Способ измерения внутренних напряжений в композиционных полимерных материалах Советский патент 1984 года по МПК G01B7/24 

;о ел

4J

со Изобретение относится к материалояедению и преимущественно может быть использовано при конструировании,,, выпуске и эксплуатации деталей уз-лов машин и механизмов, изготовля емых из композиционных полимерньох материалов. Известен способ проволочной тензометрии для измерения внутренних Нзпряжений в полимерных материалах, основанный на том, что о величине внутренних напряжений в образце суд по изменению сопротивления датчиков Спроволочных резисторов), внесенных в него перед отверждением 13. Однако этот способ предъявляет высокие требования к выбору формы измерительной модели, отличается сложностью изготовления образцов и требует градуировку каждого отдельно го датчика сопротивления. Наиболее близким к изобретению по тех шческой сущности является способ измерения внутренних напряжений в композиционных полимерных материалах включакщий введение в образец чувст вительного к механическим напряжениям элемента и регистрацию параметра этого элемента, зависящего от внутренних напряжений. Способ заключается в том, что в отверждаемый полимерный образец пом щается чувствительный к внутренним напряжениям элемент в виде ферромаг нитного сердечника с обмоткой, необ ходимой для измерения магнитной проницаемости сердечника методом моста переменного тока, и по величине изменения магнитной проницаемости чув ствительного элемента под действием внутренних напряжений в образце судят об их величине 23Однако известный способ имеет недостатки,, связанные с изготовлением специального образца, включающего чувствительный элемент конечных размеров, который изменяет распределени .и величину внутренних напряжений в образце. ; Кроме того, способ обладает низко производительностью, так как для его осуществления требуется предваритель ная Градуировка калздого отдельного образца. 1 Цель изобретения - упрощение способа измерения внутренних, напряжений и повышение его производительности, Поставленная цель достигается тем что согласно способу измерения внутренних напряжений в композиционных полимерных; материалах, включающему введение в образец чувствительного к механическим напряжениям элемента и peгиcтpaциk) параметра этого элемента зависящего от внутренних напряжений в качестве чувствительного элемента используют мелкодисперсный ферромагнитный наполнитель с диаметром зерен 5,1 о-б--10 мв количестве О, 5-5 мае .ч. , а в образце путем внешнего нагружения создают по наперед заданному закону одноосные механические напряжения, при которых регистрируют резонансные частоты сигналов ядерного магнитного резонанса импульсным когерентным методом на атомных ядрах ферромагнетика, по величине которых и значениям внешних напряжений определяют внутренние напряжения. С целью повышения точности измерений, в образце последовательно создают одинаковые по величине внешние механические напряжения сжатия и растяжения. Введение в образец мелкодисперсного ферромагнитного наполнителя позволяет использовать в качестве параметра, чувствительного к внутренним напряжениям, частоту резонансного поглощения ЯМР, величина которой определяется внутрикристаллическим локальным магнитным полем, зависящим от механических напряжений. Чувствительность используемого импульсного когерентного метода ЯМР достаточно высока и позволяет обнаружить в 1 см образца 1 О-1 резонирующих ядер. Это составляет (10 -10 ) часть от всех атомов в 1 см , Точность измерения резонансной частоты 0,005%. Мелкодисперсный ферромагнетик (дисперс(ностью 5-10 ), являющийся чувствительным к внутренним напряжениям элементом, служит или в качест ве наполнителя в изучаемом композиционном поли:лерном материале, или незначительно ; добавкой в количестве 0,5-5 мае,ч. В изделиях или образцах, изготовленных из предлагаемого композиционного полимера, содержащего чувствительный элемент, имеют место внутренние напряжения, определяемые технологией изготовления и .физико-химическими процессами при отверждении. Поместив изделие (образец) в радиочастотную катушку импульсного когерентного спектрометра ЯМР, можно измерить изменение резонансной частоты ЯМР (йГ), которое пропорционально величине внутренних напряжений в образце (бд), т.е, (а- коэффициент, зависящий от дисперсности ферромагнетика и модулей упругости ферромагнетика и полимера). Для исключения этой неизвестной величины (а) и нахождения истинных значений внутренних напряжений в образце согласно способу измеряется резонансная частота ЯМР при данной температуре Т (например, К) на дисперсном ферромагнетике, используемом в качестве чувствительного элемента. Значение, этой частоты ;, ; измеряется резонансная частота ЯМР при той же температуре (Т) на изделии (образце) прь условии одноосных механических напряжений, наложенных на изделие (образец), величина которых известна и равна (6). Значение измеренной частоты ЯМР (fi) измеряется резонансная частота ЯМР при той же температуре (Т) на изделии (образце) при условии большего, чем первое, одноосного механического напряжения, наложенного на изделие (образец). Величина внешнего механического напряжения известна и равна (uj). Значение измеренной частоты ЯМР (l)/ на основании проведенных исследований с достаточно высокой степенью точности можно предположить, что fi .

2.«(6,.6J .

Решая эти два уравнения совместно, получим - к IU

. v.

(1)

К,-1

/де

ve

f,-f.

к.

.

При осуществлении предлагаемого способаможно использовать внешние напряжения сжатия или растяжения. Однако, если в образце последовательно создавать одинаковые по величине напряжения сжатия и растяжения, то точность расчета повышается. Кроме этого, введение в различные области образца ферромагнитных материалов разной природы и регистрация резонансной частоты их атомов позволяют определить объемное распределение внутренних напряжений в образце.

Направление одноосного внешнет о нагружения при исследованных его значениях практически не влияет на величину измеряемых внутренних напряжений. Для уменьшения погрешности его

1следует выбирать совпадающим с направлением внутренних напряжений,характер распределения которых определяется геометрическими формами образцов и для ряда тел

o (цилиндр, стержень) может быть достаточно точно и просто определен.

Пример. Для осуществления 5 способа изготовлены образцы (изделия) цилиндрической формы диаметром 1,5-IO- м и длиной 7-10 м из композиции, включающей, мае.ч.: эпоксидная смола (ЭД-5) 100, отвердитель (гексаметилдиамин - ГМДА) 12, пластификатор (марка МГФ-9) 20, наполнитель (кварцевая мука) 0,20,40,60,80,100; чувствительный к внутренним напряжениям элемент (мелкодисперсный феррит марки ЗСЧ8) 1,5. Режим отверждения одинаков для всех образцов - 3,6-10с при 295 К и далее 3,б10 с при 345 К. Все измерения ЯМР проводились при 295 К. Резонансная частота сигнала ЯМР на атомных ядрах Fe в феррите марки ЗСЧ8 NiFejO в мелкодисперсном состоянии составляет f 67,82 МГц независимо от того выдержан он при режиме отверждения или нет. Значения резонансных частот ЯМР на атомных 5 ядрах в мелкодисперсном феррите для отвержденных образцов при различных внешних одноосных напряжениях сжатия представлены в табл. 1 .

Таблица 1

. 1. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРЕН; НИХ НАПРЯЖЕНИЙ В КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛАХ, включакмций введение в образец чувствительного к механическим напряжениям элемента и регистрацию параметра этого элемента, зависящего от внутренних напряжений, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа и повышения производительности, в качестве чувствительного элемента используют мелкодисперсный ферромагнитный наполнитель с диаметром зерен 540 в количестве 0,5-5 мае.ч.,а в образце путем внешнего нагружения создают по наперед заданному закону одноосные механические напряжения, при которых регистрируют резонансные частоты сигналов ядерного магнитного резонанса импульсным когерентным методом на атомных ядрах ферромагнетика, по величине которых и значениям внешних напряжений определяют внутренние § напряжения. 2. Способ по п.1, отличающий с я тем, что, с целью повышения точности измерений, в образце по следовательно создают одинаковые по величине внешние механические напряжения сжатия и растяжения.

Рассчитанные внутренние напряжеНИН в изделиях (образцах) на основании данных табл. 1 по предложенной расчетной формуле(1)представлёны в табл.2,

Величина внутренних напряжений в образце, 6 -10- , Н/М 11,6

13,9

Полученные данные незначительно отличаются от данных для серии образцов с. добавкой мелкодисперрного феррита в количестве 5 мае.ч., и эти различия находятся в пределах ошибки измерений. Анализ этих данных дает возможность утверждать, что внутренние напряжения в образцах из композиционного полимера возрастают с ростом содержания наполнителя (кварцевой муки), что согласуется с результатами, полученными методом магнитоупругих датчиков. Наблюдается также совпадение с численными значениями внутренних напряжеНИИ.

Таблица 2

16р8

17,9

19,0

20,3

Таким образом, предлагаемый способ измерения внутренних напряжений в композиционных полимерных материалах по сравнению с известными способами существенно прост, так как исключается необходимость в специальной подготовке образцов для исследований, повышает производительность, так как для его осуществления не требуется предварительная градуировка каждого конкретного образца, повышает точность измерения в связи с устранением необходимости введения чувствительного злемента, который оказывает влияние на величину внутренних напряжений.