Способ определения усталостной поврежденности материала Советский патент 1993 года по МПК G01N3/32 

Изобретение относится к механическим испытаниям, к способам усталостных испытаний. Y . .. :. . ;„.- ;-;- :,

Известны способы усталостных испытаний, при которых партию образцов материала циклически нагружают и определяют степень поврежденности материалагке к: функцию наработки по остаточной статйчег ской прочности образцов.Ш

Недостатком таких способов является то, что они требуют разрушения объектов испытания. В результате такие способы не позволяют получить индивидуальные зависимости накопления поврежденности, по,-: скольку при каждой величине наработки необходимо разрушить соответствующий образец, что не допускает его повторного использования,/ ;

Наиболее близким к предлагаемому является способ усталостных испытаний, при котором о накоплении усталостной поврежденности судят по снижению формы цикла

одной из характеристик напряженнодефор- мированного состояния. Для этого образец нагружают в мягком режиме, поддерживая постоянной амплитуду напряжения, определяют спектральные характеристики цикла деформации и судят о накоплении усталостной поврежденности по сдвигам фаз гармонии центра цикла деформации относительно гармонии цикла напряжения.

Недостатком прототипа является то, что с его помощью крайне трудно провести селекцию изменений физико-механических характеристик материала, поскольку все изменения трактуются как повреждения. В то ; же время при нагружении образцов из композиционных материалов имеет место как изменение свойств, являющееся следствием развития повреждений - растрескиваний, расслоений, проскальзываний слоев и т.д., так и являющееся следствием тренировки материала.

ел

с

XI О CN Ю 00

Целью изобретения является повышение достоверности путем исключения погрешностей, связанных с влиянием обратимых изменений структуры материала, и изменений, обусловленных фактором тренировки.

На фиг. 1-3 представлены характерные зависимости от времени: на фиг. 1 - напряжения, на фиг, 2 - деформации, на фиг. 3 - модули упругости материала.

Устройство для реализации способа представляет собой испытательную машину, позволяющую циклически нагружать образцы в мягком режиме, снабженную средствами регистрации параметров цикла деформации и напряжения и сдвиг фаз между ними.

Способ реализуется следующим образом.

Образец устанавливают в испытательную машину и нагружают в мягком режиме пульсирующей циклической нагрузкой. Максимальное напряжение в цикле оь, тогда напряжение отменяется по закону.

. a(t) Ob(1 -cos cot),

0)

n(t) П0е

-t/te

(4)

где По - константа, t0 - время релаксации. В 5 этом случае прямой подстановкой (1) и (4) в (3) легко получить закон изменения деформации

10

е (t) Сер - а соф; t - $.

(5)

где Еср - средняя деформация: а - амплитуда деформации: V - сдвиг фаз.

При выполнении условий a) to 1 и легко получить соотношения

Јср

.5а+ Ob По t0,

2 ПоОЬ

О to

tg ip (a to.

(6)

с учетом которых получаем соотношение (2), в котором деформационный параметр материала

.

Изобретение относится к механическим испытаниям, к способам усталостных испытаний. Цель изобретения- повышение достоверности определения поврёжденноети путем исключения погрешностей, связанных с влиянием обратимых изменений структуры материала и изменений, обусловленных фактором тренировки при циклическом нагружении. Образец материала циклически нагружают и определяют сдвиг по фазе между отнулевым циклом напряжения и циклом деформации, среднюю и минимальную деформации, по которым определяют в качестве характеристики поврежденности изменение жесткостной ха- :рактеристики материала.3 ил.

где ш- кривая частоты нагружения;

t- время.

Определяют зависимость от времени амплитуды деформации а, средней деформации ЈСр и сдвига фаз t/ запаздывания цикла деформации относительно цикла напряжения. В качестве характеристики поврежден ности определяют изменение величины А, определяемой из соотношения

Сер-4- tg2V(2)

Изменение А, как показали прямые эксперименты, характеризует изменение обратной жесткости. Для теоретического обоснования соотношения (2) приведем следующие выкладки. Пусть напряжение в материале, проявляющем вязкоупругие свойства, изменяется по закону (1). Примем закон связи напряжений с деформацией в форме

E(t)(t-r)cr(T)dr, (3)

с о

где П(т) - ядро ползучести.

В качестве ядра релаксации для композиционного полимерного материала широкое распространение получили экспоненциальные функции, поэтому примем ядро в виде

Поскольку изменение Я связано с измене- нием Е, А может служить мерой поврежден ности. На фиг. 3 участок I соответствует тренировке материала - на нем поврежден- ность не возрастает, хотя характеристики формы цикла деформации меняются. На участке II происходит устойчивое накопление поврежденное™ - плавно уменьшается. На участке 111 жесткость резко снижается, что свидетельствует о возникновении макродефектов. Таким образом, заявленный способ позволяет повысить достоверность результата за счет того, что в отличие от прототипа позволяет определить границу между участками I и II и судить о поврежден ности материала по характеристике, учитывающей различие причин, приводящих к искажению формы цикла деформации.

Циклическому нагружению подвергались образцы стеклопластика (ППН + ЭДТ - 10), время to e 7с, с частотой 10 Гц на базе порядка 100 тыс. циклов при 300°С. На участке I жесткость образцов повысилась пример- но на 8-10%. Часть образцов была разрушена предварительно, часть - после наработки порядка 1000 циклов, что соответствовало участку I. Остаточная прочность образцов, подвергнутых такому циклическому нагружению - тренировке, повысилась на 5-7%, т.е. говорить о

повышении его поврежденное™ нет оснований, смещение циклов деформации относительно напряжения имело место. При прерывании циклического нагружения на участке II, где параметр А увеличился примерно на 4% (т.е. модуль Е уменьшается примерно на 4%), остаточная прочность образцов оказалась меньше на 4-5%. При прерывании нагружения на участке IV на шлифах отчетливо были видны макродефекты в виде расслоений, раковин или макротрещин.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Способ определения усталостной по- врежденности материала, заключающийся в том, что образец материала циклически нагружают при постоянном цикле напряжения, определяют смещение фаз цикла деформации относительно цикла напряжения, по которому определяют деформационный параметр материала, а о поврежденное™ судят по указанному параметру, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности путем исключения погрешностей, связанных с влиянием обратимых изменений структуры материала и изменений, обусловленных фактором трениров4Й/л /

0

Таким образом, но основе иллюстрирующего способ примера, можно видеть то, что способ позволяет повысить достоверность результата, так как более обоснованно позволяет делать вывод о развитии поврежденности или изменении характеристик материала без изменения поврежден- ности.

Способ можно применять при неразрушающем контроле циклически деформируемых конструкций в процессе их эксплуатации без прерывания эксплуатации.

ки при циклическом нагружении, нагруже- ние осуществляют при отнулевом цикле напряжения и определяют минимальную и среднюю деформации в цикле, а деформационный параметр определяют по следующему соотношению: .

А Сер -f- tg2 Vгде А-деформационный параметр;

ЕСР - средняя деформация в цикле;

а - амплитуда деформации;

ip - смешение фазы цикла деформации относительно цикла напряжения.

Фиг. 2.

Фиг. 3.