СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАПАСА ПРОЧНОСТИ НАГРУЖЕННОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2001 года по МПК G01N29/14 G01N19/04 

Описание патента на изобретение RU2167421C2

Изобретение относится к области анализа материалов путем определения их физических свойств, точнее к диагностике напряженного состояния нагруженных материалов, в частности к определению превышения разрушающего напряжения (предела прочности) над уровнем действующих механических напряжений, и может найти применение для выявления в материале дефектов - концентраторов напряжения, для оценки долговечности и остаточного ресурса трубопроводов, сосудов давления, деталей машин и механизмов и т.д.

Запасом прочности S нагруженного материала принято, называть величину превышения пределом прочности материала σ* уровня напряжения σ , действующего в материале вследствие приложения нагрузки P, то есть
S = σ*/σ. (1)
Обычно при определении S находят σ как функцию P из расчета [1] или из измерений в нагруженном материале деформаций [2], а σ* измеряют независимо при разрушении лабораторных образцов. Изучение физической природы разрушения приводит к аналитическому выражению
σ*= (Uo-RTlnτo*)/γ (2)
где U0 - начальная энергия активации разрушения материала (константа, не зависящая от его дефектной структуры), Т - абсолютная температура, R - универсальная газовая постоянная, τo = 10-13 с, τ* = 1 с, γ - характеристика, отражающая состояние дефектной структуры материала [3]. При расчете σ* величина в скобках (2) является известной и задача сводится к нахождению значения γ . Соответственно и определение S сводится к нахождению γ , поскольку процедура нахождения σ является стандартной.

Известен способ [4], в котором материал нагружают постоянным напряжением σ , измеряют времена τi прихода дискретных сигналов акустической эмиссии (АЭ) и рассчитывают величину
γi= (Uo-RTlnτio)/σ.
В этом способе значение γ в выражении для предела прочности (2) предлагают находить путем экстраполяции, алгоритм которой однако не обоснован.

За прототип взят способ определения адгезии полимера к металлу [5], позволяющий на основе формулы (2) определить предел прочности и тем самым запас прочности материала, нагруженного напряжением σ, включающий воздействие на материал напряжения, равномерно увеличивающегося со временем t, измерение зависимости числа сигналов АЭ N(t) и определение значения γ из наклона графика ln N - t. Способ-прототип содержит алгоритм определения значения γ, но ограничен по материалу (композит полимер-металл). При перенесении способа-прототипа на стали и другие металлические материалы возникает опасность разрушения объекта при испытаний. Кроме того, использование способа-прототипа требует нагружения с постоянной скоростью роста напряжений. Однако реализовать такой режим нагружения промышленной конструкции трудоемко или практически невозможно.

Общим недостатком существующих подходов к определению запаса прочности (1) является раздельное определение напряжения σ и предела прочности σ*. При этом может быть пропущен локализованный дефект-концентратор напряжения, ответственный за реальную прочность конструкции, поскольку процедура определения S при расчете не предполагает наличия такого дефекта: при измерении осуществляется усреднение напряжений по значительной длине (порядка 1 см), а предел прочности измеряется на бездефектных образцах. Указанные обстоятельства снижают точность определения S.

Задачами изобретения являются расширение круга исследуемых материалов, снижение трудоемкости и повышение точности определения запаса прочности нагруженного материала.

Это достигается тем, что в известном способе определения запаса прочности нагруженного материала, по которому в исследуемом нагруженном материале регистрируют импульсы акустической эмиссии и измеряют их количественные характеристики, согласно формуле изобретения материал нагружают двумя нагрузками P1 и P2, измеряют скорость счета АЭ N1 и N2 при этих нагрузках и запас прочности при нагрузке P1 определяют из соотношения
S1 = (P2 - P1)lgA/P1lg(N2/N1),
lgA = (Uо/2,3 RT) - 13,
где Uо - начальная энергия активации разрушения, Т - абсолютная температура исследуемого нагруженного материала, R - универсальная газовая постоянная.

Сущность способа.

В кинетической теории прогнозирования разрушения [6] показано, что разрушение обусловлено накоплением критической концентрации начальных стабильных делокализованных трещин C*, так что время τ до разрушения при постоянном напряжении σ есть
τ =C*/C, (3)
где С - скорость накопления трещин, и имеет вид формулы Журкова
τ = τoexp[(Uo-γσ)/RT] (4)
С учетом выражений для запаса прочности (1) и предела прочности (2) формула (4) преобразуется к виду
τ = τ*A(s-1)/s, A = (τo*)exp(Uo/RT). (5)
При регистрации дискретной АЭ, соответствующей генерации начальных трещин (начиная от микроскопического размера), величина C пропорциональна скорости счета АЭ N, так что выражения (3) - (5) возможно переписать в виде
N=N*/ τ* A(S-1)/S, (6)
где N* - аналог величины C*. При двух значениях напряжения, приводящих к запасам прочности S1 и S2, отношение соответствующих двух скоростей счета составит
N2/N1=A1/S2-1/S1 (7)
С учетом определения запаса прочности (1)
1/S2-1/S1= (σ21)/σ1S1. (8)
Наконец, поскольку напряжение σ пропорционально нагрузке P, из (7) и (8) окончательно находим
S1 = (P2 - P1)lgA/P1 (N2/N1) (9)
Автору впервые удалось установить количественную универсальную связь между запасом прочности реального (содержащего дефекты) нагруженного материала и скоростью генерации в нем дискретных импульсов АЭ, соответствующих подготовке материала к разрушению на стадии накопления рассеянных повреждений (делокализованных начальных трещин).

В отличие от прототипа предлагаемый способ справедлив для любых материалов (в которых возможна регистрация трещинообразования методом АЭ) менее трудоемок (так как установление двух фиксированных постоянных значений нагрузки проще, чем нагружение с постоянной скоростью роста напряжений), более точен (поскольку не содержит процедуры перехода от нагрузки к напряжению и не требует раздельного определения действующего напряжения и предела прочности). Реализация предлагаемого способа не требует пересчета нагрузки на напряжение.

Способ осуществляют следующим образом. По литературным данным либо на образцах исследуемого материала определяют величину начальной энергии активации разрушения U0 и рассчитывают величину lgA (5) для данной температуры Т. На объекте задают постоянную нагрузку, регистрируют дискретную акустическую эмиссию и определяют ее скорость счета. Затем то же повторяют для другой нагрузки и по формуле изобретения рассчитывают запас прочности исследуемого материала при первой нагрузке.

Пример реализации способа.

Определялся запас прочности образца цинка в условиях одноосного растяжения при температуре 90oC. Согласно литературным данным [6], для цинка Uо = 130 кДж/моль, то есть при температуре исследования lgA = 5,84. В нагруженном образце регистрировалась АЭ и измерялась скорость ее счета, которая при нагрузке P1 = 3000 H оказалась равной lgN1 = 2,75, а при нагрузке P2 = 6000 H lgN2 = 4,5. Согласно формуле изобретения при этих данных для нагрузки P1 запас прочности равен S1 = 3,33. Для проверки этого расчета образец был разрушен и разрушающая нагрузка оказалась равной P* = 9000 H, то есть нагрузке P1 = 3000 H соответствовал запас прочности, равный 3. Таким образом, определение запаса прочности по предлагаемому способу находится в удовлетворительном согласии с оценкой запаса прочности в независимом опыте.

Предлагаемый способ может быть использован для исследования различных металлоконструкций, изделий из композиционных материалов, для исследования напряженного состояния массива горных пород в шахтах и т.д. в тех случаях, когда для регистрации процесса трещинообразования в нагруженном материале может быть применен метод АЭ.

Литература
1. Федосеев В.И. Сопротивление материалов. Высшая школа, 1963.

2. Сухарев И.П. Экспериментальные методы исследования деформаций и прочности, М.: Машиностроение, 1987, с. 27, 88.

3. Регель В. P., Слуцкер А. И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974.

4. Донин A. P. Дефектоскопия, 1981, N 9, с. 11-17.

5. Авторское свидетельство СССР N 1467458, кл. G 01 N 19/04, БИ N 11,1989.

6. Петров В.А., Башкарев А.Я., Веттегрень В. И. Физические основы прогнозирования долговечности конструкционных материалов, СПб, Политехника, 1993.

Похожие патенты RU2167421C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАПАСА ПРОЧНОСТИ НАГРУЖЕННОГО МАТЕРИАЛА 1996
  • Петров В.А.
RU2141648C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ НАГРУЖЕННОГО МАТЕРИАЛА 1993
  • Петров Валентин Алексеевич
RU2077046C1
СПОСОБ ПРОДЛЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ НАГРУЖЕННОЙ КОНСТРУКЦИИ 1999
  • Петров В.А.
  • Петров Г.В.
RU2167405C2
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА НАГРУЖЕННОГО МАТЕРИАЛА 1992
  • Петров Валентин Алексеевич
RU2037804C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСА МЕТАЛЛА ПРИ КОРРОЗИИ ПОД МЕХАНИЧЕСКИМ НАПРЯЖЕНИЕМ 1996
  • Петров В.А.
RU2141643C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПРЕДРАЗРЫВНОГО СОСТОЯНИЯ НАГРУЖЕННОГО МАТЕРИАЛА 1998
  • Петров В.А.
RU2167420C2
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛА 1999
  • Петров В.А.
  • Петров Г.В.
RU2167404C2
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ СИГНАЛА АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ 1992
  • Петров Валентин Алексеевич
  • Пикулин Виктор Александрович
  • Розанов Александр Олегович
  • Савельев Владимир Николаевич
  • Станчиц Сергей Алексеевич
RU2037821C1
СПОСОБ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ СВАРНОГО КОРПУСА ПОДВОДНОГО АППАРАТА 2016
  • Носов Виктор Владимирович
  • Зеленский Николай Алексеевич
  • Матвиян Илья Викторович
  • Ямилова Алсу Римовна
RU2617195C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ОБРАЗЦОВ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 1991
  • Егоров П.В.
  • Иванов В.В.
  • Колпакова Л.А.
  • Мальшин А.А.
  • Бервено В.П.
  • Пимонов А.Г.
RU2020476C1

Реферат патента 2001 года СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАПАСА ПРОЧНОСТИ НАГРУЖЕННОГО МАТЕРИАЛА

Изобретение относится к анализу материалов путем определения их физических свойств, определению превышения разрушающего напряжения над уровнем действующих механических напряжений и может найти применение для выявления в материале дефектов - концентраторов напряжения и т.д. Расширение круга исследуемых материалов, снижение трудоемкости и повышение точности определения запаса прочности нагруженного материала достигается за счет того, что в исследуемом материале регистрируют импульсы акустической эмиссии и измеряют их количественные характеристики. Исследуемый материал нагружают двумя нагрузками P1 и Р2, измеряют при этих нагрузках скорости счета акустической эмиссии N1 и N2 и запас прочности S1 при нагрузке Р1 определяют из соотношения S1 = (P2-P1)1g A/P1 1g(N2/N1), 1g A = (Uo/2,3 RT)-13, где Uo - начальная энергия активации разрушения, Т - абсолютная температура исследуемого материала, R - универсальная газовая постоянная.

Формула изобретения RU 2 167 421 C2

Способ определения запаса прочности нагруженного материала, по которому в исследуемом материале регистрируют импульсы акустической эмиссии и измеряют их количественные характеристики, отличающийся тем, что исследуемый материал нагружают двумя нагрузками Р1 и Р2, измеряют при этих нагрузках скорости счета акустической эмиссии N1 и N2 и запас прочности S1 при нагрузке Р1 определяют из соотношения
S1 = (Р2 - Р1)lgA/P1lg (N2/N1),
lgA = (Uo/2,3RT)-13,
где Uo - начальная энергия активации разрушения;
Т - абсолютная температура исследуемого материала;
R - универсальная газовая постоянная.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2001 года RU2167421C2

Печь для непрерывного получения сернистого натрия 1921
  • Настюков А.М.
  • Настюков К.И.
SU1A1
Способ определения адгезии полимера к металлу 1987
  • Куксенко Виктор Степанович
  • Носов Виктор Владимирович
  • Петров Валентин Алексеевич
SU1467458A1
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов 1917
  • Гордон И.Д.
SU2A1
Образец для определения прочностиМАТЕРиАлА 1978
  • Сычев Алексей Константинович
  • Педченко Иван Иванович
SU805134A1
Переносная печь для варки пищи и отопления в окопах, походных помещениях и т.п. 1921
  • Богач Б.И.
SU3A1
Устройство для определения прочностиМАТЕРиАлА 1979
  • Педченко Иван Иванович
  • Сычев Алексей Константинович
SU805135A1
Очаг для массовой варки пищи, выпечки хлеба и кипячения воды 1921
  • Богач Б.И.
SU4A1
Способ определения прочности материалов 1980
  • Беляева Наталья Васильевна
  • Калиновская Татьяна Валерьяновна
  • Красневский Святослав Михайлович
  • Макушок Евгений Маркелович
SU905751A1
Кипятильник для воды 1921
  • Богач Б.И.
SU5A1
US 3774443, 27.11.1973
Приспособление для точного наложения листов бумаги при снятии оттисков 1922
  • Асафов Н.И.
SU6A1
US 4838085 A, 13.06.1989
Способ восстановления хромовой кислоты, в частности для получения хромовых квасцов 1921
  • Ланговой С.П.
  • Рейзнек А.Р.
SU7A1
Машина для разделения сыпучих материалов и размещения их в приемники 0
  • Печеркин Е.Ф.
SU82A1

RU 2 167 421 C2

Авторы

Петров В.А.

Даты

2001-05-20Публикация

1998-06-09Подача