Спосіб визначення границі витривалості

Спосіб визначення границі витривалості, що полягає в тому, що в результаті утомних випробувань будують криву залежності контрольованого параметра (швидкості поширення ультразвукових хвиль, рівня інтенсивності або швидкості рахунку сигналів акустичної емісії, коерцитивної сили, зміни магнітного потоку, намагніченості, амплітуди шумів Баркгаузена, зсуву ліній інтерференційної картини від лазерного випромінювання і так далі) від числа циклів, виділяють на ній ділянку зародження і зростання мікротріщин, по якій судять про границю витривалості деталі, який відрізняється тим, що будують криву залежності коефіцієнта загасання ультразвукових хвиль d від числа ци клів N c - акустичну криву утоми, виділяють на ній висхідну ділянку зародження і зростання мікротрі Корисна модель відноситься до дослідження фізичних властивостей матеріалів і може знайти вживання при визначенні надійності виробів. Відомий класичний метод визначення границі витривалості, в якій за результатами утомних випробувань серії зразків (6-12 прим.) будують залежність напруження в зразку рmax ( max, max) від числа циклів Nc (крива утоми або крива Веллера), виділяють горизонтальну пряму, до якої асимптотичне наближається ця гіперболічна крива поблизу базового числа циклів N0=107-108 циклів, знаходять відрізок, що відсікається на осі ординат. Якщо будують криву утоми в координатах рmax - N-1, про границю витривалості судять по відрізку на осі ординат, що відсікається кривою, якщо у півлогарифмічних координатах рmax - lgN або логарифмічних - lgрmax - IgN, то границю витривалості визначають по ординаті крапки зламу кривої утоми (Г.С. Писаренко, О.Л. Квітка, Э.С. Уманський, Опір матеріалів, Київ.: Вища школа, 2004, с.568-570). Основним недоліком цього методу є істотна відмінність значень границі витривалості в локальних об'ємах блоків, фазових складових, фрагментів, зерен (обмеженої границі витривалості rN ( rN)) і для всього зразка r ( r), значень границі витривалості стандартних зразків і локальних об'ємів натурних зразків або конструктивних елементів, що знижує вірогідність визначення rN ( rN) (для спрощення запису залишаємо по далі лише ). Відомий метод динамічної петлі гістерезиса, в якому один зразок піддають циклічним випробуванням, за допомогою тензодатчиків опору, наклеєних на зразок, виділяють на екрані осцилографа петлю гістерезису, по ширині або площі петлі судять про довговічність і границю витривалості суцільного або тонкостінного циліндрового зразка щин, по середній крутості якої судять про обмежену границю витривалості, де в точках відрізка висхідної ділянки акустичної кривої утоми застосовують ступінчастий режим навантаження у вигляді ряду пар рівнів, що розділяються стрибкоподібним скиданням або підйомом по певному закону, причому один з рівнів пари очікуваної (n ) i r границі (n ) i розташований нижче витривалості r , тобто , висхідна ділянка кривої має нульову п.ч. . (13) чутливості силовимірювального тракту 50361 не збіжиться з порогом абсолютної (11) r UA (n ) i (19) пари U 0 , що технічно виділяється, а другий крутість рівень пари - вище очікуваної границі витривалості 0 , при цьому процес навантаження з крутістю продовжується доти, поки висота рівня чергової 3 50361 (В.Т. Трощенко, Деформація і руйнування металів при багатоцикловому навантаженні, Наукова думка, Київ, 1981, 343с.). Недоліками даного методу є: 1) невідповідність дійсної або локальної (поблизу небезпечної точки небезпечного перерізу зразка) обмеженої границі витривалості rN і глобального (за всім обсягом зразка) значення r, викликане використанням наближених положень теорії пружності, так і відсутністю надійних знань про криві зміцнення вище r; 2) невідповідність локального rN в різних точках поверхні конструктивного елементу і номінальної границі витривалості стандартного або навіть натурного зразка. Найбільш близьким по технічній сутності й ефекту, що досягається, до пропонованого винаходу є спосіб визначення границі витривалості, в якій зразок у вигляді прямого стрижня звучатимуть ультразвуковими подовжніми хвилями уздовж його осі і одночасно піддають циклічним навантаженням розтягання-стискання, за результатами утомних випробувань будують криву залежності «швидкість поширення ультразвукових хвиль - число циклів», виділяють ділянку зародження і зростання мікротріщин, по крутості якої судять про границю витривалості (С.В. Коновалов, С.Н. Горлова, О.С. Лейкіна, О.В. Соснін, В.В. Целлермайер, В.Е. Громов, Про залежність швидкості поширення ультразвука від числа циклів при утомних випробуваннях, 3 Всерос. н.т. конф.» Нові хім. технології: виробництво та застосування», Пенза, Зб. мат., Вид-во Приволж. Дому знань, с.25-26 (2000); И.А. Грецька, С.В. Коновалов, О.В. Соснін, Можливість будування кривих утоми згідно даних вимірювання швидкости ультразвука, Віс. вузів. Чорна металургія, 2002, №11, с.77). Основним недоліком цього методу є використання як вимірювальної бази всієї довжини зразка. Іншими недоліками методу виступають: 1) обмеження форми зразка лише прямим стрижнем; 2) зміна амплітуди зовнішнього напруження на 0,7МРа наводить до зміни швидкості поширення хвиль l на 5mm/S ( для сталі l 5000m/S) тобто практичне використання такої методики вимагає виміру змін часу порядку 1ns і складних прецизійних приладів (Експериментальна механіка: У 2-х кн.: Кн. 2., Під редакцією А. Кобаясі, Світ, Москва, 1990, с.320). Метою цієї корисної моделі є підвищення вірогідності контролю при розширенні функціональних можливостей. Поставлена мета досягається тим, що в результаті утомних випробувань будують криву залежності коефіцієнта загасання ультразвукових хвиль d від числа циклів Nc - акустичну криву утоми (АКУ), виділяють на ній висхідну ділянку зародження і зростання мікротріщин, по середній крутості якої судять про обмежену границю витривалості, де в точках відрізка висхідної ділянки акустичної кривої утоми застосовують ступінчастий режим навантаження у вигляді ряду пар рівнів, що розділяються стрибкоподібним скиданням або підйомом по певному закону, причому один з рівнів пари зовнішнього напруження (n ) i (i 12) , , 4 розташований нижче очікуваної границі витривалості тобто rN (n ) i rN , і тут висхідна ділянка має нульову крутість =0, а другий рівень пари вище очікуваної границі витривалості з крутістю >0, при цьому процес навантаження продовжується до тих пір, поки висота чергового рівня (n ) i не збіжиться з порогом абсолютної чут r ливості силовимірювального тракту . п.ч. Фізична сутність винаходу полягає в тому, що середня крутість висхідної ділянки акустичної кривої утоми tg залежить від амплітуди зовнішнього напруження a при симетричному циклі (В.Л. Бусов, Поглинання ультразвукових хвиль у пластично деформованих полікристалах, укр. Журнал Фізика і Техніка Високих Тисків (ФТВТ), т.15, №1, 2005, с.112; В.Л. Бусов, Про акустичний аналог кривої зростання утомних тріщин. Дефектоскопія №9, 2008, с.64) і тому якщо a b , де b границя міцності, то ( a b , то кут ньою крутістю (кут ), а якщо 2 0 . Тут під серед 0 й розуміється відношення: kn a Nkn Na , де Na й a , Nkn й kn - значення числа циклів і коефіцієнта загасання ультразвукових хвиль відповідно на печатку і в точці перегину висхідної ділянки. Крім того: 1) процес зародження і зростання стійких мікротріщин є необоротним тобто при a r крутість >0; при відповідні значення крутості r 1 a1 a2 b . Якщо після 2 цього a понизити до r a3 a1 , то на лінії висхідної ділянки має місце стрибок крутості (злам лінії), і надалі висхідна ділянка поводиться як лінія з 3 ; 2) перехід від одного режиму навантаження до іншого не може статися миттєво, інтервал тимчасового переходу визначається часом релаксації, який у свою чергу залежить від досліджуваного об'єму (Л.Д. Ландау, Е.М. Ліфшиц, Статистична фізика. Ч.1. т.5. ,Наука, Москва, 1976, с.27). Все це зрештою привело до появи ступінчастих режимів навантаження, де висота рівнів 10-20MPa, а їх ширина Nc - 104-105 циклів при утомних випробуваннях стандартних зразків діаметром 6-10mm. В рамках методу зворотного розсіювання, що дозволяє побудувати акустичну криву утоми (В.Л. Бусов, Акустичний метод зворотного розсіювання в досвідах під навантаженням і перспективи його розвитку, ФТВТ, т.13, №1, 2003, с.145; В.Л. Бусов, Т.Д. Шермергор, Розсіювання ультразвуковых хвиль в полікристалах при розвинутої пластичної деформації на стадії фрагментації, ФТВТ, т.12, №1, с.60) основним джерелом інформації про розподіл d по глибині є та лінія, що огинає розсіяний від структури сигнал ультразвукових хвиль на екрані дефектоскопа. Тут ділянка лінії, що огинає, виділя 5 ється шляхом стробування завдовжки 3-6mm при площі п’єзопластинки 3×6mm2, що еквівалентно об'єму стандартного зразка. Якщо довжина ділянки стробування збігається з мінімально можливою ціною ділення шкали на екрані дефектоскопа: 0,10,2mm при частоті заповнення ультразвукового імпульсу 10MHz, то ширину рівня режиму навантаження можна понизити більш ніж на порядок: до 103-104 циклів; 3) процес зародження і зростання стійких мікротріщин є випадковим і марківським (Дж. Богданофф, Ф. Козін, Вероятностні моделі накопичення пошкоджень, Москва, Мир, 1989, 340с.). Звертає на себе увагу майже повна подібність кривої висхідної ділянки АКУ і інтегральної кривої розподілу вірогідності часу до руйнування або довговічності Fw формою і розташуванням на площині першого квадранта системи координат. У основі даного винаходу закладена ідея заміни сукупності стандартних зразків при утомних випробуваннях на ансамбль невеликих груп зерен (кластерів) полікристала типа зерно + найближчі його зерна - сусіди, що відповідає ідеальному технічному рішенню (ІТР). Тут використано рішення, яке прагне і близько до ІТР. У цьому рішенні ділянку стробування на екрані дефектоскопа завдовжки 310mm розбивають на 50-100 відрізків, кожен з яких відповідає одному пробному об'єму з площею основи - поверхні п’єзоперетворювача і висотою на розмір кластера зерен. Звідси стає можливим побудувати ступінчастий режим вантаження у вигляді ряду пар рівнів, що розділяються стрибкоподібним скиданням або підйомом по певному закону, наприклад, золотої середини, де один з рівнів даної пари, розташований нижче очікуваної границі витривалості (довідкові дані), і тут відповідний цьому рівню відрізок висхідної ділянки АКУ має нульову крутість 0 , що технічно виділяється; другий рівень,4 розташований вище очікуваної границі витривалості і відрізок висхідної ділянки має крутість 0. Процес навантаження продовжується до тих пір, поки висота рівня чергової пари не збіжиться з порогом абсолютної чутливості силовимірювального тракту (для тензореп.ч. зісторів цей поріг порядку 1MPа (Д. Деллі У. Райлі, Тензодатчики, в зб. статей Експериментальна механіка, В 2-х книгах. Книга 1., Під ред. А. Кобаясі, Світ, Москва 1990, с.54). Пропонований спосіб визначення границі витривалості має істотні відмінності, що полягають у відмові від використання лабораторних зразків і поширенні даного неруйнівного прискореного методу визначення rN на об'єми поблизу небезпечних точок небезпечних перерізів конструктивних елементів при локальності контролю не нижче 0,1×3×6mm3, у вживанні нового програмованого ступінчастого режиму навантаження, що дозволяє довести точність визначення rN до гранично мо1 при силовимірювальному меп.ч. 2 тоді, що використовується; у вживанні даного методу безпосередньо в процесі експлуатації конструктивного елементу тобто в режимі реального часу життя цього елементу. Ознаки, що відрі жливих 50361 6 зняють пропонований винахід, в науці і техніці не виявлені. У такий спосіб, що заявляється, завдяки наявності нових ознак, дозволяє отримати позитивний ефект і, отже, він має властивості, якими не володіє прототип або схожі з ним способи, тобто спосіб, що заявляється, володіє істотною відмінністю. Пристрій, що реалізовує спосіб визначення границі витривалості, змальований на Фіг.1. Пристрій, що реалізовує спосіб визначення границі витривалості при симетричному циклі, містить: машину для утомних випробувань УП-50 у вигляді двох коливальних мас 2, зразок 5, який кріпиться між вищеназваними масами клиновим розпором, локально-іммерсійну ванну з ультразвуковим п’єзоперетворювачем 4, яка кріпиться на зразку двома П-подібними скобами, серійний дефектоскоп типа УД2-12 виробництва Молдавії 1, датчик лінійних переміщень 11 типа BTL-5-P з позиційним контролером BDD-CC 08-1-Р виробництва фірми «Balluff» (Німеччина) 12, блок контролю швидкості обертання у вигляді електронного тахометра, що включає безконтактний датчик кутової швидкості типа Т2М і цифровий індикатор (Росія) 17, блок управління 16, що включає програмований перетворювач на тиристорах ABB(SIMOREG) 19, контролер і тахогенератор 3 фірми Siemens з негативним зворотним зв'язком, встановлений співвісно з електродвигуном (ЕД) постійного струму 8, два тензорезистори 10 і тензостанцию 18 моделі ТА-5, а також пружинний таріровочний динамометр. Структурна схема пристрою включає акустичний тракт з двох каналів: каналу амплітуди у вигляді пьєзоперетворюA I A2 d вача, дефектоскопа, блоку сполучення, що включає багатоканальний аналогово-цифровий перетворювач 15 Ла-н1РСІ (Росія) з частотою дискретизації 100-1000МНz, буферного запам'ятовуючого пристрою, персонального комп'ютера 20 і часового каналу t L L , що визначає ділянку стробування L, канал числа обертань n, і силовимірювальний тракт, що містить два канали: канал зовнішнього навантаження Р, що включає вищеназвані датчик лінійних переміщень і позиційний контролер, і канал внутрішнього напруження в зразку, що включає вищезгадані два тензорезистори і тензостанцию, і систему управління і зворотного зв'язку між акустичним, силовимірювальним трактами і каналом числа обертань для регулювання числа обертань електродвигуна постійного струму згідно заданій програмі режиму навантаження. Спосіб визначення границі витривалості здійснюється таким чином: тарують пружинний динамометр за допомогою спеціального натискаючого болта і індикатора деформацій годинного типа (±0,01mm); за допомогою отриманої таріровочної таблиці будують залежності переміщень точки зразка u, що фіксується, за допомогою датчика BTL-5, по яких будують залежності «переміщення u - зусилля Р»; за допомогою електронного тахометра будують залежність «зусилля Р - число зворотів n ЕД» при відомій залежності «напруга, що живить якір, - число зворотів ЕД»; шляхом розра 7 50361 хунків визначають значення зовнішнього нормального напруження ( теор) і в рамках моделі плос кого чистого згину; будують залежність «напруження і - число обертань n ЕД», одночасно за допомогою тензорезисторів виробляють оцінку внутрішнього нормального напруження (exp er ) , i ( теор) / (exper ) ; i i int знаходять коефіцієнт зв'язку отримані залежності «зашива ють» у програмне забезпечення способу; при цьому процес управління і зворотного зв'язку між датчиками і PC здійснюють через канали A, t, u, n, (exp) a і відповідні порти PC за допомогою багатоканальних АЦП, ЦАП, контролера і тиристорного перетворювача шляхом зміни живлячої напруги U. Алгоритм даного способу наступний: при зовнішньому напруженні a на 10-20% вище очіint куваної границі витривалості r будують акустичну криву утоми аж до появи на ній мінімуму, при цьому виділяють в точках відрізка висхідної ділянки АКУ два масиви значень d і Nc, по якому розрахунковою дорогою визначають миттєву (для Комп’ютерна верстка А. Рябко 8 даної пари рівнів) і середню крутість для всього відрізка, при цьому в деякій проміжній точці вищезгаданого відрізка висхідної ділянки АКУ застосовують запрограмований ступінчастий режим навантаження у вигляді ряду пар рівнів ( n , (n) (1), (n) (2); n - номер пари; 1, 2 - порядковий i i номер рівня в парі де тих пір, поки висота рівня чергової пари (n ) i r не збіжиться із значенням порогу абсолютної чутливості силовимірювального тракту (Фіг.2). При значеннях коефіцієнта циклу r 1, використовують pmax замість a . Коментарі до малюнку на Фіг.1: 1 - дефектоскоп УД2-12; 2 - маси; 3 - тахогенератор; 4 - локально-іммерсійна ванна; 5 - зразок; 6 - ексцентрик; 7 гнучкий зв’язок привода; 8- електродвигун; 9 регулятор обертань двигуна; 10 - тензодатчик; 11 вимірювач лінійного переміщення; 12 - позиційний контролер; 13 - пружини; 14 - основа випробувальної машини; 15 - аналогово-цифровий перетворювач, 16 - блок управління, 17 - електронний безконтактний тахометр, 18 - тензостанція, 19 перетворювач на тиристорах; 20 - персональний комп'ютер. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601