Спосіб визначення швидкості росту тріщин в матеріалах

Винахід стосується контролю виробів і їх фізико-механічних властивостей, а саме визначення швидкості росту тріщин в матеріалах, яка залежить від їх фізико-механічних властивостей. Відомий, найбільш близький за технічною суттю до об'єкту, що заявляється, є спосіб визначення швидкості росту тріщин в матеріалах (див. Финкель В.М. Физика разрушения. - М.: Металлургия, 1970.-С.74-75), який включає навантаження матеріалу з одночасним визначенням характеристик, за якими роблять висновки про швидкість росту тріщин в матеріалі. В якості вище згаданих характеристик фіксують довжину зростаючої тріщини в часі і за результатами вимірювань визначають швидкість росту тріщини в матеріалі. Недоліки цього способу витікають з того, що при його реалізації провадиться фіксація зростання тріщини на макрорівні. Методика вимірювань потребує використання спеціальної підготовки зразків (вирощування тріщини, шліфування та полірування поверхні зразка) і дуже складної оптичної техніки для проведення швидкісної зйомки. Процес вимірювань є трудомістким, потребує значного часу і характеризується низькою точністю, оскільки розрізнювальна здатність залежить від швидкості зйомки тріщини в процесі навантаження матеріалу. Крім того вимірювання можливо проводити при умові, що ріст тріщини фіксується на поверхні зразка. Якщо тріщина зростає в середині матеріалу або відбувається зростання мікротріщини, то вимірювання не можливі. Значні похибки виникають також за рахунок того, що фронт тріщини нерівномірний за в'язкістю, тобто по товщині зразка матеріалу тріщина росте нерівномірно. В основу винаходу покладено задачу такого удосконалення способу визначення швидкості росту трі щин в матеріалі, при якому за рахунок реєстрації випромінювання сигналів акустичної емісії та визначення тривалості їх переднього фронту забезпечується значне спрощення визначення швидкості росту тріщин в матеріалах, знижується трудомісткість, тривалість та витрати на проведення вимірювань, підвищується технологічність вимірювань та їх точність за рахунок значної розрізнювальної здатності і точності вимірювань часу. При цьому швидкість росту тріщин визначається, як на макро, так і мікро рівнях, незалежно від міста розташування тріщини на поверхні або в середині матеріалу. Поставлена задача вирішується тим, що у способі визначення швидкості росту тріщини, що включає навантаження матеріалу з одночасним визначенням характеристик, за якими роблять висновки про швидкість росту тріщини, згідно винаходу, в якості вище згаданих характеристик реєструють випромінювання сигналів акустичної емісії, а швидкість росту трі щини визначають за результатами вимірювань тривалості переднього фронту сигналу від трі щини. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляються і технічними результатами, що досягаються полягає у наступному. При прикладенні до матеріалу навантаження відбувається утворення і ріст тріщин в матеріалі. В той же час відомо, що процес утворення і ріст кожної тріщини супроводжується випромінюванням імпульсних сигналів акустичної емісії. При цьому, як показали дослідження тривалість переднього фронту імпульсних сигналів акустичної емісії залежить від швидкості росту тріщини, яка їх випромінює 2 t0 = , (1) ba T де t 0 - тривалість переднього фронту сигналу акустичної емісії; b - коефіцієнт, якій визначається розподілом фізико-механічних характеристик матеріалу по міцності і встановлюється за результатами стандартних механічних випробувань зразків матеріалу на міцність при розтягу; a T - швидкість росту трі щини. При проведенні вимірювань тривалості переднього фронту сигналів акустичної емісії з виразу (1) визначається швидкість росту тріщини в матеріалі 2 aT = . (2 ) bt 0 Отже при реєстрації імпульсних сигналів акустичної емісії від тріщин і вимірюванні тривалості їх переднього фронту можливо визначати швидкість росту кожної тріщини без необхідності визначення їх розміру. Важливо, що місце розташування і орієнтація тріщини не має значення. При цьому значно збільшується точність визначення швидкості росту тріщини в матеріалі за рахунок значної розрізнювальної здатності і точності вимірювань часових параметрів сигналів акустичної емісії у мікро секундному діапазоні. Таким чином, не викликає сумнівів, що використання акустичної емісії є ефективним способом визначення швидкості росту тріщин в матеріалах. При цьому використання акустичної емісії дозволяє здійснювати визначення швидкості росту тріщин значно швидше і простіше, потребує менших технічних та часових витрат, що забезпечує їх те хнологічність, Крім того підвищується точність вимірювань за рахунок значної точності вимірювань тривалості переднього фронту сигналів акустичної емісії, а також визначається швидкість росту мікро тріщин. Спосіб проілюстровано на фіг.1, фіг.2, фіг.3, де на фіг.1 показано параметри сигналу акустичної емісії від тріщини: t 0 , U , t - відповідно, тривалість переднього фронту, амплітуда і тривалість сигналу акустичної емісії. На фіг.2 показаний результат випробувань вихідного зразка зі сталі 65Г на розтяг з реєстрацією сигналу акустичної емісії від тріщини: а - діаграма навантаження зразку; 1 - момент часу появи сигналу акустичної емісії від тріщини; б - реєстрований сигнал акустичної емісії від тріщин, відповідно до моменту часу його появи, згідно фіг.2, а. На фіг.3 показаний результат випробувань термообробленого зразка зі сталі 65Г на розтяг з реєстрацією сигналу акустичної емісії від трі щини: а - діаграма навантаження зразку; 2 - момент часу появи сигналу акустичної емісії від тріщини; б - реєстрований сигнал акустичної емісії від тріщини, відповідно до моменту часу його появи, згідно фіг.3, а. Приклад конкретної реалізації способу, що заявляється. Визначалася швидкість росту трі щин в плоских зразках зі сталі 65Г, які находились в вихідному стані і після термообробки. Твердість вихідного зразка становила 20HRB, а зразка після термообробки - 60HRB. Розмір робочої частини зразків складав 30х100х2мм. За результатами попередніх випробувань зразків, як вихідного, так і термообробленого матеріалу, на розтяг відомо, що їх розподіл за міцністю описуються функцією виду p( s p ) = cs p e (- bs p ) , sp де - міцність (напруга руйн ування); с, b - коефіцієнти розподілу. При цьому значення коефіцієнту b в відносних до середньої міцності одиницях становить: для вихідного матеріалу b=52, а для термообробленого матеріалу b=54. Для визначення швидкості росту тріщин проводилось навантаження зразку ви хідного і термообробленого матеріалу. Навантаження виконувалось на розривній машині "Instron". Швидкість навантаження складала 2мм/хв. При навантаженні зразків одночасно проводилась реєстрація сигналів акустичної емісії від тріщин за допомогою датчика, якій встановлювався на робочу поверхню зразка. За результатами реєстрації сигналів акустичної емісії від тріщин і вимірювань тривалості їх t 0 (фіг.1) визначалася швидкість росту тріщин в ви хідному і термообробленому матеріалах, згідно виразу (2). Результати експериментів проілюстровано на фіг.1, фіг.2, фіг.3, де на фіг.1 показано параметри сигналу акустичної емісії від тріщини: t 0 , U , t - відповідно, тривалість переднього фронту, амплітуда і тривалість сигналу акустичної емісії. На фіг.2 показаний результат випробувань вихідного зразка зі сталі 65Г на розтяг з реєстрацією сигналу акустичної емісії від тріщини: а - діаграма навантаження зразку; 1 - момент часу появи сигналу акустичної емісії від тріщини; б - реєстрований сигнал акустичної емісії від тріщин, відповідно до моменту часу його появи, згідно фіг.2, а. На фіг.3 показаний результат випробувань термообробленого зразка зі сталі 65Г на розтяг з реєстрацією сигналу акустичної емісії від тріщини: а - діаграма навантаження зразку; 2 - момент часу появи сигналу акустичної емісії від тріщини; б - реєстрований сигнал акустичної емісії від тріщини, відповідно до моменту часу його появи, згідно фіг.3, а. За результатами вимірювань тривалість переднього фронту сигналу акустичної емісії від тріщини (фіг.2, б) для вихідного матеріалу складає t 0 =47,5мкс. Тривалість переднього фронту сигналу акустичної емісії від тріщини (фіг.3, б) для термообробленого матеріалу складає t 0 =39,2мкс. За результатами вимірювань тривалості переднього фронту сигналів акустичної емісії, згідно (2), визначаємо, що швидкість росту тріщини для вихідного матеріалу складає VT1=809,7м/с, а для термообробленого матеріалу VT2=944,8м/с, що має добре узгодження з відомими результатами.