СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2021 года по МПК G01N29/14 

Предлагаемое изобретение относится к области неразрушающих методов контроля и может быть использовано для контроля физико-механических свойств взрывчатых материалов (ВВ) по сигналам акустической эмиссии.

Известен из уровня техники способ неразрушающего контроля прочности изделий (патент РФ №02270444, МПК G01N 29/14, публ. 20.02.06), согласно которому равномерно нагружают изделие и регистрируют число импульсов акустической эмиссии и их амплитуды в процессе нагружения, при этом дополнительно определяют суммарную амплитуду ζ импульсов АЭ, с последующей математической обработкой результатов измерений.

К недостаткам известного способа относится достаточно высокая трудоемкость и необходимость проведения многочисленных сопутствующих математических расчетов для определения величин искомых параметров.

В качестве прототипа предлагаемому способу определения механических характеристик высокоэнергетических материалов известен способ акустическо-эмиссионного определения характеристик механических свойств металлов (патент РФ№2149395, МПК G01N 29/14, публ. 20.05.00), по которому ведут измерение параметров акустической эмиссии в процессе деформирования изделия и образца из металла, адекватного металлу изделия. Образец подвергают статическому деформированию, устанавливают зависимости «напряжение - параметры акустической эмиссии» и «деформация - параметры акустической эмиссии» вплоть до разрушения образца. Деформирование изделия осуществляют путем вдавливания индентора, измеряют упруго-пластическую деформацию в зоне отпечатка и устанавливают зависимости «глубина вдавливания - параметры акустической эмиссии», а затем с использованием зависимостей, полученных на образце и изделии, устанавливают зависимость «напряжение - деформация» для металла изделия.

Недостатком прототипа является отсутствие возможности проведения контроля свойств испытуемых образцов неразрушающим методом, что небезопасно при использовании предлагаемых условий для случая анализа ВВ.

Техническая проблема, решаемая изобретением, заключается в необходимости разработки эффективного и безопасного способа неразрушающего контроля изменения свойств ВВ в процессе воздействия на них различного рода механических усилий, имеющих место при эксплуатации и хранении ВВ.

Задачей авторов изобретения является разработка метода неразрушающего контроля физико-механических свойств ВВ по сигналам акустической эмиссии.

Технический результат, обеспечиваемый предлагаемым способом, заключается в обеспечении повышения информативности способа и точности определения механических показателей, и возможности обеспечения неразрушающего контроля свойств испытуемых образцов.

Указанные задача и технический результат обеспечиваются тем, что в отличие от известного способа определения механических характеристик высокоэнергетических материалов методом акустической эмиссии (АЭ), включающего подготовку испытуемых образцов из исследуемого материала ВВ, которые подвергают механическим воздействиям в сочетании с синхронным регистрированием показателей контролирующих приборов и построением соответствующих графиков зависимостей величин деформаций от величин воздействующих нагрузок и времени, согласно предлагаемому способу, первоначально подвергают испытаниям подготовленные образцы из материала ВВ, аналогичного исследуемому ВВ заданного состава, на основе результатов испытаний которых формируют БД критических нагрузок, соответствующих полному разрушению образцов данного материала, затем производят комплексное нагружение исследуемых независимых групп образцов ВВ механическим воздействиям на растяжение одних групп образцов, и других групп образцов на воздействие усилий сжатия, проводя нагружение в упомянутых группах в возрастающем режиме до момента, соответствующего максимальному значению активности АЭ, составляющей величину не более 55% от критической нагрузки, определенной по упомянутой БД критических нагрузок, параллельно с нагружением групп контрольных образцов снимают показания регистрирующих приборов и строят графики зависимости величин акустико-эмиссионных параметров от времени нагружения и диаграммы деформирования, на основе построенных упомянутых графиков определяют максимальные значения активности АЭ, момента времени, соответствующего этому значению, нагрузку и деформацию образца, на основе полученных данных определяют искомые механические показатели испытуемых образцов ВВ.

Заявляемый способ поясняется следующим образом.

Первоначально формируют БД критических нагрузок, соответствующих полному разрушению образцов данного материала для чего готовят образцы из материала ВВ, аналогичного исследуемому ВВ заданного состава. Подготовленные образцы подвергают испытаниям, нагружая их постоянно возрастающим усилием до полного разрушения этих образцов, на основе результатов испытаний которых формируют БД критических нагрузок для каждого индивидуального ВВ.

Затем производят подготовку групп испытуемых образцов из исследуемого материала ВВ. Для этого из исследуемого материала прессуют образцы, конфигурация которых задается особенностями строения ячеек испытательных приборов, куда помещают образцы для проведения комплексных нагружений различными видами силовых воздействий.

Затем подготовленные образцы исследуемого материала ВВ подвергают комплексным механическим воздействиям в сочетании с синхронным регистрированием показателей контролирующих приборов. На фиг. 1 представлен вид испытательного прибора для проведения контрольных испытаний групп образцов на растяжение, где 1 - испытуемый образец, 2 - захваты для фиксации испытуемого образца призматической формы, 3 - преобразователь (датчик) АЭ, 4 - измерительный прибор -датчик деформации образца ВВ, 5 - предусилитель АЭ, 6 - портативный ПК для визуализации и преобразования зарегистрированных датчиком сигналов АЭ.

На фиг. 2 представлен вид испытательного прибора для проведения контрольных испытаний групп испытуемых образцов на сжатие, где 1 - испытуемый образец, 2 - приспособление, для испытания на сжатие, 3 - преобразователь (датчик) АЭ, 4 - предусилитель АЭ 5 - портативный ПК для визуализации и преобразования зарегистрированных датчиком сигналов АЭ.

При осуществлении комплексных воздействий на независимые группы образцов из ВВ синхронно проводят регистрацию изменяющихся во времени показателей АЭ и построение соответствующих графиков зависимостей параметров АЭ и величин деформаций от величин воздействующих нагрузок и времени.

Комплексное на1ружение исследуемых независимых групп образцов ВВ механическими воздействиями проводят последовательно: усилиями растяжения на одни группы образцов и усилиями сжатия на другие группы образцов. Нагружение в этих группах проводят в возрастающем режиме до момента, соответствующего максимальному значению активности АЭ, составляющей величину не более 55% от критической нагрузки, определенной по БД критических нагрузок.

Синхронное сопровождение механических воздействий регистрацией измеряемых сигналов датчиками 3 позволяет эффективно и максимально точно исследовать процесс изменения свойств испытуемых ВВ, поскольку используемый метод АЭ отражает изменение структуры материала образцов в ходе воздействий постоянно возрастающими механическими усилиями растяжения и сжатия. А предварительно наработанная БД критических значений нагрузок позволяет избежать разрушения испытуемых образцов.

Затем строят графики зависимости активности АЭ от времени нагружения и диаграммы деформирования. На фиг. 3 представлены графики, иллюстрирующие изменение соответствующих параметров нагружаемого образца п. 1 (фиг. 1, 2): график 1 зависимости активности АЭ от относительной деформации и график 2 диаграммы деформирования «σ-ε». Математическая обработка графика 1 зависимости активности АЭ позволяет определить координату точки максимума активности АЭ На фиг. 3 эта точка отмечена цифрой 3. Далее на диаграмме 2 деформирования определяют величину напряжения σ_i, соответствующего точке максимума активности АЭ на графике 1. Записывают соотношения, полученных в точке максимума активности АЭ значений деформации ε_i и напряжения σ_i, со значениями деформации ε_ρ и напряжения σ_ρ, соответствующими разрушению детали. Из полученных соотношений определяют механические характеристики исследуемого материала.

Таким образом, при использовании заявляемого способа определения механических характеристик высокоэнергетических материалов методом акустической эмиссии обеспечивается заявляемый технический результат, заключающийся в обеспечении повышения информативности способа и точности определения механических показателей, и возможности обеспечения неразрушающего контроля свойств испытуемых образцов.

Возможность промышленной реализации предлагаемого способа подтверждается следующим примером исполнения.

Пример 1. Предлагаемый способ определения механических характеристик деталей из ВВ с использованием метода акустической эмиссии реализован в лабораторных условиях следующим образом. Сначала формируют БД максимальных нагрузок. Для этого из образца ВВ марки ОФТОР-6АВ методом прессования изготавливают образцы цилиндрической и призматической формы, которые затем подвергают механической нагрузке на сжатие и растяжение. На фиг. 1 и 2 схематично изображены испытательные установки, обеспечивающие реализацию способа по части наработки БД критических параметров. При этом цилиндрические образцы нагружают механическими воздействиями на сжатие, а призматические образцы нагружают механическими воздействиями на растяжение. Синхронно с механическим воздействием на испытуемые образцы ВВ контролируют и измеряют нагрузку Р, деформацию ε и изменение сигналов АЭ. Определяют напряжение σ по формуле Строят графики зависимости «активность АЭ - относительная деформация» 1, «напряжение - относительная деформация», 2. На фиг. 3 представлены характерные графики диаграммы активности АЭ 1 и диаграммы деформирования 2, полученные при сжатии образцов из ВВ ОФТОР-6АВ. Затем аппроксимируют полиномом второй степени диаграмму «активность АЭ - относительная деформация» 1 и определяют координату точки максимума активности АЭ 3. Далее на диаграмме деформирования определяют величину напряжения σ_i, соответствующего точке максимума активности АЭ Записывают соотношения полученных в точке максимума активности АЭ значений деформации ε_i и напряжения σ_i·, со значениями деформации ε_ρ и напряжения σ_ρ, соответствующими разрушению детали (таблица 1). После этого определяют механические характеристики исследуемого ВВ упомянутым неразрушающим методом. Для этого детали из исследуемого ВВ нагружают до момента, когда активность АЭ достигает своего максимального значения, после чего нагружение прекращают, деталь разгружают, и определяют значения ε_i, соответствующие максимуму активности

Используя значения σ_i и ε_i·, соответствующие по вышеприведенным соотношениям (таблица 1), определяют предельные характеристики ВВ.

Экспериментальная проверка данного способа неразрушающего определения механических характеристик ВВ осуществлялась в соответствии с вышеописанным алгоритмом на образцах из ВВ (октоген) ОФТОР-6АВ. При этом детали, после определения предельных характеристик упомянутым методом, доводят до разрушения и проводят сравнение расчетных и экспериментальных значений механических характеристик. С использованием математической формулы для определения среднеквадратичного отклонения (СКО) получают вывод о том, что величина СКО для значений каждого из двух рассчитываемых параметров не превышает 10%, что сопоставимо с разбросом экспериментальных данных, получаемых при стандартных механических испытаниях.

Экспериментальные исследования и пример подтвердили обеспечение заявленным способом определения механических характеристик высокоэнергетических материалов, достижение заявленного технического результата, заключающегося в обеспечении повышения информативности способа и точности определения механических показателей, и возможности обеспечения неразрушающего контроля свойств испытуемых образцов.

Использование: для контроля физико-механических свойств взрывачатых материалов (ВВ) по сигналам акустической эмиссии. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют подготовку испытуемых образцов из исследуемого материала, которые подвергают механическим воздействиям в сочетании с синхронным регистрированием показателей контролирующих приборов и построением соответствующих графиков зависимостей величин деформаций от величин воздействующих нагрузок и времени, при этом первоначально подвергают испытаниям подготовленные образцы из материала взрывчатых веществ (ВВ), аналогичного исследуемому заданного состава, на основе результатов испытаний которых формируют базу данных (БД) критических нагрузок, соответствующих полному разрушению образцов данного материала, затем производят комплексное нагружение исследуемых независимых групп образцов ВВ механическим воздействиям последовательно усилий растяжения на одни группы образцов и усилий сжатия на другие группы образцов, проводя нагружение в этих группах в возрастающем режиме до момента, соответствующего максимальному значению активности АЭ, составляющей величину не более 55% от критической нагрузки, определенной по БД критических нагрузок, параллельно с нагружением контрольных образцов снимают показания регистрирующих приборов и строят графики зависимости акустико-эмиссионных параметров от времени нагружения и диаграммы деформирования, на основе построенных упомянутых графиков определяют максимальные значения активности АЭ, момента времени, соответствующего этому значению, нагрузку и деформацию образца, на основе полученных данных определяют искомые механические показатели испытуемых образцов ВВ. Технический результат: обеспечение возможности разработки информативного, достоверного и безопасного способа неразрушающего контроля изменения свойств ВВ в процессе воздействия на них различного рода механических усилий, имеющих место при эксплуатации и хранении ВВ. 1 табл., 3 ил.

Способ определения механических характеристик высокоэнергетических материалов методом акустической эмиссии (АЭ), включающий подготовку испытуемых образцов из исследуемого материала, которые подвергают механическим воздействиям в сочетании с синхронным регистрированием показателей контролирующих приборов и построением соответствующих графиков зависимостей величин деформаций от величин воздействующих нагрузок и времени, отличающийся тем, что первоначально подвергают испытаниям подготовленные образцы из материала ВВ, аналогичного исследуемому ВВ заданного состава, на основе результатов испытаний которых формируют БД критических нагрузок, соответствующих полному разрушению образцов данного материала, затем производят комплексное нагружение исследуемых независимых групп образцов ВВ механическим воздействиям последовательно усилий растяжения на одни группы образцов и усилий сжатия на другие группы образцов, проводя нагружение в этих группах в возрастающем режиме до момента, соответствующего максимальному значению активности АЭ, составляющей величину не более 55% от критической нагрузки, определенной по БД критических нагрузок, параллельно с нагружением контрольных образцов снимают показания регистрирующих приборов и строят графики зависимости акустико-эмиссионных параметров от времени нагружения и диаграммы деформирования, на основе построенных упомянутых графиков определяют максимальные значения активности АЭ, момента времени, соответствующего этому значению, нагрузку и деформацию образца, на основе полученных данных определяют искомые механические показатели испытуемых образцов ВВ.