Спосіб визначення кінетики руйнування матеріалів в процесі їх пружно-пластичного деформування

Винахід відноситься до способів вимірювання зміни характеристик фізико-механічних властивостей матеріалів при вивченні пружнопластичного деформування та процесів руйнування на стадіях накопичення розсіяних пошкоджень. Відомі способи оцінки ступеню пошкоджуваності та руйнування матеріалу в процесі пружнопластичного деформування за результатами прямих (методи виважування, металографії та ін.) і побічних (акустичної емісії, твердості та ін) вимірювань [Лебедев А.О., Музика М.Р., Волчек Н.Л. Новий метод оценки деградации материала в процессе наработки // Залізничний транспорт України. - 2003. - №5. - С. 30-33; Дрозд М.О. Определение механических свойств металла без разрушения. - М.: Металлургия, 1965. - С. 147-156]. Найбільш близьким за своєю технічною суттю до заявленого є спосіб, що містить в собі операції вимірювання поточних значень навантаження зразка, його поздовжньої деформації та зміни електричного опору в матеріалі при дослідженні міцності і повзучості [Шестериков А.С., Локощенко A.M., Мякотин Е.А., О применении метода измерения электросопротивления при исследовании прочности и ползучести материалов // Проблемы прочности. - 1984. - №10. - С. 32-35], по яких розраховують кінетику утворення мікротріщин. Описаний спосіб недостатньо інформативний і точний, оскільки в розрахунках приймається гіпотеза постійного об'єму матеріалу і незмінності його питомого електричного опору в процесі деформування, що суперечить теоретичним і практичним результатам для пружнопластичного деформування конструкційних матеріалів і, в кінцевому результаті, призводить до помилкового заниження істинних напружень в деталях і до неврахованого прогнозуванням їх передчасного руйнування. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення способу оцінки кінетики руйнування конструкційних матеріалів, шляхом накопичення розсіяних пошкоджень, що дозволяє безперервно, в комплексі, отримувати абсолютні величини дефектів в об'ємі матеріалу при його пружнопластичному деформуванні, за рахунок чого підвищується точність виміру зміни фізико-механічних властивостей матеріалу та точність визначення моменту руйнування конструкцій. Поставлена задача вирішується тим, що в способі визначення кінетики руйнування матеріалів в процесі їх пружнопластичного деформування, що включає вимірювання поточних значень навантаження поздовжньої деформації та електричного опору робочої зони зразка розрахунок значення питомого об'ємного електричного R ×F r= l опору на відміну від традиційного для провідника постійного поперечного перерізу [Кузьмичев В.Е. Законы и формулы физики: Справочник. - Киев: Наукова думка, 1989. - 862 с.], а для провідника змінного поперечного перерізу, що відповідає формі робочої зони зразка при деформуванні за формулою, яка отримується шляхом її помноження і поділу на одне й те ж значення довжини зразка l: R ×F l R V r= × = × , (1) l l l l R де l — опір робочої зони зразка на одиницю його довжини U I U - значення напруження, що безперервно вимірюється на робочій зоні при деформуванні зразка; I - стабілізована величина току, що проходить через робочу зону зразка; V l - об'єм робочої зони зразка на одиницю його довжини. Як кількісну характеристику кінетики руйнування параметр поточної зміни питомого електричного опору робочої зони зразка, який розраховують за формулою: r - r0 D= i , (2) r0 де r0, rі - відповідно початкова та поточна величина питомого електричного опору робочої зони зразка перед та під час деформування. Заявляємий спосіб ілюструється кресленнями, де на Фіг.1 показана принципова схема виміру питомого електричного опору, на Фіг.2 схема пристрою для виміру абсолютної зміни поперечної деформації на робочій зоні зразка перед та під час його деформування, на Фіг.3 зображені характерні ділянки робочої зони зразка при його пружнопластичному деформуванні до руйнування, а на Фіг.4 приведені істинні напруження, без врахування пошкоджуваності, а також ефективні напруження в поперечному перерізі зразка, з урахуванням пошкоджуваності, та крива кінетика руйнування для конструкційної сталі 45. Спосіб визначення кінетики руйнування матеріалів в процесі їх пружнопластичного деформування проводять в наступному порядку. На зразок 1, який закріплюється в струмоізольованому верхньому та нижньому затискачах випробувальної установки ( на кресленні не показано), подається постійний струм від стабілізованого джерела 2 величиною I = 1A і напругою U = 0,2B . Різниця потенціалів між верхнім 3 і нижнім 5 прижимами, яка під час пружнопластичного деформування безперервно знімається з робочої зони зразка 4 з поточними площею - Fi і робочою довжиною - li підсилюється підсилювачем 6 і реєструється потенціометром 7. Формула (1), для визначення питомого електричного опору при пружнопластичному деформуванні матеріалу, враховує зміну об'єму і зміну форми робочої зони зразка за межею тимчасового опору. Форма робочої зони зразка при пружнопластичному деформуванні до його руйнування показана на Фіг.3, де позиціями І та IV показані циліндричні складові робочої зони і позиціями II та III - складові робочої зони з місцевим звуженням. Повний питомий опір робочої зони пружнопластичнодеформованого зразка: доведеного до руйнування ri , R= дорівнює: r i = r¢ + r i¢¢ = i Rц × Vц + Rk × Vk , ( 3) l2 k де Rц - електричний опір циліндричної форми робочої зони зразка; Vц - об'єм циліндричної зони; lц = l1 + l4 - поточна довжина циліндричної форми робочої зони зразка; Rk - електричний опір форми робочої зони зразка з місцевим звуженням; Vk - об'єм робочої зони зразка з місцевим звуженням; lk = l 2 + l 3 - поточна довжина робочої зони зразка з місцевим звуженням. Перед деформуванням і в процесі деформування безперервно вимірюється площа робочої зони зразка 4 пристроєм (Фіг.2), який установлюється в горизонтальній площині на робочій зоні зразка за допомогою підпружинених двох ножів 8, що плавно обертаються навколо шарніра 9. з протилежної від зразка сторони ножів з відношенням плечей 1:2 для вимірювання його поточних поперечних розмірів установлено оптоелектронний растровий датчик 10MS30-1-TTL, який вимірює переміщення ножів з точністю ±0,5мкм. Живлення датчиків 10 здійснюється за допомогою стабілізованого блоку 11-S-15-5 з робочою напругою 5В. Вихідний сигнал датчиків 10 у імпульсній формі передається на плату дискретного вводу 12 типу Encoder 300 ПЕОМ. Врівноважується система виміру поперечної деформації противагою 13. Вимірювання зміни розмірів поперечного перерізу по довжині робочої зони зразка при деформуванні здійснюється скануванням пристрою по вертикальній штанзі 14, що показана на Фіг.2 в розрізі. Суть дослідження пошкоджуваності при пружнопластичному деформуванні складається із 3 етапів: 1. Перед деформуванням визначається питомий електричний опір - r0 електромережі верхній прижим робоча зона - нижній прижим для зразка закріпленого в токоізольованих верхньому і нижньому затискачах випробувальної установки, через які подається стабілізований струм параметрами І 0=1А, U0=0,2B за формулою: U0 V0 r0 = × , (4) I0l 0 l0 де V0 - об'єм робочої зони зразка до деформування V0=F0l0 l0, F0 - відповідно початкова довжина та площа поперечного перерізу зразка до деформування. 2. Пружнопластичне деформування до межі тимчасового опору супроводжується зміною поперечних та поздовжніх розмірів однаковою по довжині робочої зони. Складова Vk формули (3) дорівнює нулю. Поточне i значення зміни питомого електричного опору r¢ при деформуванні r¢ = i 2 lц U¢ Vц i × , (5 ) I¢ × l¢i l¢i i де U¢i , Ii¢ - відповідно, змінні величини напруження і струму в електромережі верхній прижим - робоча зона - нижній прижим зразка при деформуванні V = Fi¢ × l¢ i Vц - об'єм циліндричної форми робочої зони при деформуванні ц li¢, Fi¢ - відповідно поточні довжини та площа поперечного перерізу зразка при деформуванні. 3. За межею міцності деформація зразка відбувається в зоні локального звуження (II, III, Фіг.2) і зміна питомого електричного опору rі проходить в цьому об'ємі - Vk U¢¢ V r ¢¢ = i × k , ( 6 ) i ¢¢ × li¢¢ l¢i¢ Ii i i де U¢¢, I¢¢ - приріст величин напруження і струму в електричній мережі верхній прижим - робоча зона нижній прижим зразка при локальному деформуванні за межею міцності матеріалу. Vk - об'єм локальної зони руйнування зразка, який наближено може визначатись як об'єм двох урізаних 1 Vk = 2 × pl¢¢(R2 + ri2 + Riri ) i i 3 конусів li¢¢ - поточна половина довжини локальнодеформованої зони зразка; Ri, ri - поточні значення радіусів локальної зони зразка відповідно в контакті з циліндричною складовою робочої зони і в перерізі місцевого звуження зразка. Описаний вище спосіб може бути використаний при дослідженні кінетики росту розсіяних пошкоджень в конструкційних матеріалах, в зв'язку з напрацюванням, в умовах тривалого статичного і циклічного навантаження а також для визначення ресурсу роботоспроможності металоконструкцій. Приклад. На Фіг.4 представлені результати дослідження впливу пошкоджуваності на напружений стан зразка конструкційної сталі 45, які побудовані в координатах s = f ( e ) та D = F(e ), e = ln (1 + D li ) l0 - істинна деформація робочої зони зразка; де Dli = li - l0 - зміна довжини робочої зони зразка при його деформуванні; P s= Fi - істинні напруження, що виникають в зразках при їх деформуванні де Fi - поточна зміна мінімальної площі поперечного перерізу робочої зони зразка при деформуванні до руйнування. Крива 1 відображає зміну істинних напружень в поперечному перерізі зразка при його навантаженні до руйнування. Крива 2 характеризує ефективні напруження в поперечному перерізі з урахуванням пошкоджуваності, які розраховують за формулою P ; s= Fi (1 - D) Крива 3 показує поточну пошкоджуваність D в поперечному перерізі зразка (кінетику руйнування), яка розрахована за формулою (2) з урахуванням формул (3), (4), (5), (6) на різних стадіях навантаження при пружнопластичному деформуванні до руйнування робочої зони зразка. Крива кінетики руйнування умовно ділиться на три участки. I - участок пружних деформацій при навантаженні. Пошкодження в матеріалі при такому навантаженні майже відсутні. II - участок пластичних деформацій до тимчасового опору. Пошкодження в матеріалі лінійно наростає з напруженням; Ill -участок деформування зразка в локальній зоні (деформація в шийці) до руйнування зразка. Пошкодження в матеріалі лавинно наростає з навантаженням до критичного значення пошкоджуваності DR=0,205, при якому наступає руйнування. Аналізуючи криві 1,2 Фіг.4 можна відмітити що ефективне напруження при руйнуванні в зразку, яке враховує внутрішні дефекти, вище на 20,5% істинного напруження, що розраховане при вимірі зміни площі навантаженого зразка. В зв'язку з цим ефективні напруження в матеріалі більші ніж розрахункові і руйнування матеріалу відбудеться раніше розрахованого терміну роботи конструкції. Таким чином, даний спосіб дозволяє збільшити обсяг інформації про стан структури матеріалу і визначити ступінь її пошкоджуваності і, відповідно, визначити ресурс роботоспроможності металоконструкцій. Джерела інформації: 1. Лебедев А.А., Музыка М.Р., Волчек Н.Л. Новый метод оценки деградации материала в процессе наработки // Залізничний транспорт України. - 2003. - №5. - С. 30-33. 2. Дрозд М.О. Определение механических свойств металла без разрушения. - М.: Металлургия, 1965. С. 147-156. 3. Шестериков А.С., Локощенко A.M., Мякотин Е.А., О применении метода измерения электросопротивления при исследовании прочности и ползучести материалов // Проблемы прочности. - 1984. - №10. - С. 32-35. 4. Кузьмичев В.Е. Законы и формулы физики: Справочник. - К.: Наукова думка, 1989. - 862 с.