Способ определения усталостной долговечности деталей из полимерных материалов Советский патент 1993 года по МПК G01N3/18 

Изобретение относится к неразрушающим способам испытания деталей из полимерных материалов на длительную прочность, в частности к способам определения долговечности деталей и элементов конструкций.

Цель изобретения состоит в повышении достоверности прогнозирования ресурса полимерных деталей и в расширении границ применимости метода.

В основе предлагаемого способа оценки остаточного ресурса лежит кинетическая теория разрушения твердых тел 1, согласно которой разрушение представляет собой процесс термофлуктуационного образования и накопления в твердом теле микроскопических разрывов сплошности (так называемых зародышевых микротрещин). По достижении концентрацией микротрещин предельной (критической) величины С происходит их слияние в магистральную трещину, которая приводит к разделению массива тел.а на части, Скорость процесса трещинообразования описывается следующим выражением:

С- С cxpf- (OAи)

. Т0 еХРАRJ (1)

-19

где Т0 10. с - соответствует периодусоб- ственных колебаний атомов; R 8,314 х хЮ Дж/кмоль К° -газовая постоянная;

VJ

О 00

ON

ел ел

Т - рабочая температура; U0 - эйергия активации и у- активационный объем процесса образования микротрещин; С - предельная концентрация микротрещин:

: . . (С) : 3 el, (2) е п 2,7 - основание натуральных логарифмов; I - размер микротрещин. Поскольку процесс прорастания магистральной трещины до полного разделения тела на части занимает не более 10% общего времени до разрушения., а 90% времени приходится на процесс накопления микроповреждений-, то выражение (2) является концентрационным критерием разрушения 1. Совмещая (1) и :(2), можно найти время достижения концентрацией повреждений критической величины С ,т,е. остаточный ресурс изделия т.: t

Ct +

С

to

г -/ U -ycr ft Y / ехр((3)

dt

Решение уравнения долговечности (3)

относительно t дано в 2. Параметры урав- нения Гр, U и у являются константами мате риала и определены практически для всех полимеров, применяемых для изготовления серийных изделий. При необходимости оп- ределения остаточного ресурса изделий из нестандартных.полимерных материалов не- обходимо предварительно получить значения указанных параметров уравнения долговечности путем испытания стандартных образцов на разрушение статическим растяжением при различных температурах по.методике, изложенной в 2.

Таким образом, чтобы определить остаточный ресурс изделия при известных режимах нагружения а() и рабочей температуре Т, необходимо найти величины критической С и текущей (начальной) Ct концентраций

.микроповреждений в изделии.

Для этого предлагается процедура, за. ключающаяся в совместном измерении модуля упругости конкретного изделия, а также концентрации концов полимерных молекул, образующихся при их разрыве вследствие процесса трещинообразования, методом НПВО инфракрасной спектроскопии- .

Известно 3, что изменение модуля упругости изделия в процессе его эксплуатации вызвано двумя, одновременно протекающими и конкурирующими процессами: термостарение обусловливает првы- шение модуля и одновременно происходит снижение модуля в результате процесса

- трещинообразования, причем обычно процесс термостарения превалирует и резуль тирующий (то есть измеряемый) модуль

5

20

. 25 .: 30 35

40 .

4550

55

изделия возрастает, как показано на фиг.1. Поскольку зависимости модуля от времени старения известны практически для всех температур и видов применяемых полимерных материалов, то по измеренному значению модуля E t (см. фиг. 1, кривая 3) и изменению модуля, обусловленному термостарением Е(Т) (кривая 1), путем вычитания находим значение модуля E(Ct, I), соответствующее текущей концентрации микрртре- щин Ct размера I. Аналитическая зависимость модуля от величины повреж- денности изделия дается выражением:

E(Ct, l) Eot1 + ( 1 - v). И)

где Ео - исходное значение модуля; v- коэффициент Пуассона; V - объем диагностируемого изделия. Текущее значение модуля упругости можно измерять по любой из общепринятых методик.

После этого методом НПВО инфракрасной спектроскопии нужно измерить концентрацию концов разорванных молекул полимера N t, которая определяется формулой:...-..

Nt CtqSTp, /(5) где q - концентрация разорванных концов полимерных молекул по берегам микротрещины, которая определяется отношением размеров трещины и диаметра полимерных молекул STp - площадь трещины.

Далее, решая совместно уравнения (4) и (5), находим текущую концентрацию повреждений Ct и размер микротрещин I, что позволяет с помощью выражений (1) - (3) определить остаточный ресурс диагностируемой детали.

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами и примером его конкретной реализации,. . , . На фиг.1 показано изменение модуля упругости детали из полимерного материала, обусловленное термостарением (кривая 1) и трещинообразованием в процессе эксплуатации (кривая 2), здесь же показана измеряемая на практике результатирующая кривая (3), обусловленная одновременным .воздействием указанных факторов.

На фиг.2 схематично показан алгоритм реализации способа.

Модуль упругости диагностируемой детали можно измерять любым из известных .способов, но для снижения погрешности измерений желательно применять прецизион- ные измерители перемещения и задаваемых усилий (оптиметры, динамометры и т.д.).

Для измерения концентрации концов полимерных молекул, образующихся вследствие процесса трещинообразования, методом нарушенного полного внутреннего отражения необходимо применять инфракрасные спектрометры, оснащенные приставкой НПВО для регистрации спектров на отражение, так как регистрация спектров пропускания возможна лишь для узкого класса прозрачных полимерных материалов и только для тонких образцов, а реальные изделия обычно имеют интенсивное поглощение.

Определение остаточного ресурса осуществляется следующим образом.

Проводят измерение модуля упругости Et диагностируемой детали и выделяют часть модуля, обусловленную трещинообра- зованием. Как видно из фиг.1, она дается выражением:

E(Ct. l)Et-E(T) + E0.

Проводят измерение концентрации концов полимерных молекул, образовавшихся в результате трещинообразования, методом НПВО инфракрасной спектроскопии.

0

5

0

5

Далее решают систему уравнений (4) и (5) и находят размеры I и текущую концентрацию трещин Ct диагностируемой детали, из формулы (2) определяют предельную (предразрывную) концентрацию микротрещин С и, решая (3) относительно t, находят остаточный ресурс детали.

Формула изобретения

Способ определения усталости ой долговечности деталей из полимерных материалов, по которому нагружают испытуемую деталь, регистрируют ее диагностические параметры и по ним судят о усталостной долговечности, отличаю щи и с я тем, что, с целью повышения точности и достоверности, определяют модуль упругости материала детали и поверхностную концентрацию концов полимерных молекул, образующихся при разрыве полимерных молекул в процессе эксплуатации детали, а о усталостной долговечности судят по этим двум параметрам.

Изобретение относится к неразрушающим способам испытания деталей из пол- имерных материалов на длительную прочность, в частности к способам определения долговечности деталей и элементов конструкций. Цель изобретения состоит в повышении достоверности прогнозирования ресурса полимерных деталей. Цель достигается тем, что в известном способе определения ресурса деталей из полимерных материалов путем регистрации диагностического - параметра детали с последующим расчетным определением искомой величины, для уточнения значений текущей (Ct) и предельной (С) концентрации повреждений проводят совместное измерениемодуля упругости диагностируемой детали и поверхностной концентрации концов полимерных молекул, Образующихся при их разрыве вследствие процесса трещинообразования, методом нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) инфракрасной спектроскопии. Затем, решая уравнение долговечности, находят время достижения концентрацией повреждений Ct критической величины С, т.е. остаточный ресурс диагностируемой детали. 2 ил.

Фие.1

Диагнозтируеиая деталь

Измерение нр бцля упругости Et

щм

Выделение части модуля обусловленной трешинообрпзооаниен{ 1В(П;Е0у Е(1)

Определение паранетров никротрещин

Pacvem критической (предразрыВной) концентрации иикротрещин С

Расчет остаточного ресурса i детали по формулам кинетической теории разрушения тверды тел. о;/;./ :. ;/ ,

Измерение концентрации концов полимерных шскуллазоабанны 8 процессе трещинооЬраэорания,пе- тоаом НПЫ цн$ракрйсиои спектроскопии lft.