Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в различных отраслях промышленности широко применяются композиционные ' материалы [ 1]. Принципиально важными свойствами композитов' являются их низкий удельный вес, жесткость и высокая прочность по сравнению с другими материалами. Применение композитов в условиях повышенного влияния разрушающих факторов (например, в шахтах, рудниках, в качестве конструкционных материалов) приводит к необходимости исследования прочностных характеристик этих веществ для предсказания их ресурса долговечности. С этой целью в практике промышленных предприятий и исследовательских лабораторий широкое распространение' получили различные неразрушающие методы контроля материалов. Однако к ряду изделий и условий нагружения не всегда возможно применение существующих методов. Для композиционных материалов практически не разработан как теоретически, так и экспериментально метод, основанный на регистрации импульсного электромагнитного излучения (ЭМИ), возникающего при распространении трещин, хотя необходимость в бесконтактном неразрушающем методе весьма велика.
С этой точки зрения разработка метода контроля и прогноза долговечности на основе ЭМИ является актуальной задачей, так как способствует изучению процессов разрушения композиционных материалов, а также может быть использована для оперативного определения кинетических характеристик прочности и долговечности на стадии изготовления и испытания композитов.
Идея работы - применение закономерностей импульсного электромагнитного излучения для определения кинетические констант разрушения, параметров трещин и прогноза долговечности композиционных материалов.
Цель работы - разработка экспресс-метода контроля и прогноза ресурса долговечности композитов на основе импульсного ЭМИ.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Разработать теоретическую модель формирования очага разрушения и импульсного электромагнитного излучения в композиционных" материалах.
-
Исследовать кинетику, статистику и характеристики ЭМИ при различных режимах нагружения композиционных материалов.
-
Разработать экспресс-метод контроля и прогноза ресурса долговечности композитов при различных режимах нагружения.
Методы исследования:
- анализ и обобщение работ по методам исследования кине
тики разрушения композиционных материалов;
-использование кинетико-статистической модели разрушения композиционных материалов, построеннрй на основе кинетической, концепции прочности С.Н. Журкова; .
экспериментальные исследования разрушения композитов. по параметрам импульсного электромагнитного излучения, генерируемого при возникновении и прорастании трещины;
проведение статистической обработки результатов наблюдения электромагнитной эмиссии на ЭВМ.
Научные положения, представляемые к защите
-
Кинетако-статистическая модель формирования очага разрушения и электромагнитного излучения в композиционных материалах, включающая в себя статистику Херста, условие необратимости, разрушения Бейли, кинетическое уравнение для скорости трещинообразования и концентрационный критерий разрушения, адекватна реальному процессу накопления повреждений и позволяет находить достоверные значения энергии активации разрушения в наиболее слабых звеньях структуры композитов и структурно-чувствительный коэффициент, которые определяют долговечность композитов в различных режимах эксплуатации.
-
Импульсное электромагнитное излучение при нагружении композитов объясняется возникновением заряда в вершине движущихся трещин. Наибольший вклад в электризацию трещин вносят механизмы контактной электризации, пъезоэффект и дилатаци-онное взаимодействие точечных дефектов структуры с неравновесным полем механических напряжений движущейся трещины.
-
Размер образующихся трещин пропорционален времени нарастания фронта отдельных импульсов ЭМИ и скорости их распространения.
-
Количество импульсов ЭМИ соответствует числу образую-: щихся трещин и ограничивается концентрационным порогом разрушения при любых режимах нагружения, что позволяет определять энергию активации разрушения композитов и активационный объем.
5. Процесс накопления повреждений подчиняется статистике
Херста с показателем Н > 0,5. Начало хаотического изменения по
казателя Херста характеризует переход от устойчивой стадии эво
люции очага разрушения на стадию образования крупных трещин,
приводящих к разрыву образца.
Научная новизна работы:
- разработана теоретическая модель очага разрушения, по
зволяющая определять энергию активации разрушения, активаци
онный объем и рассчитывать ресурс долговечности композитов
при различных нагрузках;
- впервые на основе теоретических расчетов показано, что наибольший вклад в электризацию трещин при нагружении полимерных композитов вносят механизмы контактной электризации, пьезоэффект и дилатационное взаимодействие точечных дефектов структуры с неравновесным полем движущейся трещины;
- впервые для композиционных материалов по параметрам сигналов электромагнитного излучения определены кинетические константы прочности: энергия активации разрушения, активационный объем, эффективная поверхностная энергия разрушения, а также размер образующихся микротрещин и скорость их распространения; ,.-, впервые для композиционных материалов исследована статистика электромагнитной эмиссии при различных режимах на-гружения и установлено, что импульсное ЭМИ при нагружении композитов подчиняется статистике Херста, а начало хаотического изменения показателя Херста характеризует переход очага разрушения в неустойчивую стадию эволюции.
- предложен метод контроля разрушения и оценки долговеч
ности композитов при различных режимах нагружения.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
использованием современных представлений о процессах, протекающих в композиционных материалах, находящихся под нагрузкой;
удовлетворительным совпадением результатов теоретического расчета средних размеров трещин, скорости их распространения, концентрации, полученных по параметрам импульсов ЭМИ при трещинообразовании, и результатов экспериментальных исследований.
Значение работы. Обнаруженные в настоящей работе закономерности электромагнитного излучения композитов, находящихся под нагрузкой, способствуют углублению знаний о действии механического нагружения на материалы и расширению представлений о механизме генерации импульсного электромагнитного излучения композитов.
В практическом аспекте ценность работы определяется возможностью использования полученных результатов и метода электромагнитного излучения для оперативного определения основных кинетических констант прочности на стадии изготовления и испытания композиционных материалов, контроля разрушения, а также для прогнозирования ресурса долговечности композитов.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Установка по регистрации ЭМИ и метод ЭМИ используется для определения кинетических констант прочности и ресурса долговечности изго-
тавливаемых композиционных материалов в лаборатории инженерного центра акционерного общества фирмы "ТОКЕМ" в г. Кемерово.
Тема диссертационной работы выполнялась в рамках региональной межвузовской научно-технической программы "Кузбасс" по направлению "Разработка теоретических основ электромагнитных процессов при разрушении и аппаратуры прогноза долговечности неметаллических конструкционных материалов в различных условиях нагружения" по заказу Государственного комитета Российской Федерации по высшему образованию.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы были представлены на международной научно-практической конференции "Композиты - в народное хозяйство России " (Композит'95), г. Барнаул, 1995г., на 1 научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (Сибресурс' 95), г. Кемерово, "' 1995г., на международной научно-технической конференции "Композиты - в народное хозяйство России" (Композите), г. Барнаул, 1997 г., на VI Международной конференции по химии и фи-зикохимии олигомеров, Казань, 1997 г., докладывались на научных семинарах кафедры электротехники Кузбасского государственного технического университета.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 работ.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 160 страниц машинописного текста, 36 рисунков, 15 таблиц. Список литературы включает 156 наименований.
