Способ определения долговечности конструкционных материалов в условиях воздействия агрессивных факторов и устройство для его осуществления

Способ определения долговечности конструкционных материалов в условиях воздействия агрессивных факторов и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к разработке оборудования для испытаний конструкционных материалов на долговечность при воздействии различных агрессивных факторов, например агрессивных сред или проникающих излучений.

Известен способ определения долговечности эластичных конструкционных материалов, например резин, заключающийся в том, что образец из испытуемого материала подвергают деформации одноосного растяжения на 20-30% от его первоначальной длины при температуре, соответствующей условиям эксплуатации этого материала, и выдерживают в этих условиях 300±5 секунд, после чего определяют величину механического напряжения в образце. Затем образец нагревают до некоторой температуры, охлаждают до температуры, соответствующей условиям эксплуатации, и снова определяют величину механического напряжения в образце.

Эти циклы нагревания и охлаждения повторяют до возникновения в образце напряжения, равного критическому. Время, по прошествии которого в образце возникает напряжение, равное критическому, считают критерием долговечности материала. Это время рассчитывается по формуле

где τ_ТЕ - время до возникновения в материале образца напряжения, равного критическому, при температуре, соответствующей условиям его эксплуатации;

τ_Т - время до возникновения в материале образца напряжения, равного критическому, при температуре его испытаний;

Т - температура, до которой нагревался образец;

Т_Е - температура, соответствующая условиям эксплуатации материала;

m - коэффициент, равный 4,56^·10³ для воздушной окружающей среды и 4,18^·10³ для жидкой окружающей среды (Изобретение СССР №1573389, опубл. в 1990 г., индекс МКП 001 №3/18).

Недостаток этого известного способа заключается в том, что в процессе испытания образец подвергается воздействию одноосного нагружения, поэтому результаты, получаемые с помощью данного способа, не соответствуют истинной долговечности эластичных конструкционных материалов, в частности резин, большинство из которых эксплуатируются в условиях плоского (двухмерного) напряженного состояния.

Известен способ определения долговечности эластичных конструкционных материалов, заключающийся в том, что образец, изготовленный из испытуемого материала, растягивают одноосно при температуре Т выше комнатной температуры, измеряют время до разрушения образца, рассчитывают энергию активации и на основании энергии активации оценивают долговечность материала. Предварительно определяют температуру ползучести материала, нагружение образца осуществляют при температурах, находящихся между температурами ползучести. Скорость одноосного растяжения выбирают из условия гарантированного разрушения образца после 100-400 секунд нагружения.

Энергия активации рассчитывается из следующего соотношения:

где τ₀=10^-12 секунд;

τ_EF - эффективная долговечность материала образца в условиях проведения испытаний;

R - универсальная газовая постоянная;

Т₀ - температура, полученная в результате линейной экстраполяции зависимости Q - Т в температурном интервале между температурами ползучести материала.

Долговечность материала определяется по формуле

где α=0,111 и β=-3,687 (Изобретение СССР №819, опубл. в 1993 г., индекс МКП 001 №3/18).

Недостатком этого известного способа, так же, как и предыдущего, является одноосный характер механического нагружения, не соответствующий реальным условиям эксплуатации большинства изделий из эластичных конструкционных материалов.

Известно устройство для определения степени агрессивности жидкости по отношению к испытуемому материалу, содержащее индикаторный образец, выполненный из испытуемого материала, и механизм регистрации момента разрушения индикаторного образца (Изобретение СССР №1791753, опубл. в 1991 г., индекс МКП 001 №17/00).

Недостатком этого известного устройства является низкая точность регистрации момента разрушения индикаторного образца, обусловленная визуальным методом регистрации, что затрудняет автоматизацию процесса испытания. Кроме того, данное устройство не позволяет проводить испытания образцов на агрессивную стойкость с одновременным воздействием на образец механических напряжений.

Известно устройство для исследования механических свойств материалов при высоких температурах и давлениях при воздействии агрессивных сред (Изобретение СССР №1231438, опубл. в 1986 г., индекс МКП 001 №17/00).

Недостатком этого известного устройства является то, что образец во время испытаний подвергается воздействию одноосного механического нагружения, тогда как в реальных условиях изделия из эластичных конструкционных материалов находятся в условиях плоского или объемного напряженного состояния. Это приводит к несоответствию результатов испытаний, полученных на данном устройстве, с истинной долговечностью изделий из эластичных конструкционных материалов в агрессивных средах.

В патенте РФ №2320972 (опубл. в 2008 г., индексы МКП 001 №3/12, 001 №3/18) предлагаются способ и устройство для определения долговечности конструкционных материалов в агрессивных средах, основанные на двухмерном нагружении образца в виде круглого плоского диска, закрепленного по периферии.

Недостатком этого известного способа и устройства для его осуществления является невозможность определения долговечности в условиях одновременного воздействия на испытуемый образец агрессивных факторов полевой природы, таких, как ультрафиолетовое излучение, инфракрасное излучение, проникающее α-, β- и γ-излучение.

Целью предлагаемого изобретения является создание метода определения долговечности в условиях воздействия агрессивных факторов механически напряженных эластичных конструкционных материалов, свободного от перечисленных выше недостатков, а также устройства для осуществления этого метода.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.

Способ определения долговечности конструкционных материалов в условиях воздействия агрессивных факторов, заключающийся в том, что плоский образец закрепляют по кольцевому контуру с помощью соединительно-герметизирующего устройства внутри термостатической камеры, термостатируют образец в термостатической камере, которая разделена соединительно-герметизирующим устройством с закрепленным в нем образцом на нагнетательную и реакционную камеры, со стороны нагнетательной камеры нагружают образец давлением жидкой или газообразной среды, инертной по отношению к материалу испытуемого образца; со стороны реакционной камеры образец подвергается воздействию агрессивной среды и другим агрессивным воздействиям, по отношению к которым исследуют долговечность материала образца, измеряют время до разрушения образца при задаваемых условиях - температуре и механическом напряжении в образце, деформированном давлением среды в нагнетательной камере, на основе полученных данных рассчитывают долговечность материала образца для заданного набора воздействий агрессивных сред и других агрессивных воздействий.

Устройство для осуществления описанного выше способа содержит термостатическую камеру, разделенную соединительно-герметизирующим устройством с закрепленным в нем по кольцевому контуру образцом на нагнетательную и реакционную камеры, источники давления инертной и агрессивной сред, датчик давления инертной среды, датчик расхода инертной среды, термостатирующее устройство с датчиком температуры, блок ввода, вывода и анализа агрессивной среды, источник агрессивной среды, источники других агрессивных воздействий (например, проникающих излучений), датчики интенсивности других агрессивных воздействий, блок управления источниками других агрессивных воздействий, блок регистрации, анализа и управления работой устройства, который соединен с источниками давления инертной среды, с датчиками расхода и давления инертной среды, с датчиками, регистрирующими интенсивности агрессивных воздействий, с блоком управления источниками других агрессивных воздействий, с датчиком температуры в термостатической камере, с термостатирующим устройством любого известного вида, с устройством ввода и вывода агрессивной среды.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежом, на котором показана общая блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа определения долговечности конструкционных материалов в условиях воздействия агрессивных факторов.

Устройство содержит нагнетательную камеру 1 и реакционную камеру 2, разделенные образцом 3 в форме круглого плоского диска, закрепляемого по внешнему контуру с помощью соединительно-герметизирующего устройства 4.

Давление жидкой или газообразной инертной среды, воздействующее на образец со стороны нагнетательной камеры, подается от источника давления инертной среды 5 и контролируется датчиком давления 6 любого известного типа. Расход инертной среды контролируется датчиком расхода инертной среды 7 любого известного типа.

Агрессивная среда (жидкая или газообразная), воздействующая на образец в процессе проведения испытания, подается в реакционную камеру от источника агрессивной среды 8 и контролируется с помощью блока ввода, вывода и анализа агрессивной среды 9, содержащего датчики концентрации агрессивной среды (любого известного типа) на входе и выходе из реакционной камеры, датчик расхода агрессивной среды (любого известного типа), а также другие датчики и устройства, позволяющие количественно определить интенсивность агрессивного воздействия на образец.

Со стороны реакционной камеры находятся также источники других агрессивных воздействий на образец 10, устройство управления источниками других агрессивных воздействий 11 и датчики интенсивности других агрессивных воздействий 12.

Нагнетательная и реакционная камеры помещаются в термостатическую камеру 13, снабженную датчиком температуры 14 любого известного типа, температура внутри термостатической камеры управляется с помощью блока термостатирования 15 любого известного вида.

Устройство содержит также блок регистрации, анализа и управления работой устройства 16, соединенный с источником давления инертной среды, с датчиком расхода инертной среды, с датчиком давления инертной среды 5, с датчиком расхода инертной среды 7, с датчиком температуры 14 в термостатической камере, с блоком ввода, вывода и анализа агрессивной среды 9, с блоком управления источниками других агрессивных воздействий 11, с датчиками регистрации интенсивностей других агрессивных воздействий 12.

Блок ввода, вывода и анализа агрессивной среды может содержать устройство для деструкции агрессивной среды любого известного вида, установленное на выходе из реакционной камеры.

1. Способ определения долговечности конструкционных материалов в условиях воздействия агрессивных факторов, заключающийся в том, что плоский образец закрепляют по кольцевому контуру с помощью соединительно-герметизирующего устройства внутри термостатической камеры, термостатируют образец в термостатической камере, которая разделена соединительно-герметизирующим устройством с закрепленным в нем образцом на нагнетательную и реакционную камеры, со стороны нагнетательной камеры нагружают образец давлением жидкой или газообразной среды, инертной по отношению к материалу испытуемого образца; со стороны реакционной камеры образец подвергают воздействию агрессивной среды и другим агрессивным воздействиям, по отношению к которым исследуют долговечность материала образца, измеряют время до разрушения образца при задаваемых условиях - температуре и механическом напряжении в образце, деформированном давлением среды в нагнетательной камере, на основании полученных данных рассчитывают долговечность материала образца для заданного набора агрессивных воздействий агрессивных сред и других агрессивных воздействий.

2. Устройство для определения долговечности конструкционных материалов в условиях воздействия агрессивных факторов, содержащее термостатическую камеру, разделенную соединительно-герметизирующим устройством с закрепленным в нем по кольцевому контуру образцом на нагнетательную и реакционную камеры, источники давления инертной и агрессивной сред, датчик давления инертной среды, датчик расхода инертной среды, термостатирующее устройство с датчиком температуры, блок ввода, вывода и анализа агрессивной среды, источник агрессивной среды, источники других агрессивных воздействий (напр., проникающих излучений), датчики интенсивности других агрессивных воздействий, блок управления источниками других агрессивных воздействий, блок регистрации, анализа и управления работой устройства, который соединен с источниками давления инертной среды, с датчиками расхода и давления инертной среды, с датчиками, регистрирующими интенсивности агрессивных воздействий, с блоком управления источниками других агрессивных воздействий, с датчиком температуры в термостатической камере, с термостатирующим устройством любого известного вида, с устройством ввода и вывода агрессивной среды.