Патент на изобретение №2305281

(54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПРОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЯ ИЗ ХРУПКОГО МАТЕРИАЛА

(57) Реферат:

Использование: для контроля прочности изделия из хрупкого материала. Сущность: способ заключается в том, что изделие циклически нагружают от нуля с постепенно возрастающей амплитудой до появления сигналов акустической эмиссии при разгрузке и регистрируют максимальную нагрузку последних циклов, по которой судят о прочности изделия, при этом максимальную нагрузку цикла увеличивают лишь до появления АЭ перед окончанием разгрузки (когда остается 20…10% от максимальной нагрузки цикла) и по этой нагрузке судят о максимальной неразрушающей нагрузке. Технический результат: снижение деградации прочности изделия при контроле.

Изобретение относится к неразрушающему акустоэмиссионному (АЭ) контролю и может быть использовано для разбраковки изделий из хрупких материалов.

Известны способы, использующие АЭ при разгрузке образцов и изделия, для оценки прочности изделия [Авт. св. СССР №: 879444, 1536251, 1620930, 1647356, 1663535, 1769122 и др.]. Особенностью этих способов является высокая точность, так как при разгрузке отсутствует АЭ микрорастрескивания, искажающая параметры АЭ от развития опасного дефекта.

По решаемой задаче [определение пороговой (максимальной неразрушающей) нагрузки L₀, отвечающей при линейном напряженном состоянии материала его пределу длительной прочности ₀] к предлагаемому изобретению наиболее близко Авт. св. 1620930, а по операциям – Авт. св. 1769122. Недостаток этих прототипов, как и других упомянутых аналогов, – заметная деградация прочности изделия при контрольном нагружении, так как максимальная нагрузка L_max при контрольном нагружении должна инициировать развитие опасного дефекта и соответствующую АЭ, т.е. L_max>L₀.

Цель изобретения – снижение деградации прочности изделия при контроле.

Цель достигают тем, что, как в прототипе, изделие нагружают циклами от нуля и разгружают, регистрируют параметры АЭ и постепенно увеличивают максимальную нагрузку цикла, но, в отличие от прототипа, максимальную нагрузку увеличивают лишь до появления АЭ перед окончанием разгрузки, а по среднему для максимальных нагрузок двух последних циклов судят о неразрушающей нагрузке при заданной схеме нагружения изделий.

По мере увеличения максимальной нагрузки цикла еще до старта трещины перед ее вершиной возникают микропластические деформации, в частности, обеспечивающие сдвиг поверхностей трещины у вершины друг относительно друга, как сдвиг челюстей. При разгрузке трещина стремится закрыться, а выступы микрорельефа этих поверхностей, уже не попадая из-за сдвига в соответствующие им впадины, инициируют АЭ трения (“зубной скрежет”) незадолго до окончания разгрузки (когда остается 20…10% от максимальной нагрузки цикла). Эта АЭ и является предвестником того, что значение L_max приблизилось к значению L₀, после превышения которого трещина начнет развиваться (без превышения L₀ прочность изделия, в частности значение L₀, не снижается). При таких операциях деградация прочности отсутствует, так как в отличие от прототипа, контроль идет при L_max0.

Реализовать способ можно, используя стандартные нагружающие устройства и существующие акустико-эмиссионные системы, например АФ-15 (Кишенев). Из параметров АЭ можно регистрировать только амплитуду “зубного скрежета”, которая значительно больше амплитуд сигналов АЭ в процессе нагружения.

Используя неразрушающие способы определения нагрузки L_B, отвечающей временному сопротивлению L_B при кратковременном разгружении (Авт.св. СССР 879444, 1536251, 1769122), и предлагаемый способ, выяснили, что для изделий из одного материала при одной и той же схеме нагружения отношение L_B/L₀ составляет от 1,15 до 4. В этих же пределах изменяется L_B/L₀ при изменении направления изгиба одного и того же изделия. С учетом этого при использовании предложенного способа максимальная нагрузка первого цикла не должна превышать 15% от разности среднее значение нагрузки L_B, a S – среднее квадратическое отклонение L_B от .

Для проверки предложенного способа определили их значения L₀ для 180 стержней (по 60 стержней феррита, фарфора и Al₂O₃) при статическом изгибе силой по середине пролета в направлении, отмеченном на торце соответствующего стержня. Эти стержни испытали по той же схеме на базе 10⁸ циклов с максимальной нагрузкой симметричного цикла L_ц=L₀, снова определили значения L₀ в плоскости нагружения, нашли отношение z значений L₀ для каждого стержня до и после длительных испытаний. Среднее значение =0,9994 случайно отличалось от 1, так как доверительный интервал составлял 0,003 при вероятности 0,997. Испытав другие 180 стержней при L_ц=1,05 L₀, получили =1,09, значимо отличающееся от 1. Таким образом экспериментально доказано, что для керамических изделий существует такой уровень нагрузки L₀, без превышения которого даже после 10⁸ симметричных циклов нагружения значение L₀ не снижается. Вместе с тем, этим опытом доказана возможность использования предложенного способа для определения L₀.

Способ применим для материалов, имеющих в силу особенностей своей технологии дефекты, способные к развитию при нагрузках, меньших разрушающей. Способ проверен на керамических образцах (от оптически прозрачной керамики до грубой строительной, включая бетон), на паянных соединениях, а также на сплавах типа ХН65ВМТЮ, имеющих крупные зерна, границы которых являются стоком для дефектов решетки.

Значение L₀ для конкретного изделия при заданной схеме его нагружения позволяет:

– рассортировать изделия по значению L₀;

– выбрать рациональную ориентацию изделия в конструкции;

– исключить ряд множителей в коэффициенте запаса прочности при расчетах.

Точность метода зависит от используемого нагружающего оборудования и терпения экспериментатора. Эти же факторы определяют приращение амплитуды нагрузки от цикла к циклу. При изгибе стержней образцовыми гирями, подвешенными по середине пролета 200 мм, погрешность определения L₀ удается свести к 1%, что подтверждено статистическими опытами.

Формула изобретения

Способ контроля прочности изделия из хрупкого материала, заключающийся в том, что изделие циклически нагружают от нуля с постепенно возрастающей амплитудой до появления сигналов акустической эмиссии при разгрузке и регистрируют максимальную нагрузку последних циклов, по которой судят о прочности изделия, отличающийся тем, что максимальную нагрузку цикла увеличивают лишь до появления акустической эмиссии перед окончанием разгрузки, когда остается 20-10% от максимальной нагрузки цикла, и по среднему для максимальных нагрузок двух последних циклов судят о максимальной неразрушающей нагрузке изделия.