RU2167421C2 - Method determining safety assurance factor of loaded material - Google Patents

Method determining safety assurance factor of loaded material Download PDF

Info

Publication number
RU2167421C2
RU2167421C2 RU98118808/28A RU98118808A RU2167421C2 RU 2167421 C2 RU2167421 C2 RU 2167421C2 RU 98118808/28 A RU98118808/28 A RU 98118808/28A RU 98118808 A RU98118808 A RU 98118808A RU 2167421 C2 RU2167421 C2 RU 2167421C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
determination
materials
loaded
safety assurance
tested
Prior art date
Application number
RU98118808/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU98118808A (en
Inventor
В.А. Петров
Original Assignee
Петров Валентин Алексеевич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Петров Валентин Алексеевич filed Critical Петров Валентин Алексеевич
Priority to RU98118808/28A priority Critical patent/RU2167421C2/en
Publication of RU98118808A publication Critical patent/RU98118808A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2167421C2 publication Critical patent/RU2167421C2/en

Links

Landscapes

  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

FIELD: analysis of materials by way of determination of their physical properties. SUBSTANCE: invention can find use for determination of excess of breaking stress above level of active mechanical stresses, for detection of flaws-stress concentrators in materials. Expansion f range of tested materials, reduced labor input and increased accuracy of determination of safety assurance factor of loaded material are achieved thanks to recording of pulses of acoustic emission in tested material and to measurement of their quantitative characteristics. Tested material is loaded by two loads P1 and P2, rates N1 and N2 of counting of acoustic emission are measured under these loads and safety assurance factor S1 under load P1 is found from relation S1= (P2-P1)lgA/P1 lg(N2/N1), lgA=(Uo/2.3 RT)-13, where Uo is initial energy of activation of breakage; T is absolute temperature of tested material; R is universal gas constant. EFFECT: expanded range of tested materials, reduced labor input and increased accuracy of determination of safety assurance factor.

Description

Изобретение относится к области анализа материалов путем определения их физических свойств, точнее к диагностике напряженного состояния нагруженных материалов, в частности к определению превышения разрушающего напряжения (предела прочности) над уровнем действующих механических напряжений, и может найти применение для выявления в материале дефектов - концентраторов напряжения, для оценки долговечности и остаточного ресурса трубопроводов, сосудов давления, деталей машин и механизмов и т.д. The invention relates to the field of analysis of materials by determining their physical properties, more specifically to diagnosing the stress state of loaded materials, in particular to determining the excess of breaking stress (tensile strength) over the level of existing mechanical stresses, and can be used to detect defects - stress concentrators, to assess the durability and residual life of pipelines, pressure vessels, machine parts and mechanisms, etc.

Запасом прочности S нагруженного материала принято, называть величину превышения пределом прочности материала σ* уровня напряжения σ , действующего в материале вследствие приложения нагрузки P, то есть
S = σ*/σ. (1)
Обычно при определении S находят σ как функцию P из расчета [1] или из измерений в нагруженном материале деформаций [2], а σ* измеряют независимо при разрушении лабораторных образцов. Изучение физической природы разрушения приводит к аналитическому выражению
σ*= (Uo-RTlnτo*)/γ (2)
где U0 - начальная энергия активации разрушения материала (константа, не зависящая от его дефектной структуры), Т - абсолютная температура, R - универсальная газовая постоянная, τo = 10-13 с, τ* = 1 с, γ - характеристика, отражающая состояние дефектной структуры материала [3]. При расчете σ* величина в скобках (2) является известной и задача сводится к нахождению значения γ . Соответственно и определение S сводится к нахождению γ , поскольку процедура нахождения σ является стандартной.
The strength margin S of the loaded material is customarily called the excess of the tensile strength of the material σ * by the stress level σ acting in the material due to the application of the load P, i.e.
S = σ * / σ. (1)
Usually, when determining S, they find σ as a function of P from the calculation [1] or from measurements in the loaded strain material [2], and σ * is measured independently when the laboratory samples are destroyed. The study of the physical nature of destruction leads to an analytical expression
σ * = (U o -RTlnτ o / τ * ) / γ (2)
where U 0 is the initial activation energy of the destruction of the material (a constant independent of its defective structure), T is the absolute temperature, R is the universal gas constant, τ o = 10 -13 s, τ * = 1 s, γ is the characteristic reflecting the state of the defective structure of the material [3]. In calculating σ *, the value in brackets (2) is known and the problem is reduced to finding the value of γ. Correspondingly, the definition of S reduces to finding γ, since the procedure for finding σ is standard.

Известен способ [4], в котором материал нагружают постоянным напряжением σ , измеряют времена τi прихода дискретных сигналов акустической эмиссии (АЭ) и рассчитывают величину
γi= (Uo-RTlnτio)/σ.
В этом способе значение γ в выражении для предела прочности (2) предлагают находить путем экстраполяции, алгоритм которой однако не обоснован.
The known method [4], in which the material is loaded with a constant voltage σ, the times τ i of arrival of discrete signals of acoustic emission (AE) are measured and the value is calculated
γ i = (U o -RTlnτ i / τ o ) / σ.
In this method, the value of γ in the expression for the ultimate strength (2) is proposed to be found by extrapolation, the algorithm of which, however, is not justified.

За прототип взят способ определения адгезии полимера к металлу [5], позволяющий на основе формулы (2) определить предел прочности и тем самым запас прочности материала, нагруженного напряжением σ, включающий воздействие на материал напряжения, равномерно увеличивающегося со временем t, измерение зависимости числа сигналов АЭ N(t) и определение значения γ из наклона графика ln N - t. Способ-прототип содержит алгоритм определения значения γ, но ограничен по материалу (композит полимер-металл). При перенесении способа-прототипа на стали и другие металлические материалы возникает опасность разрушения объекта при испытаний. Кроме того, использование способа-прототипа требует нагружения с постоянной скоростью роста напряжений. Однако реализовать такой режим нагружения промышленной конструкции трудоемко или практически невозможно. The prototype is a method for determining the adhesion of a polymer to a metal [5], which allows, on the basis of formula (2), to determine the tensile strength and thereby the margin of safety of a material loaded with voltage σ, including the effect on the material of a voltage that increases uniformly with time t, measuring the dependence of the number of signals AE N (t) and determination of the value of γ from the slope of the graph ln N - t. The prototype method contains an algorithm for determining the value of γ, but is limited by material (composite polymer-metal). When transferring the prototype method to steel and other metallic materials, there is a danger of destruction of the object during testing. In addition, the use of the prototype method requires loading with a constant growth rate of stress. However, it is time-consuming or practically impossible to implement such a loading regime of an industrial structure.

Общим недостатком существующих подходов к определению запаса прочности (1) является раздельное определение напряжения σ и предела прочности σ*. При этом может быть пропущен локализованный дефект-концентратор напряжения, ответственный за реальную прочность конструкции, поскольку процедура определения S при расчете не предполагает наличия такого дефекта: при измерении осуществляется усреднение напряжений по значительной длине (порядка 1 см), а предел прочности измеряется на бездефектных образцах. Указанные обстоятельства снижают точность определения S.A common drawback of existing approaches to determining the safety factor (1) is the separate determination of stress σ and ultimate strength σ * . In this case, a localized defect-stress concentrator, responsible for the real strength of the structure, may be skipped, since the S determination procedure does not imply the presence of such a defect in the calculation: the measurements are averaged over a considerable length (of the order of 1 cm), and the tensile strength is measured on defect-free samples . These circumstances reduce the accuracy of determination of S.

Задачами изобретения являются расширение круга исследуемых материалов, снижение трудоемкости и повышение точности определения запаса прочности нагруженного материала. The objectives of the invention are to expand the range of the investigated materials, reducing the complexity and improving the accuracy of determining the margin of safety of the loaded material.

Это достигается тем, что в известном способе определения запаса прочности нагруженного материала, по которому в исследуемом нагруженном материале регистрируют импульсы акустической эмиссии и измеряют их количественные характеристики, согласно формуле изобретения материал нагружают двумя нагрузками P1 и P2, измеряют скорость счета АЭ N1 и N2 при этих нагрузках и запас прочности при нагрузке P1 определяют из соотношения
S1 = (P2 - P1)lgA/P1lg(N2/N1),
lgA = (Uо/2,3 RT) - 13,
где Uо - начальная энергия активации разрушения, Т - абсолютная температура исследуемого нагруженного материала, R - универсальная газовая постоянная.
This is achieved by the fact that in the known method for determining the margin of safety of a loaded material, according to which acoustic emission pulses are recorded in the studied loaded material and their quantitative characteristics are measured, according to the claims, the material is loaded with two loads P 1 and P 2 , the count rate of AE N 1 is measured and N 2 at these loads and the safety factor at load P 1 is determined from the ratio
S 1 = (P 2 - P 1 ) log A / P 1 log (N 2 / N 1 ),
logA = (U o / 2.3 RT) - 13,
where U о is the initial activation energy of fracture, T is the absolute temperature of the studied loaded material, R is the universal gas constant.

Сущность способа. The essence of the method.

В кинетической теории прогнозирования разрушения [6] показано, что разрушение обусловлено накоплением критической концентрации начальных стабильных делокализованных трещин C*, так что время τ до разрушения при постоянном напряжении σ есть
τ =C*/C, (3)
где С - скорость накопления трещин, и имеет вид формулы Журкова
τ = τoexp[(Uo-γσ)/RT] (4)
С учетом выражений для запаса прочности (1) и предела прочности (2) формула (4) преобразуется к виду
τ = τ*A(s-1)/s, A = (τo*)exp(Uo/RT). (5)
При регистрации дискретной АЭ, соответствующей генерации начальных трещин (начиная от микроскопического размера), величина C пропорциональна скорости счета АЭ N, так что выражения (3) - (5) возможно переписать в виде
N=N*/ τ* A(S-1)/S, (6)
где N* - аналог величины C*. При двух значениях напряжения, приводящих к запасам прочности S1 и S2, отношение соответствующих двух скоростей счета составит
N2/N1=A1/S2-1/S1 (7)
С учетом определения запаса прочности (1)
1/S2-1/S1= (σ21)/σ1S1. (8)
Наконец, поскольку напряжение σ пропорционально нагрузке P, из (7) и (8) окончательно находим
S1 = (P2 - P1)lgA/P1 (N2/N1) (9)
Автору впервые удалось установить количественную универсальную связь между запасом прочности реального (содержащего дефекты) нагруженного материала и скоростью генерации в нем дискретных импульсов АЭ, соответствующих подготовке материала к разрушению на стадии накопления рассеянных повреждений (делокализованных начальных трещин).
The kinetic theory of fracture prediction [6] shows that fracture is caused by the accumulation of a critical concentration of initial stable delocalized cracks C * , so that the time τ to fracture at a constant stress σ is
τ = C * / C, (3)
where C is the rate of accumulation of cracks, and has the form of the Zhurkov formula
τ = τ o exp [(U o -γσ) / RT] (4)
Given the expressions for the safety factor (1) and ultimate strength (2), formula (4) is transformed to
τ = τ * A (s-1) / s , A = (τ o / τ * ) exp (U o / RT). (5)
When registering a discrete AE corresponding to the generation of initial cracks (starting from the microscopic size), the value of C is proportional to the count rate of the AE N, so that expressions (3) - (5) can be rewritten in the form
N = N * / τ * A (S-1) / S , (6)
where N * is an analogue of the value of C * . With two voltage values leading to safety factors S 1 and S 2 , the ratio of the corresponding two counting rates will be
N 2 / N 1 = A 1 / S2-1 / S1 (7)
Given the definition of safety margin (1)
1 / S 2 -1 / S 1 = (σ 21 ) / σ 1 S 1 . (8)
Finally, since the stress σ is proportional to the load P, we finally find from (7) and (8)
S 1 = (P 2 - P 1 ) logA / P 1 (N 2 / N 1 ) (9)
For the first time, the author was able to establish a quantitative universal relationship between the margin of safety of a real (containing defects) loaded material and the rate of generation of discrete AE pulses in it, corresponding to the preparation of the material for failure at the stage of accumulation of diffuse damage (delocalized initial cracks).

В отличие от прототипа предлагаемый способ справедлив для любых материалов (в которых возможна регистрация трещинообразования методом АЭ) менее трудоемок (так как установление двух фиксированных постоянных значений нагрузки проще, чем нагружение с постоянной скоростью роста напряжений), более точен (поскольку не содержит процедуры перехода от нагрузки к напряжению и не требует раздельного определения действующего напряжения и предела прочности). Реализация предлагаемого способа не требует пересчета нагрузки на напряжение. Unlike the prototype, the proposed method is valid for any materials (in which it is possible to register crack formation by the AE method) is less time consuming (since setting two fixed constant load values is simpler than loading with a constant voltage growth rate), it is more accurate (since it does not contain the transition from load to voltage and does not require separate determination of the effective voltage and tensile strength). The implementation of the proposed method does not require conversion of the load on the voltage.

Способ осуществляют следующим образом. По литературным данным либо на образцах исследуемого материала определяют величину начальной энергии активации разрушения U0 и рассчитывают величину lgA (5) для данной температуры Т. На объекте задают постоянную нагрузку, регистрируют дискретную акустическую эмиссию и определяют ее скорость счета. Затем то же повторяют для другой нагрузки и по формуле изобретения рассчитывают запас прочности исследуемого материала при первой нагрузке.The method is as follows. According to literature data or on samples of the studied material, the value of the initial fracture activation energy U 0 is determined and lgA (5) is calculated for a given temperature T. A constant load is set at the object, discrete acoustic emission is recorded and its count rate is determined. Then the same is repeated for a different load and according to the claims, the margin of safety of the test material at the first load is calculated.

Пример реализации способа. An example implementation of the method.

Определялся запас прочности образца цинка в условиях одноосного растяжения при температуре 90oC. Согласно литературным данным [6], для цинка Uо = 130 кДж/моль, то есть при температуре исследования lgA = 5,84. В нагруженном образце регистрировалась АЭ и измерялась скорость ее счета, которая при нагрузке P1 = 3000 H оказалась равной lgN1 = 2,75, а при нагрузке P2 = 6000 H lgN2 = 4,5. Согласно формуле изобретения при этих данных для нагрузки P1 запас прочности равен S1 = 3,33. Для проверки этого расчета образец был разрушен и разрушающая нагрузка оказалась равной P* = 9000 H, то есть нагрузке P1 = 3000 H соответствовал запас прочности, равный 3. Таким образом, определение запаса прочности по предлагаемому способу находится в удовлетворительном согласии с оценкой запаса прочности в независимом опыте.The margin of safety of the zinc sample was determined under uniaxial tension at a temperature of 90 o C. According to the literature [6], for zinc U о = 130 kJ / mol, that is, at a research temperature lgA = 5.84. AE was recorded in the loaded sample and its counting rate was measured, which at a load of P 1 = 3000 H was equal to logN 1 = 2.75, and at a load of P 2 = 6000 H, logN 2 = 4.5. According to the claims, with these data for the load P 1, the safety factor is S 1 = 3.33. To verify this calculation, the specimen was destroyed and the breaking load was equal to P * = 9000 H, that is, the load P 1 = 3000 H corresponded to a safety margin of 3. Thus, the determination of the safety margin by the proposed method is in satisfactory agreement with the assessment of the safety margin in independent experience.

Предлагаемый способ может быть использован для исследования различных металлоконструкций, изделий из композиционных материалов, для исследования напряженного состояния массива горных пород в шахтах и т.д. в тех случаях, когда для регистрации процесса трещинообразования в нагруженном материале может быть применен метод АЭ. The proposed method can be used to study various metal structures, products from composite materials, to study the stress state of a rock mass in mines, etc. in those cases when the AE method can be used to register the process of crack formation in a loaded material.

Литература
1. Федосеев В.И. Сопротивление материалов. Высшая школа, 1963.
Literature
1. Fedoseev V.I. Strength of materials. High School, 1963.

2. Сухарев И.П. Экспериментальные методы исследования деформаций и прочности, М.: Машиностроение, 1987, с. 27, 88. 2. Sukharev I.P. Experimental methods for the study of deformations and strength, M .: Engineering, 1987, p. 27, 88.

3. Регель В. P., Слуцкер А. И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974. 3. Regel V. P., Slutsker A. I., Tomashevsky E.E. The kinetic nature of the strength of solids. M .: Nauka, 1974.

4. Донин A. P. Дефектоскопия, 1981, N 9, с. 11-17. 4. Donin A. P. Flaw detection, 1981, N 9, p. 11-17.

5. Авторское свидетельство СССР N 1467458, кл. G 01 N 19/04, БИ N 11,1989. 5. USSR author's certificate N 1467458, cl. G 01 N 19/04, BI N 11.1989.

6. Петров В.А., Башкарев А.Я., Веттегрень В. И. Физические основы прогнозирования долговечности конструкционных материалов, СПб, Политехника, 1993. 6. Petrov V.A., Bashkarev A.Ya., Vettegren V.I. Physical basis for predicting the durability of structural materials, St. Petersburg, Polytechnic, 1993.

Claims (1)

Способ определения запаса прочности нагруженного материала, по которому в исследуемом материале регистрируют импульсы акустической эмиссии и измеряют их количественные характеристики, отличающийся тем, что исследуемый материал нагружают двумя нагрузками Р1 и Р2, измеряют при этих нагрузках скорости счета акустической эмиссии N1 и N2 и запас прочности S1 при нагрузке Р1 определяют из соотношения
S1 = (Р2 - Р1)lgA/P1lg (N2/N1),
lgA = (Uo/2,3RT)-13,
где Uo - начальная энергия активации разрушения;
Т - абсолютная температура исследуемого материала;
R - универсальная газовая постоянная.
A method for determining the margin of safety of a loaded material, according to which acoustic emission pulses are recorded in the test material and measuring their quantitative characteristics, characterized in that the test material is loaded with two loads P1 and P2, the acoustic emission count rates N1 and N2 and the margin of safety S1 are measured at these loads at load P1 is determined from the ratio
S1 = (P2 - P1) logA / P1 log (N2 / N1),
logA = (Uo / 2,3RT) -13,
where Uo is the initial activation energy of destruction;
T is the absolute temperature of the test material;
R is the universal gas constant.
RU98118808/28A 1998-06-09 1998-06-09 Method determining safety assurance factor of loaded material RU2167421C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98118808/28A RU2167421C2 (en) 1998-06-09 1998-06-09 Method determining safety assurance factor of loaded material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98118808/28A RU2167421C2 (en) 1998-06-09 1998-06-09 Method determining safety assurance factor of loaded material

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU98118808A RU98118808A (en) 2000-03-10
RU2167421C2 true RU2167421C2 (en) 2001-05-20

Family

ID=20211331

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU98118808/28A RU2167421C2 (en) 1998-06-09 1998-06-09 Method determining safety assurance factor of loaded material

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2167421C2 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ohtsu et al. Acoustic emission techniques standardized for concrete structures
Chrisp et al. Development of a non-destructive test to quantify damage in deteriorated concrete
RU2582911C1 (en) Method of testing pipe steels for stress corrosion cracking
CN101126799A (en) Method for monitoring fatigue damage using ferromagnetic materials surface stray magnetic field signal
JP3300810B2 (en) Non-destructive method for measuring the aging of the strength of ferromagnetic structural materials
Sarzosa et al. Relationship between J and CTOD in SE (T) and SE (B) specimens for stationary and growing cracks
RU2167421C2 (en) Method determining safety assurance factor of loaded material
JP3372437B2 (en) Creep life evaluation method for high temperature equipment materials
RU2210766C1 (en) Procedure to conduct acoustic emission test with use of single-channel equipment
JP2008051513A (en) Evaluation method of stress corrosion crack developing speed
Jeong et al. Development of an apparatus for chloride induced stress corrosion cracking test using immersion method with constant displacement condition
RU2141648C1 (en) Process evaluating safety margin of loaded material
Clark et al. Environment-Assisted Cracking and Corrosion Fatigue of Aircraft Aluminum Alloys in Corrosive Atmospheres
Clark Some problems in the application of fracture mechanics
RU2750683C1 (en) Method for determining mechanical characteristics of high-energy materials
RU2204817C1 (en) Procedure establishing technical state of materials of structural members
Komar et al. Pressure-Tension Testing in the Evaluation of Freeze-Thaw Deterioration
RU2803019C1 (en) Method of ultrasonic damage control of materials under various types of mechanical destruction
RU2706106C1 (en) Method of determining service life of steel articles
Forth et al. Generating fatigue crack growth thresholds with constant amplitude loads
JPH0635971B2 (en) Method for predicting remaining life of metallic materials
RU2818658C1 (en) Method for assessing fire resistance of a reinforced concrete column with a high percentage of reinforcement
SU1441249A1 (en) Method of testing crack resistance of material
RU2449266C1 (en) Method of estimating load resistance of articles
RU2382351C2 (en) Method of evaluation of loss of plasticity by change of microhardness of constructional steel

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20030610