книги / Физические основы торможения разрушения

отрицательный потенциал. При разрыве датчика Д1 транзистор Т1 закрывается и отрицательный потенциал с его коллектора прикладывается к базе тран­ зистора Т и закрывает его. В следующий момент конденсатор С9 заряжается через сопротивление R34 до тех пор, пока опорное напряжение на диоде Д5 не станет равным напряжению на диоде Д4. Диод Д5 открывается, и импульс отрицательной полярности с обмотки Ш блокинг-генератора на транзистор ТЗ возвращает триггер в исходное состояние. Так формируется импульс задержки реле времени (ФИЗ). Его длительность определяется выражением на движке

к базе приложено отрицательное напряжение. При разрыве датчика Д2 про­ дифференцированный на C1R7 отрицательный импульс открывает транзистор Т5 и на выходе схемы совпадения У8 появляется управляющий импульс положи­ тельной полярности. В это время схемы совпадения У9 и У10 не работают, так как транзисторы Т7 и Т17 закрыты.

Вариант 11. Скорость трещины такова, что время прохождения ею рас­ стояния между двумя датчиками примерно равно длительности импульса за­

стробирующий импульс транзистором Т13, который открывает 77 схемы совпа­ дения У9. Если в период наличия стробирующего импульса разрывается дат­ чик Д2, то на выходе схемы совпадения У9 появляется положительный импульс. В это время транзисторы Т4 и Т17 закрыты, так что на выходах У8 и У10 сигнала нет.

Вариант 111. Скорость трещины настолько мала, что ттр > т српз. Этот момент характеризуется тем, что на время тср.н.3 и длительности строби­ рующего импульса поступает запрет на схемы совпадения УЗ, У9, У10. С триг­ гера через диод Д10 поступает запрет на время тср<и.3, а с коллектора тран-

330

331

Рнс. 138. Принципиальная электрическая схема логического устройства на 10 интервалов изменения скорости трещины

+ 258

Рнс. 139. Схема усилителя для инициирования срабатывания тормозных ба­ рьеров

зистора Т20 через диод Д13 — на продолжительность стробирующего импульса. Таким образом, схемы совпадения У8 и У9 не работают, а появление сигнала на выходе У10 определяется моментом срабатывания датчика Д2.

Для введения в действие мощных тормозных барьеров сигналы с электрон­ ного логического устройства усиливаются схемой, собранной на управляемых кремниевых полупроводниковых элементах (тиристорах) КУ-201Л (рис. 139).

Импульс положительной полярности с выхода электронного логического устройства открывает транзистор 77 обратной проводимости. В исходном со­ стоянии конденсатор С2 заряжен до напряжения 200 В. С открытием тиристора^77 во вторичной обмотке трансформатора Тр1 наводится высоковольтный импульс в 20 кВ, который инициирует срабатывание разрядника Р.

Для уменьшения потерь во времени, связанных с искажением фронта им­ пульса в трансформаторах с ферритовыми сердечниками, трансформатор Тр выполнен на фторопластовой катушке. Первичная обмотка содержит 15 витков провода ПЭЛ-0,5; вторичная 1000 витков провода ПЭЛ-0,05.

Работу схем электронного логического устройства совместно с усилителями предварительно проверяли, используя двухлучевой катодный осциллограф ОКД-505А. Установлена надежность срабатывания всех его звеньев. Общая задержка сигнала с момента срабатывания датчика Д1 до появления сигнала на выходе усилителя (в отсутствие линии задержки) не превышала 5 мкс. Такая задержка не вносит существенной погрешности при проведении эксперимента.

Чтобы эффективно управлять движущимися трещинами и тормозить их с помощью волн напряжений, создаваемых взрывом в. в. в цилиндрической полости, необходимо знать длительность импульса, напряжение, а также изменения в материале, которые они вызывают.

В данном случае взрыв заряда в. в. возбуждал в образце импульс сжатия длительностью около 10 мкс. Форму его опреде­ ляли по фотоупругой картине распространения, полученной сверх­ скоростной фоторегистрирующей установкой СФР-1, а также акустическим методом с помощью тарированного датчика давления из титаната бария. Напряжения, возникающие при взрыве в. в.,

333

под действием квазистатического растяжения трещина движется в первоначальном направлении. Одновременный взрыв двух и более зарядов в. в. лишь незначительно изменяет траекторию трещины (рис. 140). При дальнейшем увеличении энергии удара материал интенсивно растрескивается вблизи места взрыва, что значительно затрудняет проведение эксперимента. Следовательно, такое расположение тормозных барьеров не является опти­ мальным.

Керкхоф [249] проанализировал изменение траектории тре­ щины под влиянием импульса сжатия. Первоначальное направ­ ление максимального главного растягивающего напряжения под влиянием волны сжатия изменяется на некоторый угол ос. Одно­ временно изменяется и величина результирующего максимального

верхность разрыва будет отклоняться, приближаясь к направле­ нию сжимающего удара. Ее продвижение будет облегчаться

334

толщиной 0,25 мм. Процесс разрушения фотографировали по зеркальной схеме скоростной кинокамерой СФР-1М.

Для раннего прогнозирования разрушения использовали тот установленный ранее (см. гл. IX) факт, что разрушение начина­ ется через 20—30 мкс после образования первых двойниковых прослоек. Явление это проверено неоднократно, и его существо­ вание открывает редкую возможность надежно предсказывать появление трещины в кремнистом железе задолго до ее возникно­ вения.

Такой предвестник и индикатор процесса в определенных случаях может иметь несравненные преимущества перед акусти­ ческими и разрывными рецепторами. Так, в условиях динами­ ческой нагрузки, сопровождающейся возникновением волн, ис­ пользование акустических датчиков сопряжено с определенными трудностями, а применение разрывных полосок дает возможность регистрировать разрушение только с появлением трещины. Ре­ цепторы разрушения, сконструированные на основе эффекта предшествующего двойникования, свободны от указанных недо­ статков и обладают преимуществами малоинерционных датчиков.

Ниже описано устройство прибора, созданного исходя из этой идеи.

Прибор для раннего прогнозирования и торможения разру­ шения выполнен по схеме равновесного светового моста (рис. 142), позволяющего сопоставлять картину распределения световых лучей, отраженных от исследуемого объекта в момент появления двойников, с аналогичной картиной до разрушения.

Световой лоток, созданный специальной лампой накаливания (СЦ-3), разде­ ляется системой зеркал на два равноценных пучка. Первый из них (рабочий) фокусируется конденсорами на зеркально отполированной поверхности иссле­ дуемого объекта, второй (эталонный) — на металлическом зеркале. Отраженные

СИ-3

Рнс. 142. Блок-схема уст­ ройства для раннего прогно­ зирования и торможения разрушения:

Б Т — блок торможения;

77< — тиристорный ключ

336

дельных прослоек. Во всех случаях разбаланс' светового моста приводит к инициированию высоковольтного поджигающего им­ пульса и взрыву проволоки. Благодаря его действию скорость разрушения снижается и оно останавливается (рис. 143).

Степень влияния тормозного барьера на способность пластины сопротивляться импульсной нагрузке существенно зависит от положения локального нагревателя. Наиболее эффективна уста­ новка проволочки вблизи клиновидного надреза, из которого стартует трещина. При этом благодаря раннему профилакти­ ческому применению искусственного упрочнения импульсу на­ гружающего устройства противостоит «усиленный» образец пол­ ного сечения. В этом случае потенциал системы релаксирует, не успев разрушить и треть образца.

По мере отдаления источника от краевого выреза изменяются характер разрушения и полная длина остановленной трещины. Если в первом варианте разрыв распространяется без заметной пластической деформации, то увеличение времени опережающего нагрева приводит к резкому изменению вида излома. В области локального поля отчетливую конфигурацию приобретает зона утяжки вдоль берегов трещины, увеличивается угол ее раскрытия. На краях пластины в очагах исходных микротрещин появляются небольшие разрывы. До тех пор, пока нагреватель устанавли­ вался не далее середины образца, трещину удавалось остановить. При отдалении импульсного источника от клиновидного надреза на расстояние более 2/3 длины образца установка окончательно разрывает пластину, хотя характер излома свидетельствует о замедлении темпа развития трещины. Вероятно, позднее «лечение» лишь оттягивает «смерть» образца, но не может ее остановить, так как природные ресурсы системы в основном исчерпаны.

4. ПЕРСПЕКТИВЫ АВТОМ АТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

ТОРМ ОЖ ЕНИЕМ РАЗРУШ ЕН И Я

Приведенные в книге примеры иллюстрируют безусловную принципиальную возможность торможения закритических трещин в «агонизирующей» конструкции. Каковы, однако, реальные пер­ спективы развития этого направления в современной технике?

Прежде всего следует сказать, что осуществление торможения закритических трещин ограничивается стоимостью устройств рас­ смотренного выше типа. Поэтому поле их приложения должно определяться стоимостью оберегаемой конструкции и ее назначе­ нием. В частности, повышение надежности дорогостоящего или крайне ответственного устройства, связанного с жизнью людей, служит достаточным основанием для разработки и внедрения систем торможения разрушения безотносительно стоимости.

Очевидно, что в принципе системы такого рода должны вклю­ чать сенсорные устройства для предсказания или раннего обна­ ружения трещины, локационные системы для ее территориаль-

338

tioro фиксирования и прогнозирования трассы и режима движения, схемы и линии обратной связи и исполнительные механизмы для полного торможения или изменения траектории трещины.

Прогнозирование разрушения не представляется простым, так как требует однозначной информации о микроскопических физичес­ ких явлениях, ведущих к появлению трещины. В настоящее время уровень понимания этих вопросов еще недостаточен для опреде­ ленного предсказания не только момента появления зародыша разрушения, но и самого факта этого появления. Это и понятно, так как в случае кристаллических материалов генерирование ми­ кротрещин связано с дислокационными явлениями.

Несмотря на известные успехи в этой области — разработку нескольких (до десятка) дислокационных механизмов зарождения микротрещин, строгой оценки критической деформации и вида напряженного состояния в деформируемом анизотропном микро­ объеме различных кристаллических материалов до настоящего времени не существует. Нет такой оценки даже для монокристаллических объектов. Поэтому в случае поликристаллов, как пра­ вило, отсутствует какая бы то ни была возможность предсказать

свысокой степенью надежности ситуацию и время возникновения исходного разрушения, тем более, что речь идет о микросекундной точности. Исключениями в этом отношении являются варианты крайне локализованного и достаточно быстрого и в целом кратко­ временного пластического течения или динамического нагружения

сучастием, скажем, интенсивных двойниковых процессов, по­ зволяющих с точностью в десяток микросекунд предсказать воз­

никновение разрушения.

Реальные результаты в этом направлении могут появиться лишь тогда, когда будут разработаны методы контроля релакса­ ционных явлений, протекающих в микроскопических объемах ма­ кроскопического изделия. Только в этом случае появится возмож­ ность избирательно следить за любым микроскопическим процес­ сом, развивающимся в сторону создания микротрещины. Такого рода избирательность, к сожалению, совершенно необходима вследствие статистических особенностей зарождения мнкротрещин и того немаловажного факта, что любая из них при благоприятном для нее стечении обстоятельств может превратиться в магистраль­ ную. Следует поэтому признать, что сегодня не существует доста­ точно надежных теоретических и экспериментальных оснований для создания уверенно работающих устройств, с помощью которых молено было бы прогнозировать появление наиболее опасной ми­ кротрещины. Поэтому надеяться на немедленное использование прогнозирующих устройств и включение их в какие-то автомати­ ческие работающие системы торможения разрушения было бы преледевременно.

Однако имеются некоторые обнадеживающие обстоятельства, связанные с тем, что для активного воздействия на разрушение часто нет необходимости точно и достоверно знать момент появле­