 1 и образца 2, через различные временные промежутки выходят на их тыльные поверхности. После этого от тыльных поверхностей соударяющихся тел, навстречу друг другу, распространяются волны разгрузки. Интенсивное растяжение образца 2 начинается с момента столкновения волн разгрузки. Следствием этого растяжения является изменение поврежденности материала образца. При этом кинетика и значение поврежденности на каждом его участке различны. Рост поврежденности приводит к изменению электрического сопротивления участков образца, что в свою очередь вызывает увеличение электрического напряжения, измеряемого осциллографами 6.1 - 6.3. При этом, вплоть до момента полного разрушения образца 2, ток в цепи не меняется. При разделении образца 2 на части (полное разрушение) ток, проходящий через образец, становится равным нулю.

По полученным в результате проведения такого эксперимента кривым изменения напряжения U_i(t) и зная значения ρ,δ, I, S, легко найти, используя уравнение (1), зависимости поврежденности ω_i(t) для различных участков образца 2.

Пример реализации способа.

Ударник 1 и образец 2 изготавливались из стали 15 kn в виде цилиндров длиной 15 и 30 мм соответственно. На образце 2 в соответствии с принятыми значениями δ₁= δ₂= δ₃= 10 мм устанавливались контакты 5.1, 5.2. Образец 2 включался в электрическую цепь через контакты 3.1, 3.2 вместе с резистором R=0,1 0м. К контактам 3.1, 3.2, 5.1, 5.2 подключались осциллографы 6.1 - 6.3 марки CI-112. Ток в цепи в процессе проведения эксперимента был равен I=1 A. Контакты 3.1, 3.2, 5.1, 5.2 изготавливались из меди.

Ударником 1 со скоростью 240 м/с воздействовали на образец 2, вызывая разрушение последнего. Зависимости поврежденности ω_i(t), полученные в результате обработки данных экспериментов, приведены на фиг. 2. Кривые 1 и 3 соответствуют участкам, на которых наблюдалось неполное разрушение образца, а кривая 2 - участку, на котором произошло его разделение на части (полное разрушение).

Применение данного способа при исследовании свойств материалов в условиях высокоскоростного нагружения, в частности исследовании поврежденности металлических образцов в различных их сечениях, не сопряжено с технологическими трудностями практической реализации и позволяет изучать сложные физические процессы при гарантированном минимуме погрешности измерений.

Заявляемый способ позволяет расширить возможности методов исследования поврежденности металлических образцов, а также повысить точность измерений за счет их проведения на нескольких участках образца различной толщины и введения обратной связи по току.

Способ может быть использован для исследования прочностных свойств материалов, в частности для исследования поврежденности образцов в процессе распространения в них ударных волн. Неповрежденный образец включают в электрическую цепь, нагружают ударной волной и измеряют падение электрического напряжения на каждом i-м его участке между соседними поперечными сечениями, расположенными по всей длине образца с шагом σ_i.. 0б изменении поврежденности образца в процессе распространения в нем ударных волн судят по падению электрического напряжения на его участках. Изобретение решает задачу расширения возможностей и повышения точности исследования поврежденности металлических образцов при минимальных материальных затратах. 2 ил.

Способ исследования поврежденности металлических образцов, заключающийся в том, что через нагруженный образец пропускают электрический ток, измеряют падение электрического напряжения на участке между поперечными сечениями образца и по изменению этого напряжения судят о его поврежденности, отличающийся тем, что неповрежденный образец длиной L нагружают ударной волной и измеряют падение электрического напряжения на каждом i-м его участке между соседними поперечными сечениями, расположенными по всей длине образца с шагом δ_i, а об изменении поврежденности на i-м его участке во времени судят по следующей зависимости:

где ρ - удельное электрическое сопротивление материала образца, Oм•м;
I - ток, протекающий через образец, А;
S - площадь поперечного сечения образца, м²;
U_i(t) - изменение напряжения на i-м участке образца, В;
i=1,2, ...m;
L = Σδ_i.