RU2603939C1 - Method for determining crack growth rate in the sample and device for its implementation - Google Patents

Method for determining crack growth rate in the sample and device for its implementation Download PDF

Info

Publication number
RU2603939C1
RU2603939C1 RU2015129783/28A RU2015129783A RU2603939C1 RU 2603939 C1 RU2603939 C1 RU 2603939C1 RU 2015129783/28 A RU2015129783/28 A RU 2015129783/28A RU 2015129783 A RU2015129783 A RU 2015129783A RU 2603939 C1 RU2603939 C1 RU 2603939C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
peltier element
sample
microcontroller
peltier
growth rate
Prior art date
Application number
RU2015129783/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Николаевич Вшивков
Александр Евгеньевич Прохоров
Олег Анатольевич Плехов
Бэр Юрген
Бацаль Жан-Кристоф
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук
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 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук
Priority to RU2015129783/28A priority Critical patent/RU2603939C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2603939C1 publication Critical patent/RU2603939C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/32—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying repeated or pulsating forces

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and can be used during the destruction processes research of materials with formation of cracks. Essence: initial length is measured. In the test processes heat flux power is measured from the test sample, and crack growth rate is determined by formula. Device includes a sensor in contact with the sample, and information processing device from the sensor, including direct voltage source, an amplifier, a microcontroller, a personal computer. Sensor includes two Peltier elements, made in the form of the flat plates. First Peltier element is in contact with the sample by one side of the plate, and with the second Peltier element by the other side. Device additionally comprises a radiator in contact with the second side of the second Peltier element, and two thermocouples, one of which is located between the Peltier elements, and the second is located in the place of constant temperature. Information processing device additionally comprises a field-effect transistor and a bypass resistor, wherein the amplifier is connected to the first Peltier element, with two thermocouples, shunting resistor, installed between joints of the amplifier with first Peltier element, and the second thermocouple and microcontroller. Field-effect transistor is installed in the microcontroller connection circuit with the second Peltier element and a DC voltage source. Microcontroller is made with a possibility of pulse-width modulation of power supply voltage and is connected to a personal computer.
EFFECT: increase of measurement accuracy, simplified design, expanded operating performances.
2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при исследовании процессов разрушения материалов с образованием трещин.The invention relates to the field of measuring equipment and can be used to study the processes of destruction of materials with the formation of cracks.

Наиболее близким известным техническим решением к предлагаемому способу является способ определения скорости роста трещины в образце материала с концентратором напряжения при воздействии на него циклической нагрузкой (см. патент RU 2200943, опубл. 20.03.2003).The closest known technical solution to the proposed method is a method for determining the growth rate of cracks in a sample of a material with a stress concentrator when exposed to a cyclic load (see patent RU 2200943, publ. March 20, 2003).

Недостатком его является высокая погрешность измерений, большая трудоемкость испытаний.Its disadvantage is the high measurement error, the high complexity of the tests.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности и достоверности результатов измерения, снижение трудоемкости испытаний.The task of the invention is to increase the accuracy and reliability of the measurement results, reducing the complexity of the tests.

Для этого предлагается способ определения скорости роста трещины в образце материала с концентратором напряжения при воздействии на него циклической нагрузкой, заключающийся в том, что сначала замеряют начальную длину трещины, в процессе испытаний замеряют мощность теплового потока от образца, а затем скорость роста трещины определяют по формуле:To this end, a method is proposed for determining the crack growth rate in a sample of a material with a stress concentrator when subjected to a cyclic load, which consists in first measuring the initial crack length, during the test, measuring the heat flux from the sample, and then determining the crack growth rate using the formula :

Figure 00000001
Figure 00000001

гдеWhere

n - номер шага вычисления;n is the calculation step number;

tn - время на n-м шаге (сек);t n is the time at the nth step (sec);

К1 - коэффициент пропорциональности (1/Дж);To 1 - the coefficient of proportionality (1 / J);

Ρn - мощность теплового потока от образца в момент времени tn (Вт);Ρ n is the heat flux power from the sample at time t n (W);

ln - длина трещины на n-м шаге вычисления (м), определяемая по формулеl n - crack length at the n-th step of the calculation (m), determined by the formula

Figure 00000002
, n=1…N
Figure 00000002
, n = 1 ... N

Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что сначала замеряют начальную длину трещины, в процессе испытаний замеряют мощность теплового потока от образца, а затем скорость роста трещины определяют по формуле:A distinctive feature of the proposed method is that first, measure the initial crack length, during the tests measure the heat flux from the sample, and then the crack growth rate is determined by the formula:

Figure 00000003
Figure 00000003

гдеWhere

n - номер шага вычисления;n is the calculation step number;

tn - время на n-м шаге (сек);t n is the time at the nth step (sec);

К1 - коэффициент пропорциональности (1/Дж);To 1 - the coefficient of proportionality (1 / J);

Ρn - мощность теплового потока от образца в момент времени tn (Вт);Ρ n is the heat flux power from the sample at time t n (W);

ln - длина трещины на n-м шаге вычисления (м), определяемая по формулеl n - crack length at the n-th step of the calculation (m), determined by the formula

Figure 00000004
, n=1…Ν
Figure 00000004
, n = 1 ... Ν

Наиболее близким к предлагаемому устройству для определения скорости роста трещины в образце материала с использованием предлагаемого способа является устройство, включающее датчик, контактирующий с образцом, и устройство обработки информации с датчика, включающее источник постоянного напряжения, усилитель, микроконтроллер, персональный компьютер (см. патент RU 2315962, опубл. 27.01.2008).Closest to the proposed device for determining the growth rate of cracks in a sample of material using the proposed method is a device including a sensor in contact with the sample, and a device for processing information from the sensor, including a constant voltage source, amplifier, microcontroller, personal computer (see RU patent 2315962, published January 27, 2008).

Недостатком его является сложность устройства и невысокая точность результатов, ограниченные возможности.Its disadvantage is the complexity of the device and the low accuracy of the results, limited capabilities.

Технической задачей предлагаемого устройства является повышение точности измерения, упрощение конструкции, расширение функциональных возможностейThe technical task of the proposed device is to increase the measurement accuracy, simplify the design, expand the functionality

Для этого устройство включает датчик, контактирующий с образцом, и устройство обработки информации с датчика, включающее источник постоянного напряжения, усилитель, микроконтроллер, персональный компьютер, при этом датчик содержит два элемента Пельтье, выполненных в виде в плоских пластин, причем первый элемент Пельтье контактирует одной стороной пластины с образцом, а другой стороной со вторым элементом Пельтье, кроме того, устройство содержит радиатор, контактирующий со второй стороной второго элемента Пельтье, а также две термопары, одна из которых расположена между элементами Пельтье, а вторая расположена в месте постоянной температуры, а устройство обработки информации дополнительно содержит полевой транзистор и шунтирующий резистор, причем усилитель связан с первым элементом Пельтье, с двумя термопарами, шунтирующим резистором, установленным между соединениями усилителя с первым элементом Пельтье и второй термопарой и с микроконтроллером, а полевой транзистор установлен в цепи соединения микроконтроллера со вторым элементом Пельтье и источником постоянного напряжения, причем микроконтроллер выполнен с возможностью широтно-импульсной модуляции напряжения источника питания в соответствии с формулой:For this, the device includes a sensor in contact with the sample, and a device for processing information from the sensor, including a constant voltage source, amplifier, microcontroller, personal computer, while the sensor contains two Peltier elements made in the form of flat plates, and the first Peltier element contacts one the side of the plate with the sample, and the other side with the second Peltier element, in addition, the device contains a radiator in contact with the second side of the second Peltier element, as well as two thermocouples, one of which is located between the Peltier elements, and the second is located at a constant temperature, and the information processing device additionally contains a field effect transistor and a shunt resistor, the amplifier connected to the first Peltier element, with two thermocouples, a shunt resistor installed between the amplifier connections with the first element Peltier and a second thermocouple and with a microcontroller, and the field effect transistor is installed in the connection circuit of the microcontroller with the second Peltier element and a constant voltage, wherein the microcontroller is configured to pulse width modulate the power source voltage in accordance with the formula:

Figure 00000005
Figure 00000005

гдеWhere

Uпит - напряжение питания второго (охлаждающего) элемента Пельтье (В),U pit - voltage of the second (cooling) Peltier element (V),

U2 - напряжение с термопары измерительного модуля (В),U 2 - voltage from the thermocouple of the measuring module (V),

U1 - напряжение с термопары датчика (В),U 1 - voltage with thermocouple sensor (V),

V - напряжение источника питания (В),V is the voltage of the power source (V),

К2 - температурный коэффициент элемента Пельтье(1/°С),K 2 - temperature coefficient of the Peltier element (1 / ° C),

α - коэффициент термоэдс термопары (°С/В),α - thermocouple coefficient of thermocouple (° С / В),

при этом микроконтроллер соединен с персональным компьютером и выполнен с возможностью определения скорости роста трещины по формуле:while the microcontroller is connected to a personal computer and is configured to determine the crack growth rate by the formula:

Figure 00000006
Figure 00000006

гдеWhere

υn - скорость роста усталостной трещины (м/с);υ n is the growth rate of the fatigue crack (m / s);

К1 - коэффициент пропорциональности (1/Дж);To 1 - the coefficient of proportionality (1 / J);

ln - длина трещины на n-м шаге вычисления (м).l n - crack length at the n-th step of the calculation (m).

Figure 00000007
Figure 00000007

гдеWhere

Π - удельный коэффициент Пельтье (Вт/(А·м2));Π - specific Peltier coefficient (W / (A · m 2 ));

Un - разность потенциалов на шунтирующем резисторе (В);U n is the potential difference on the shunt resistor (V);

R - сопротивление резистора (Ом);R is the resistance of the resistor (Ohm);

S - площадь элемента Пельтье (м2).S is the area of the Peltier element (m 2 ).

Отличительной особенностью предлагаемого устройства является то, что датчик содержит два элемента Пельтье, выполненных в виде плоских пластин, причем первый элемент Пельтье контактирует одной стороной пластины с образцом, а другой стороной со вторым элементом Пельтье, кроме того, устройство содержит радиатор, контактирующий со второй стороной второго элемента Пельтье, а также две термопары, одна из которых расположена между элементами Пельтье, а вторая расположена в месте постоянной температуры, а устройство обработки информации дополнительно содержит полевой транзистор и шунтирующий резистор, причем усилитель связан с первым элементом Пельтье, с двумя термопарами, шунтирующим резистором, установленным между соединениями усилителя с первым элементом Пельтье и второй термопарой, и с микроконтроллером, а полевой транзистор установлен в цепи соединения микроконтроллера со вторым элементом Пельтье и источником постоянного напряжения, причем микроконтроллер выполнен с возможностью широтно-импульсной модуляции напряжения источника питания в соответствии с формулой:A distinctive feature of the proposed device is that the sensor contains two Peltier elements made in the form of flat plates, with the first Peltier element in contact with one side of the plate with the sample and the other side with the second Peltier element, in addition, the device contains a radiator in contact with the second side the second Peltier element, as well as two thermocouples, one of which is located between the Peltier elements, and the second is located at a constant temperature, and the information processing device in fact, it contains a field-effect transistor and a shunt resistor, the amplifier connected to the first Peltier element, two thermocouples, a shunt resistor installed between the amplifier connections to the first Peltier element and the second thermocouple, and the microcontroller, and the field effect transistor is installed in the circuit of the microcontroller to the second element Peltier and a constant voltage source, and the microcontroller is configured for pulse-width modulation of the voltage of the power source in accordance with the formula:

Figure 00000008
Figure 00000008

гдеWhere

Uпит - напряжение питания второго (охлаждающего) элемента Пельтье (В),U pit - voltage of the second (cooling) Peltier element (V),

U2 - напряжение с термопары измерительного модуля (В),U 2 - voltage from the thermocouple of the measuring module (V),

U1 - напряжение с термопары датчика (В),U 1 - voltage with thermocouple sensor (V),

V - напряжение источника питания (В),V is the voltage of the power source (V),

К2 - температурный коэффициент элемента Пельтье (1/°С),K 2 - temperature coefficient of the Peltier element (1 / ° C),

α - коэффициент термоэдс термопары (°С/В),α - thermocouple coefficient of thermocouple (° С / В),

при этом микроконтроллер соединен с персональным компьютером и выполнен с возможностью определения скорости роста трещины по формуле:while the microcontroller is connected to a personal computer and is configured to determine the crack growth rate by the formula:

Figure 00000009
Figure 00000009

гдеWhere

υn - скорость роста усталостной трещины (м/с);υ n is the growth rate of the fatigue crack (m / s);

К1 - коэффициент пропорциональности (1/Дж);To 1 - the coefficient of proportionality (1 / J);

ln - длина трещины на n-м шаге вычисления (м).l n - crack length at the n-th step of the calculation (m).

Figure 00000010
Figure 00000010

гдеWhere

Π - удельный коэффициент Пельтье (Вт/(А·м2));Π - specific Peltier coefficient (W / (A · m 2 ));

Un - разность потенциалов на шунтирующем резисторе (В);U n is the potential difference on the shunt resistor (V);

R - сопротивление резистора (Ом);R is the resistance of the resistor (Ohm);

S - площадь элемента Пельтье (м2).S is the area of the Peltier element (m 2 ).

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема устройства для определения скорости роста трещины в образце, на фиг. 2 изображен калибровочный график для определения коэффициента К2, на фиг. 3 калибровочный график для определения коэффициента К1 и на фиг. 4 изображена зависимость скорости роста трещины от времени.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a diagram of a device for determining the crack growth rate in a specimen; FIG. 2 shows a calibration graph for determining the coefficient K 2 ; FIG. 3 is a calibration graph for determining the coefficient K 1, and in FIG. 4 shows the dependence of the crack growth rate on time.

Устройство включает датчик, контактирующий с образцом 1, и устройство обработки информации с датчика, включающее источник постоянного напряжения 2, усилитель 3, микроконтроллер 4, персональный компьютер 5.The device includes a sensor in contact with sample 1, and a device for processing information from the sensor, including a constant voltage source 2, amplifier 3, microcontroller 4, personal computer 5.

Датчик содержит два элемента Пельтье, выполненных в виде плоских пластин, причем первый элемент Пельтье 6 контактирует одной стороной 7 пластины с образцом 1, а другой стороной 8 со вторым элементом Пельтье 9.The sensor contains two Peltier elements made in the form of flat plates, and the first Peltier element 6 contacts one side 7 of the plate with sample 1, and the other side 8 with the second Peltier element 9.

Использование в устройстве второго элемента Пельтье позволяет стабилизировать температуру на поверхности первого элемента Пельтье, исключив тем самым влияние колебаний температуры окружающей среды на измерение теплового потока.The use of the second Peltier element in the device makes it possible to stabilize the temperature on the surface of the first Peltier element, thereby eliminating the influence of ambient temperature fluctuations on the measurement of heat flux.

Устройство содержит радиатор 10 контактирующий со второй стороной 11 второго элемента Пельтье 9, а также две термопары 12, 13, одна из которых 12 расположена между элементами Пельтье 6, 9, а вторая 13 расположена в месте постоянной температуры на значительном удалении от измеряемого объекта.The device contains a radiator 10 in contact with the second side 11 of the second Peltier element 9, as well as two thermocouples 12, 13, one of which 12 is located between the Peltier elements 6, 9, and the second 13 is located at a constant temperature at a considerable distance from the measured object.

Установка второй термопары и предлагаемое его соединение позволяют установить необходимое напряжение питания второго элемента Пельтье для стабилизации температуры.Installation of the second thermocouple and its proposed connection allow you to set the required supply voltage of the second Peltier element to stabilize the temperature.

Устройство обработки информации дополнительно содержит полевой транзистор 14 и шунтирующий резистор 15.The information processing device further comprises a field effect transistor 14 and a shunt resistor 15.

Усилитель 3 связан с первым элементом Пельтье 6, с двумя термопарами 12, 13, шунтирующим резистором 15, установленным между соединениями усилителя 3 с первым элементом Пельтье 6 и с микроконтроллером 4, а полевой транзистор 14 установлен в цепи соединения микроконтроллера 4 со вторым элементом Пельтье 9 и источником постоянного напряжения 2.The amplifier 3 is connected to the first Peltier element 6, with two thermocouples 12, 13, a shunt resistor 15 installed between the connections of the amplifier 3 with the first Peltier element 6 and the microcontroller 4, and the field effect transistor 14 is installed in the connection circuit of the microcontroller 4 with the second Peltier element 9 and a constant voltage source 2.

Установка полевого транзистора и предлагаемое его соединение с другими элементами устройства необходимы для реализации на микроконтроллере функции управления источником постоянного напряжения.The installation of a field-effect transistor and its proposed connection with other elements of the device are necessary to implement the control function of a constant voltage source on the microcontroller.

Установка шунтирующего резистора и предлагаемое его соединение с другими элементами устройства необходимы для измерения тока, генерируемого элементом Пельтье 6, и определения значения теплового потока.The installation of a shunt resistor and its proposed connection with other elements of the device are necessary for measuring the current generated by the Peltier element 6 and determining the value of the heat flux.

Микроконтроллер 4 выполнен с возможностью широтно-импульсной модуляции напряжения источника питания 2 в соответствии с формулой:The microcontroller 4 is configured to pulse width modulate the voltage of the power source 2 in accordance with the formula:

Figure 00000011
Figure 00000011

гдеWhere

Uпит - напряжение питания второго (охлаждающего) элемента Пельтье (В),U pit - voltage of the second (cooling) Peltier element (V),

U2 - напряжение с термопары измерительного модуля (В),U 2 - voltage from the thermocouple of the measuring module (V),

U1 - напряжение с термопары датчика (В),U 1 - voltage with thermocouple sensor (V),

V - напряжение источника питания (В),V is the voltage of the power source (V),

К2 - температурный коэффициент элемента Пельтье (1/°С),K 2 - temperature coefficient of the Peltier element (1 / ° C),

α - коэффициент термоэдс термопары (°С/В).α is the thermoelectric coefficient of the thermocouple (° C / V).

Использование широтно-импульсной модуляции напряжения источника питания позволяет усилить выходной сигнал микроконтроллера 4.The use of pulse-width modulation of the voltage of the power source allows you to amplify the output signal of the microcontroller 4.

Микроконтроллер 4 соединен с персональным компьютером 5 и выполнен с возможностью определения скорости роста трещины по формуле:The microcontroller 4 is connected to a personal computer 5 and is configured to determine the crack growth rate by the formula:

Figure 00000012
Figure 00000012

гдеWhere

υn - скорость роста усталостной трещины (м/с);υ n is the growth rate of the fatigue crack (m / s);

К1 - коэффициент пропорциональности (1/Дж);To 1 - the coefficient of proportionality (1 / J);

ln - длина трещины на n-м шаге вычисления (м).l n - crack length at the n-th step of the calculation (m).

Figure 00000013
Figure 00000013

гдеWhere

Π - удельный коэффициент Пельтье (Вт/(А·м2));Π - specific Peltier coefficient (W / (A · m 2 ));

Un - разность потенциалов на шунтирующем резисторе (В);U n is the potential difference on the shunt resistor (V);

R - сопротивление резистора (Ом);R is the resistance of the resistor (Ohm);

S - площадь элемента пельтье (м2).S is the area of the Peltier element (m 2 ).

Такое выполнение микроконтроллера позволяет упростить реализацию измерения потока тела и повысить точность и достоверность измерений.This embodiment of the microcontroller allows you to simplify the implementation of the measurement of body flow and increase the accuracy and reliability of the measurements.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

Перед испытанием производят калибровку элементов Пельтье. Калибровка заключается в определении температуры на поверхности элемента Пельтье в зависимости от приложенного напряжения питания и определения коэффициента пропорциональности К2 - температурного коэффициента элемента Пельтье как тангенса угла аппроксимирующей прямой (см. фиг. 2).Before the test, Peltier elements are calibrated. Calibration consists in determining the temperature on the surface of the Peltier element depending on the applied voltage and determining the proportionality coefficient K 2 , the temperature coefficient of the Peltier element, as the tangent of the angle of the approximating straight line (see Fig. 2).

Далее определяют коэффициент материала образца К1.Next, determine the coefficient of sample material K 1 .

Для этого испытываемый образец из заданного материала закрепляют в нагружающей машине.For this, a test sample of a given material is fixed in a loading machine.

Путем дискретного замера длины трещины и мощности теплового потокаBy discrete measurement of crack length and heat flux power

Figure 00000014
Figure 00000014

при различных амплитудах приложенной нагрузки получают для данного материала образца коэффициент К1 как тангенс угла аппроксимирующей прямой (см. фиг. 3)at various amplitudes of the applied load, a coefficient K 1 is obtained for a given sample material as the tangent of the angle of the approximating straight line (see Fig. 3)

Далее производят испытание образца материала в режиме многоцикловой усталости 5×106 и более циклов.Next, they test a sample of material in the regime of multi-cycle fatigue of 5 × 10 6 or more cycles.

Для этого испытываемый образец из заданного материала закрепляют в нагружающей машине. Датчик теплового потока на штативе прижимают к образцу с использованием термопасты. Подается питание на элементы устройства, запускается программа сбора данных на персональном компьютере.For this, a test sample of a given material is fixed in a loading machine. The heat flux sensor on the tripod is pressed against the sample using thermal paste. Power is supplied to the elements of the device, the data collection program on the personal computer is launched.

В измерительной системе фиксируют тепловое равновесие, при котором тепловой поток от образца равен нулю. Нагружают образец в режиме многоцикловой усталости 5×106 и более циклов.In the measuring system, thermal equilibrium is recorded at which the heat flux from the sample is zero. The sample is loaded in the regime of multi-cycle fatigue of 5 × 10 6 or more cycles.

В процессе испытаний скорость роста трещины определяют по формуле:During testing, the crack growth rate is determined by the formula:

Figure 00000015
Figure 00000015

гдеWhere

К1 - коэффициент пропорциональности (1/Дж);To 1 - the coefficient of proportionality (1 / J);

Pn - мощность теплового потока от образца в момент времени tn (Вт), определяемая по формуле:P n - power of the heat flux from the sample at time t n (W), determined by the formula:

Figure 00000016
Figure 00000016

гдеWhere

Π - удельный коэффициент Пельтье (Βт/(Α·м2));Π - specific Peltier coefficient (Βt / (Α · m 2 ));

Un - разность потенциалов на шунтирующем резисторе (В);U n is the potential difference on the shunt resistor (V);

R - сопротивление резистора (Ом);R is the resistance of the resistor (Ohm);

S - площадь элемента Пельтье (м2);S is the area of the Peltier element (m 2 );

ln - длина трещины на n-м шаге вычисления (м), определяемая по формулеl n - crack length at the n-th step of the calculation (m), determined by the formula

Figure 00000017
, n=1…N
Figure 00000017
, n = 1 ... N

гдеWhere

n - номер шага вычисления;n is the calculation step number;

tn - время на n-м шаге (сек);t n is the time at the nth step (sec);

Для реализации устройства был взят микроконтроллер Freeduino Nano v5, Arduino-совместимый микроконтроллер. Подключение к ПК было произведено по интерфейсу USB 2.0.To implement the device, a Freeduino Nano v5 microcontroller, an Arduino-compatible microcontroller, was taken. Connection to the PC was made via USB 2.0.

В схеме использовался полевой транзистор IRFZ44, термопары тип-К (хромель-алюмелевые), элементы Пельтье ТЕС1-03103. Исследуемый материал - нержавеющая сталь марки 8Х18Н10.The circuit used an IRFZ44 field effect transistor, type-K thermocouples (chromel-alumel), Peltier elements TEC1-03103. The investigated material is stainless steel grade 8X18H10.

На разработанном устройстве проведены испытания и получены следующие результаты: коэффициент пропорциональности К1=2,27 (1/Дж), температурный коэффициент элемента Пельтье К2=1,724 (1/°С), удельный коэффициент Пельтье Π=0,0111 (Βт/(Α·м2),The developed device was tested and the following results were obtained: proportionality coefficient K 1 = 2.27 (1 / J), temperature coefficient of the Peltier element K 2 = 1.724 (1 / ° C), specific Peltier coefficient Π = 0.0111 (Βt / (Α · m 2 ),

На Фиг. 4 представлена зависимость скорости роста трещины от времени для испытываемого материала.In FIG. Figure 4 shows the time dependence of the crack growth rate for the test material.

Таким образом, предлагаемый способ и устройство позволяют повысить точность результатов измерения, снизить трудоемкость испытаний, расширить функциональные возможности, а именно позволяет измерить тепловой поток от любых объектов.Thus, the proposed method and device can improve the accuracy of the measurement results, reduce the complexity of the tests, expand the functionality, namely it allows you to measure the heat flux from any objects.

Claims (2)

1. Способ определения скорости роста трещины в образце материала с концентратором напряжения при воздействии на него циклической нагрузкой, отличающийся тем, что сначала измеряют начальную длину трещины, в процессе испытаний замеряют мощность теплового потока от образца, а затем скорость роста трещины определяют по формуле:
υn=K1·Pn·ln
где
n - номер шага вычисления;
tn - время на n-м шаге (сек);
K1 - коэффициент пропорциональности (1/Дж);
Pn - мощность теплового потока от образца в момент времени tn (Вт);
ln - длина трещины на n-м шаге вычисления (м), определяемая по формуле:
Figure 00000018
, n=1…N1. A method for determining the crack growth rate in a sample of material with a stress concentrator when subjected to a cyclic load, characterized in that the initial crack length is measured first, the heat flux from the sample is measured during the tests, and then the crack growth rate is determined by the formula:
υ n = K 1 · P n · l n
Where
n is the calculation step number;
t n is the time at the nth step (sec);
K 1 - coefficient of proportionality (1 / J);
P n is the power of the heat flux from the sample at time t n (W);
l n - crack length at the n-th step of the calculation (m), determined by the formula:
Figure 00000018
, n = 1 ... N 2. Устройство для определения скорости роста трещины в образце материала с использованием способа по п. 1, включающее датчик, контактирующий с образцом, и устройство обработки информации с датчика, включающее источник постоянного напряжения, усилитель, микроконтроллер, персональный компьютер, отличающееся тем, что датчик содержит два элемента Пельтье, выполненных в виде в плоских пластин, причем первый элемент Пельтье контактирует одной стороной пластины с образцом, а другой стороной со вторым элементом Пельтье, кроме того, устройство содержит радиатор, контактирующий со второй стороной второго элемента Пельтье, а также две термопары, одна из которых расположена между элементами Пельтье, а вторая расположена в месте постоянной температуры, а устройство обработки информации дополнительно содержит полевой транзистор и шунтирующий резистор, причем усилитель связан с первым элементом Пельтье, с двумя термопарами, шунтирующим резистором, установленным между соединениями усилителя с первым элементом Пельтье и второй термопарой и с микроконтроллером, а полевой транзистор установлен в цепи соединения микроконтроллера со вторым элементом Пельтье и источником постоянного напряжения, причем микроконтроллер выполнен с возможностью широтно-импульсной модуляции напряжения источника питания в соответствии с формулой:
Uпит=(U2-U1)·a·V·K2,
где
Uпит - напряжение питания второго (охлаждающего) элемента Пельтье (B),
U2 - напряжение с термопары измерительного модуля (В),
U1 - напряжение с термопары датчика (В),
V - напряжение источника питания (В),
K2 - температурный коэффициент элемента Пельтье (1/°C),
a - коэффициент термоэдс термопары (°C/B),
при этом микроконтроллер соединен с персональным компьютером и выполнен с возможностью определения скорости роста трещины по формуле:
υn=K1·Pn·ln,
где
υn - скорость роста усталостной трещины (м/с);
K1 - коэффициент пропорциональности (1/Дж);
ln - длина трещины на n-м шаге вычисления (м);
Pn=П·Un/R·S,
где
П - удельный коэффициент Пельтье (Вт/(А·м2));
Un - разность потенциалов на шунтирующем резисторе (B);
R - сопротивление резистора (Ом);
S - площадь элемента Пельтье (м2). 2. A device for determining the crack growth rate in a sample of material using the method according to claim 1, including a sensor in contact with the sample, and a device for processing information from the sensor, including a constant voltage source, amplifier, microcontroller, personal computer, characterized in that the sensor contains two Peltier elements made in the form of flat plates, the first Peltier element in contact with one side of the plate with the sample and the other side with the second Peltier element, in addition, the device holds a radiator in contact with the second side of the second Peltier element, as well as two thermocouples, one of which is located between the Peltier elements, and the second is located at a constant temperature, and the information processing device further comprises a field effect transistor and a shunt resistor, the amplifier connected to the first element Peltier, with two thermocouples, a shunt resistor installed between the amplifier connections with the first Peltier element and the second thermocouple and with a microcontroller, and the field effect transistor installed in the connection circuit of the microcontroller with the second Peltier element and a constant voltage source, and the microcontroller is configured for pulse-width modulation of the voltage of the power source in accordance with the formula:
U pit = (U 2 -U 1 ) · a · V · K 2 ,
Where
U pit - voltage of the second (cooling) Peltier element (B),
U 2 - voltage from the thermocouple of the measuring module (V),
U 1 - voltage with thermocouple sensor (V),
V is the voltage of the power source (V),
K 2 - temperature coefficient of the Peltier element (1 / ° C),
a is the thermoelectric coefficient of the thermocouple (° C / B),
while the microcontroller is connected to a personal computer and is configured to determine the crack growth rate by the formula:
υ n = K 1 · P n · l n ,
Where
υ n is the growth rate of the fatigue crack (m / s);
K 1 - coefficient of proportionality (1 / J);
l n - crack length at the n-th step of the calculation (m);
P n = P · U n / R · S,
Where
P - specific Peltier coefficient (W / (A · m 2 ));
U n is the potential difference on the shunt resistor (B);
R is the resistance of the resistor (Ohm);
S is the area of the Peltier element (m 2 ).
RU2015129783/28A 2015-07-20 2015-07-20 Method for determining crack growth rate in the sample and device for its implementation RU2603939C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015129783/28A RU2603939C1 (en) 2015-07-20 2015-07-20 Method for determining crack growth rate in the sample and device for its implementation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015129783/28A RU2603939C1 (en) 2015-07-20 2015-07-20 Method for determining crack growth rate in the sample and device for its implementation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2603939C1 true RU2603939C1 (en) 2016-12-10

Family

ID=57776986

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015129783/28A RU2603939C1 (en) 2015-07-20 2015-07-20 Method for determining crack growth rate in the sample and device for its implementation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2603939C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2796661C1 (en) * 2022-09-19 2023-05-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук (ПФИЦ УрО РАН) Method for processing a flat billet made of titanium alloy with a stress concentrator

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU725020A1 (en) * 1978-06-01 1980-03-30 Рижский Краснознаменный Институт Инженеров Гражданской Авиации Им. Ленинского Комсомола Method of measuring the rate of propagation of fatigue crack in sheet material
SU1320735A1 (en) * 1984-07-05 1987-06-30 Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации Method of nondestructive check of kinetic parameters of fatigue cracks in articles
RU2469290C1 (en) * 2011-06-14 2012-12-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Method for determining crack growth rate due to cyclic loads

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU725020A1 (en) * 1978-06-01 1980-03-30 Рижский Краснознаменный Институт Инженеров Гражданской Авиации Им. Ленинского Комсомола Method of measuring the rate of propagation of fatigue crack in sheet material
SU1320735A1 (en) * 1984-07-05 1987-06-30 Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации Method of nondestructive check of kinetic parameters of fatigue cracks in articles
RU2469290C1 (en) * 2011-06-14 2012-12-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Method for determining crack growth rate due to cyclic loads

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2796661C1 (en) * 2022-09-19 2023-05-29 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук (ПФИЦ УрО РАН) Method for processing a flat billet made of titanium alloy with a stress concentrator
RU2805128C1 (en) * 2023-06-22 2023-10-11 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") Crack opening rate measuring device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Vshivkov et al. Experimental study of heat dissipation at the crack tip during fatigue crack propagation
US4522512A (en) Thermal conductivity measurement method
RU2516609C2 (en) Method for determination of thermal resistance for junction field-effect transistors
US4156840A (en) Thermoelectric metal sorter
RU2603939C1 (en) Method for determining crack growth rate in the sample and device for its implementation
US3332285A (en) Fast precision temperature sensing thermocouple probe
RU2530441C1 (en) Method for non-destructive control of complex of thermal characteristics of solid building materials and device for its implementation
RU2754715C1 (en) Method for determining the thermal properties of materials
RU2313082C1 (en) Metallic product inspection method
Sreejith et al. A low cost automated specific heat capacity meter for liquids
RU2685769C1 (en) Method of determination of transient thermal resistance of crystal-housing and thermal resistance of crystal-housing in the state of heat equilibrium of transistors with field control
Cviklovič et al. Using selected transient methods for measurements of thermophysical parameters of building materials
RU2639740C1 (en) Method for determining component concentration in two-component gas mixture
RU156021U1 (en) CORROSION SPEED SENSOR OF CORROSION MONITORING SYSTEM
RU2424505C1 (en) Method for complex determination of thermal and physical characteristics of materials
RU2324165C1 (en) Method of identifying system of thermo-physical properties of hard materials
Vshivkov et al. The study of the fatigue crack propagation in mixed mode crack growth
RU2646537C2 (en) Coefficient of the thermoelectric power of materials measuring device
Štofanik et al. RT-Lab-the Equipment for measuring thermophysical properties by transient methods
RU2654353C1 (en) Method of measuring component of thermal resistance of powerful semiconductor instruments
RU2686859C1 (en) Method of measuring thermal resistance between a housing of a semiconductor device and a cooling radiator
RU120236U1 (en) PROBE FOR DETERMINING THE THERMAL CONDUCTIVITY COEFFICIENT
RU2597149C1 (en) Method for evaluating thermal parameter of power semiconductor instruments and device for its implementation
Vshivkov et al. Experimental study of thermodynamics propagation fatigue crack in metals
RU186025U1 (en) DEVICE FOR DETERMINING THERMAL PROPERTIES OF MATERIALS