Особенности акустической эмиссии при частичной разгрузке керамического изделия
На базе линейной механики разрушения обоснованы неразрушающие экспресс-методы определения
 параметров длительной и кратковременной прочности изделия. Данные, полученные
 этими методами, сопоставляются с результатами разрушающих испытаний и используются
 при исследовании влиян...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Проблемы прочности |
|---|---|
| Datum: | 2002 |
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2002
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46880 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Особенности акустической эмиссии при частичной разгрузке
 керамического изделия / Т.С. Никольская // Проблемы прочности. — 2002. — № 4. — С. 140-147. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860234773646016512 |
|---|---|
| author | Никольская, Т.С. |
| author_facet | Никольская, Т.С. |
| citation_txt | Особенности акустической эмиссии при частичной разгрузке
 керамического изделия / Т.С. Никольская // Проблемы прочности. — 2002. — № 4. — С. 140-147. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | На базе линейной механики разрушения обоснованы неразрушающие экспресс-методы определения
параметров длительной и кратковременной прочности изделия. Данные, полученные
этими методами, сопоставляются с результатами разрушающих испытаний и используются
при исследовании влияния размеров изделия и температуры на длительную прочность.
На базі лінійної механіки руйнування обгрунтовано неруйнівні експрес-
методи визначення параметрів тривалої і короткочасної міцності виробу.
Дані, що одержано цими методами, зіставляються з результатами руйнівних
випробувань і використовуються при дослідженні впливу розмірів виробу і
температури на тривалу міцність.
On the basis of the linear fracture mechanics
we substantiate nondestructive accelerated
methods for determining parameters of longand
short-term strength of a product. We compare
numerical data obtained by these methods
with the results of destructive tests and use the
former for studying the influence of the product
size and temperature on long-term strength.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:22:43Z |
| format | Article |
| fulltext |
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ
РАЗДЕЛ
У Д К 5 3 7 .5 3 3 .8 :6 2 1 .3 18 .12 4
Особенности акустической эмиссии при частичной разгрузке
керамического изделия
Т. С. Н икольская
Санкт-Петербургский государственный технический университет, Санкт-Петербург,
Россия
На базе линейной механики разрушения обоснованы неразрушающие экспресс-методы опре
деления параметров длительной и кратковременной прочности изделия. Данные, полученные
этими методами, сопоставляются с результатами разрушающих испытаний и исполь
зуются при исследовании влияния размеров изделия и температуры на длительную проч
ность.
К лю чевы е слова: неразрушающие экспресс-методы определения параметров
прочности, линейная механика разрушения, кратковременная прочность.
Закрытие трещины в конце разгрузки (эффект Эльбера) позволяет опре
делять пороговую нагрузку £ 0, без превышения которой трещина не разви
вается и прочность изделия не снижается. С целью определения Ьо изделие
целесообразно [1] нагружать и полностью разгружать, регистрируя акусти
ческую эмиссию (АЭ) и повышая при этом максимальную нагрузку цикла на
3% до тех пор, пока по окончании разгрузки не будет зарегистрирована АЭ.
Если при Ь > 1,3Ьо изделие быстро разгрузить, например на 5%, и
выдерживать при постоянной нагрузке Ь^ то через интервал АЭ по
явится вновь, и ее скорость счета N будет постепенно возрастать. Две
последующие частичные разгрузки дают Дг2 и Дг3 (рис. 1), а также
интервалы времени г2 и г3 , после которых величины N при пониженной
нагрузке достигают своего значения перед очередной частичной разгрузкой.
Для объяснения рис. 1 рассмотрим напряженное состояние перед вершиной
трещины длиной а.
В рамках линейной теории упругости изотропного тела для компоненты
О у тензора напряжений в окрестности вершины трещины, где радиус-
вектор г мал по сравнению с длиной трещины а, справедливо представле
ние [2]
О у (г , в ) = К а/ У (в )/(2ж г)1/2,
где г и в - полярные координаты произвольной точки рассматриваемой
окрестности; К а - коэффициент интенсивности напряжений (КИН), со-
© Т. С. НИКОЛЬСКАЯ, 2002
140 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 4
Особенности акустической эмиссии
В р ем я ?
Рис. 1. Изменение скорости счета N АЭ при частичных разгрузках после превышения
напряжения а0.
ответствующий трещине нормального отрыва (K j), поперечного сдвига
(K п ) или продольного сдвига (K ш ); f j (в ) - безразмерная функция.
Для трещины без сосредоточенной нагрузки на своей поверхности и
находящейся в поле номинальных напряжений о КИН записывают [2] в
виде
K = Yoa1/2,
где Y - коэффициент, учитывающий соотношение размеров тела и трещины,
а также другие ее особенности. Обозначим через р размер той зоны перед
вершиной трещины (рис. 2), в которой реализуется механизм разрушения
микропластическими деформациями, предшествующими образованию новой
поверхности [3]; р = р 0 при в = 0. Если условие микропластичности можно
записать через компоненты тензора напряжений и параметр Л, характе
ризующий свойства материала, то р ~ K 2F j (в ) / Л 2 , где Л имеет размер
ность напряжения. При заданном в
р ~ K 2/ Л 2 ,
а
d ln р = 2 ln K = 2do/o + d a /a . (1)
При быстрой разгрузке da/a = 0, а А р /р = 2А ог / о г-, где А р - умень
шение р о при снижении о на Аo t . При дальнейшей выдержке при
о = const трещина будет подрастать, увеличивая K , без АЭ - в силу эффекта
Кайзера. Когда трещина подрастет таким образом за время А ̂ на величину
A a c (рис. 2), то граница новой зоны соприкоснется с границей старой. При
этом
A ac = |Д о |= Р o|2A o, / o i |- (2)
Дальнейшее подрастание трещины на величину Aa при о t — А о t
будет сопровождаться АЭ и приведет к восстановлению значения р 0 (на
рис. 2 пунктир), а следовательно, и K через интервал времени t t . В этот
момент А р /р = 0, и в соответствии с (1) запишем
4 a = |Ао {I о i |. (3)
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 4 141
Т. С. Никольская
Ро С
Рис. 2. Гипотетические границы зоны реализации механизма разрушения у вершины тре
щины (сплошная линия - перед разгрузкой; штриховая - после частичной разгрузки; штрих-
пунктирная - в момент касания исходной границы после подрастания трещины; пунктирная -
после достижения прежнего значения КИН при пониженном напряжении а; Аас ~ Ар -
возможное перемещение вершины трещины без АЭ при частичной разгрузке или без раз
грузки.)
Зависимость скорости а развития трещины от КИН в керамическом
материале, не подвергавшемся силовому воздействию, обычно аппрокси
мируют [3] степенной функцией
где А, К о и п - константы материала при заданной температуре, причем
К о - значение К , отвечающее Ьо и а о, при которых трещина с начальным
размером а н стартует со скоростью а 0. В период А1 сопротивление
материала распространению трещины ниже обычного, так как по крайней
мере часть микропластических деформаций перед вершиной трещины про
изошла до частичной разгрузки, и показатель степени в (4) может отли
чаться от п - обозначим его через т. На основе (2) запишем
А а С2 / А а сз — а^а 1 Аа 1 / а 2 а 2 А а 2 — а 1 Аа ̂ / а 2 А а 2 (1 ^ Аа^ / а^)
или в соответствии с (3) -
а = А К п = а 0( К /К 0)п, (4)
Д ас2/Д а с3 = а 1Д а 1/ а 2 Д а 2(1 + 2 Д а 1/ а Д (5)
а с учетом (4)
Д а е2ІД а с3 = Л 2а 2 / Л 3а 2 (1+ Д аі / а 1)т /2 -
Подставив этот результат в (5), после логарифмирования получим
а 2 а і
(6)
142 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 4
Особенности акустической эмиссии
Скорость счета АЭ N определяется скоростью роста трещины а и
размером р зоны перед вершиной трещины. Величины а и р опреде
ляются значением КИН. В силу этого восстановление N после частичной
разгрузки свидетельствует о достижении прежнего значения K при более
низкой нагрузке L = const. С учетом этого по аналогии с выводом (6)
находим
п
В результате интегрирования (4) при о = const получим [3]
г = 2/ ( n - 2)A Y nо па н(п-2)/2,
1 /2
г - долговечность. Поскольку K о = Yo о а н , то
о 2г = 2 /a y 2(п - 2)K0n-2(о / о q )п -2 , о 2г = о 0г J XП - 2 , г = г оX П,
или
п = d lg г / d lg X н , (8)
где X н = о / о 0 = L/L0 ; г 0 = 2 /A Y 2(п - 2)K0- 2 о 0 - долговечность г при
X н = 1 или о = о 0.
Путем сопоставления значений п, рассчитанных по (7) и (8), можно
проверить корректность предложенного экспресс-метода (рис. 1) опреде
ления п с помощью АЭ. Для аналогичной проверки по т необходимо
выразить долговечность в циклах C через X н и т.
В линейной механике разрушения [2] условие предельного состояния
1/2тела с трещиной определяют как Yoa = K c , где K c - критическое значе
ние K , зависящее от энергии j , необходимой для создания единицы новой
2 1/2поверхности. В условиях плоской деформации K c = (2jE ( 1 - ц )) , в усло
виях плоского напряженного состояния K = (2j E )1/2. Здесь E - модуль
упругости материала; ц - коэффициент Пуассона; j = j обр + j пр, где j обр -
энергия, необходимая для образования единицы поверхности; j пр - прочие
энергетические затраты, в частности на предшествующие образованию по
верхности микропластические деформации. При разгрузке наличие участка
А р (рис. 2) с пониженным сопротивлением j развитию трещины приводит
к возможному спонтанному разрушению при K < K c [4]. Поскольку сниже-
1 /2ние j возможно лишь до j обр, то K 0 = (2j обрE ) . Если в процессе
разгрузки K < K 0, то трещина уже не может развиваться. Из-за высокой
скорости а спонтанное приращение трещины A a c = А р при снижении K
до K 0 можно считать скачкообразным. Если Аa c/a меньше времени раз
грузки, то долговечность в циклах нечувствительна к частоте нагружения. В
= 2 + lg
t3 А о 1 о
12 Ао 2 о 2 о 1
lg
о
о
о
о 1 + |2Ао 1
(7)
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 4 143
Т. С. Никольская
соответствии с (1) для цикла с полной разгрузкой при К т ^ < К 0 получим
2 2А ас = А р ~ (К — К о ), где К - максимальная за цикл величина КИН. Значе
ние скорости развития трещины d a |d C , где С - число циклов, можно
рассматривать как произведение размера скачка трещины на вероятность его
реализации за единицу времени. Если для скачка необходима реализа
ция т независимых событий, вероятность каждого из которых пропорци
ональна А р, то при К > К о имеем da |dC = В ( К — К о ) т ; интегрирование
этого результата дает число знакопостоянных циклов до разрушения С ~
« 1 а 2(т — 1)ВУ2К 02(т—1)(X 2 — 1)т —1, откуда
т = 1 — ^ (1ё а 2 С ) / d (1е( X ̂ — 1)]. (9)
В таблице приведены значения т и п, определенные по формулам (8) и
(9) с учетом тангенса угла наклона кривых длительной прочности [5] в
логарифмических координатах. Ввиду разброса экспериментальных точек
вокруг аппроксимирующих прямых тангенсы угла наклона, а следовательно,
и значения т и п определены с погрешностью 15...20%. Там же пред
ставлены средние т ср и п ср значений т и п, полученных по формулам (6)
и (7) при обработке результатов испытаний 16-20 стержней каждой кера
мики, испытанных с регистрацией АЭ (рис. 1).
Результаты кратковременных и длительных испытаний керамических материалов
Керамика Т = 295 К Т1 = 295 К Т2 = 333 К Т3 = 263 К М1 N 1 М3 N 3
т п т ср1 пср1 тср2 пср2 тср3 пср3
АІ2О3 8 30 8,0 32 7,0 28 8,5 36 1,14 1,13 1,21 1,29
БіС 7 24 6,8 25 6,1 22 7,9 27 1,11 1,12 1,30 1,23
Біз^ 16 61 15,0 60 13,0 53 15,0 66 1,12 1,13 1,15 1,25
9 29 7,9 34 7,2 30 9,7 38 1,10 1,14 1,35 1,27
ВаТіО3 10 37 11,0 36 9,5 37 12,0 47 1,16 1,15 1,24 1,27
Фарфор 10 40 9,9 42 9,4 37 13,0 50 1,06 1,13 1,38 1,35
Феррит 10 37 9,5 36 8,1 33 10,0 46 1,17 1,11 1,23 1,39
Строительная 10 38 10,0 37 8,9 31 10,0 38 1,13 1,20 1,12 1,23
Среднее 1,13 1,13 1,25 1,29
Примечание. Мх = тср1/тср2 , = иср1/ пср2 , Мъ = тср3/тср2 , Ы3 = тср3/ т ср2.
Исследуемые стержни сечением 8 x 8 мм предварительно изгибали по
четырехточечной схеме (в условиях чистого изгиба) для устранения АЭ
микрорастрескивания поверхностных слоев. Затем в плоскости нейтраль
ного слоя вдоль оси образца алмазным кругом выполняли две симметричные
прорези, которые уменьшали ширину нейтрального слоя на 2/3. При моно
тонном нагружении такого стержня силой посередине пролета трещина
144 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 4
Особенности акустической эмиссии
начинает развиваться сдвигом* в нейтральном слое и перпендикулярно ему
в зоне растяжения. Выдержку при о 1 (рис. 1) проводили не менее 100 с.
Акустическую эмиссию регистрировали с помощью прибора АФ-15 с уров
нем собственных шумов 7 мкВ. Использовали резонансный пьезокерами
ческий преобразователь в диапазоне частот 20...200 кГц. Предварительные
сравнительные испытания показали, что этот преобразователь фиксирует
наибольшее количество импульсов АЭ по сравнению с другими при прочих
равных условиях. На образец устанавливали два датчика, каждый с усилием
поджатия 2 Н. Для улучшения акустического контакта датчика с поверх
ностью образца использовали смазку.
Значения mcp и n cp при комнатной температуре случайно отличались
от значений m и n, полученных по результатам длительных испытаний.
Отношения mcpi / m cp2 и n ф1/ n cp2 близки к отношению T2/ T1 = 1,13 (таб
лица), что позволяет считать mcp и n cp обратно пропорциональными
абсолютной температуре Т. Коэффициенты вариации значений m и n,
рассчитанных по (6) и (7), в среднем составляют 6%, что соответствует
погрешности 12% при Р = 0,95. При этом доверительный интервал среднего
по 20 результатам не превышает 3%. Следовательно, использование АЭ при
определении mcp и n cp позволяет значительно уменьшить погрешность и
трудоемкость по сравнению с оценкой m и n по результатам длительных
испытаний.
Для выяснения возможного влияния размеров изделий на значения m, n
и о 0 их определяли при комнатной температуре с использованием АЭ в
условиях изгиба силой посередине пролета трехметровых панелей из строи
тельной керамики**, фарфоровых** метровых стержней диаметром 200 мм,
а также их фрагментов, вырезанных вдоль оси изделия. На каждом изделии
или образце определяли от 9 до 16 значений m, n и о 0. С этой целью между
контрольными нагружениями изделие поворачивали вокруг оси или сдви
гали на опорах вдоль оси так, чтобы область приложения силы не пере
крывалась с предыдущей по длине образца. Уменьшение объема объекта
испытаний приводит к повышению о 0, но практически не влияет на значе
ния m, n и их разброс.
Как следует из (3), (2) и (5), при заданном Д о /о (рис. 2) значение
At = Д а c/ а обратно пропорционально K m~2 и при наличии трещин с раз
личными K определяется наиболее опасной трещиной (с наибольшим K). С
учетом этого предложен неразрушающий способ оценки разрушающей на
грузки Lp при нагружении с L = const. Суть его состоит в увеличении
нагрузки с промежуточными частичными разгрузками (рис. 3) и выдерж
ками при L = const до тех пор, пока At при L = const не окажется меньше
* При длительном нагружении керамики ее долговечность определяется развитием трещины
сдвига, которое завершается отрывом [6], что подтверждается близкими значениями m и mcp,
а также n и ncp, приведенными в таблице. Ослабление нейтрального слоя прорезями
обеспечивает в условиях изгиба непрерывный характер АЭ при ее возобновлении после
разгрузки даже у таких однородных керамических материалов, как оптические.
** Наличие в керамике равномерно распределенных перенапряженных зерен кварца обес
печивает непрерывность АЭ при ее возобновлении после частичной разгрузки даже при
отсутствии прорезей, уменьшающих ширину нейтрального слоя.
ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 4 145
Т. С. Никольская
заданного значения, например 3 с. Нагрузка Ьтах, достигнутая при таком
режиме, тесно связана с Ьр при последующем нагружении: Ьр = 1,12...
..Л,20Ьтах. Случайная погрешность прогнозирования Ьр по Ьтах не превы
шает 5%. Экспериментально установлено, что деградация прочности в ре
зультате контрольного нагружения (рис. 3) не превышает 3%. Эти показа
тели в 1,5 раза меньше (лучше), чем полученные способами, созданными
ранее [7].
Ц_____________ Й
шах
Время I
Рис. 3. Режим нагружения для прогнозирования разрушающей нагрузки.
Автор выражает признательность С. Г. Никольскому за научные кон
сультации и помощь в проведении эксперимента.
Р е з ю м е
На базі лінійної механіки руйнування обгрунтовано неруйнівні експрес-
методи визначення параметрів тривалої і короткочасної міцності виробу.
Дані, що одержано цими методами, зіставляються з результатами руйнівних
випробувань і використовуються при дослідженні впливу розмірів виробу і
температури на тривалу міцність.
1. Бормоткин В. О., Никольская Т. С., Никольский С. Г. Способ опре
деления максимальной нагрузки, еще не снижающей прочность изделия
// Сб. докл. II Междунар. конф. “Научно-технические проблемы прогно
зирования надежности и долговечности . . .”. - СПб.: СПбГТУ, 1997. -
С. 88 - 89.
2. М еханика разрушения и прочность материалов: Справочное пособие: В
4 т . / Под общ. ред. В. В. Панасюка. - Т. 1. Основы механики разру
шения. - Киев: Наук. думка, 1988. - 488 с.
3. E vanceA . G. and Langton T. G. Structure Ceramics. - New York: Pergamon
Press, 1976. - 326 p.
4. Никольский С. Г., Бормоткин В. О. О роли разгрузки в развитии трещин
// Сб. докл. II Междунар. конф. “Научно-технические проблемы прогно
зирования надежности и долговечности ...”. - СПб.: Санкт-Петербург.
гос. техн. ун-т, 1997. - С. 86 - 88.
5. Никольский С. Г. Акустическая эмиссия и прочность керамического
изделия // Петербург. журн. электроники. - 1997. - № 1. - С. 47 - 53.
146 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 4
Особенности акустической эмиссии
6. Никольская Т. С. Акустическая эмиссия электроизоляционной и токо
проводящей керамики: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - СПб., 1993.
- 16 с.
7. Никольский С. Г., Степанянц Т. С. Акустико-эмиссионный контроль
прочности керамических изделий // Пробл. прочности. - 1994. - № 2. -
С. 83 - 88.
Поступила 30. 05. 2000
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 4 147
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46880 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:22:43Z |
| publishDate | 2002 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Никольская, Т.С. 2013-07-07T17:23:14Z 2013-07-07T17:23:14Z 2002 Особенности акустической эмиссии при частичной разгрузке
 керамического изделия / Т.С. Никольская // Проблемы прочности. — 2002. — № 4. — С. 140-147. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46880 537.533.8:621.318.124 На базе линейной механики разрушения обоснованы неразрушающие экспресс-методы определения
 параметров длительной и кратковременной прочности изделия. Данные, полученные
 этими методами, сопоставляются с результатами разрушающих испытаний и используются
 при исследовании влияния размеров изделия и температуры на длительную прочность. На базі лінійної механіки руйнування обгрунтовано неруйнівні експрес-
 методи визначення параметрів тривалої і короткочасної міцності виробу.
 Дані, що одержано цими методами, зіставляються з результатами руйнівних
 випробувань і використовуються при дослідженні впливу розмірів виробу і
 температури на тривалу міцність. On the basis of the linear fracture mechanics
 we substantiate nondestructive accelerated
 methods for determining parameters of longand
 short-term strength of a product. We compare
 numerical data obtained by these methods
 with the results of destructive tests and use the
 former for studying the influence of the product
 size and temperature on long-term strength. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Производственный раздел Особенности акустической эмиссии при частичной разгрузке керамического изделия Peculiarities of Acoustic Emission in a Ceramic Product under Partial Unloading Article published earlier |
| spellingShingle | Особенности акустической эмиссии при частичной разгрузке керамического изделия Никольская, Т.С. Производственный раздел |
| title | Особенности акустической эмиссии при частичной разгрузке керамического изделия |
| title_alt | Peculiarities of Acoustic Emission in a Ceramic Product under Partial Unloading |
| title_full | Особенности акустической эмиссии при частичной разгрузке керамического изделия |
| title_fullStr | Особенности акустической эмиссии при частичной разгрузке керамического изделия |
| title_full_unstemmed | Особенности акустической эмиссии при частичной разгрузке керамического изделия |
| title_short | Особенности акустической эмиссии при частичной разгрузке керамического изделия |
| title_sort | особенности акустической эмиссии при частичной разгрузке керамического изделия |
| topic | Производственный раздел |
| topic_facet | Производственный раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46880 |
| work_keys_str_mv | AT nikolʹskaâts osobennostiakustičeskoiémissiipričastičnoirazgruzkekeramičeskogoizdeliâ AT nikolʹskaâts peculiaritiesofacousticemissioninaceramicproductunderpartialunloading |