Основными параметрами материалов для конструкций ответственного назначения является их термостойкость (ТТ,ЧЦ) - стандартизованная температура (°С) термостойкости и число (const) термоциклов соответственно, при которых образец сохраняет свои характеристики, а также его прочность, характеризуемая пределами ползучести (σВ и σТ) при кратковременном и длительном (час.) нагружении (МПа) соответственно и при определенной температуре (°С).
В отличие установок термического анализа (ТА), выпускаемых за рубежом, в первом отечественном дериватографе «ОКТАЭДР», вместо обычно применяемых линейных температурных режимов и постоянного давления или вакуума в рабочем объеме источника тепла/холода, введён адаптивный режим термобароциклирования (от минус 70°С до плюс 70°С в термокриостате) и термобаронагружения (от 20 до 1000°С в электропечи) образца с заданным шагом в интервале давлений Р (от 0,001 до 1 МПа), что позволяет реализовать квази-изотермические и квази-изобарические участки в окрестностях «особых точек» (нано-, микро- и макроизменений в образце), чем повысить точность и достоверность определения и вычисления изменений в этих точках всех определяемых параметров [2].
Адаптивность режима заключается в изменении давления скачком на участках с постоянной температурой, и в линейном изменение температуры на участках с постоянным давлением, что осуществляется программно-логическим автоматом (ПЛА), в состав которого входит вакуумный насос и компрессор с прецизионной схемой контроля и управления термокриостатом и электропечью, по командам компьютера.
Это позволяет определить и вычислить все калорические и термические коэффициенты образца и построить их зависимости от изменения давления и температуры:
СV =dQV./dТ;
ξ =dQТ./dV;
СP =dQP./dТ;
h =dQT./dP; (1)
χ =dQP./dV;
ψ =dQV./dP;
b = -(∂V/∂P)/V;
γ = (∂Р/∂T)/Р,
где СV - теплоемкость при постоянном объеме; dQV - изменение тепла при постоянном объеме ( T - температуре, P- давлении); dT - изменение температуры ( V - объема, P - давления); ξ - коэффициент изотермического изменения внутренней энергии; СР - теплоемкость при постоянном давлении; h - теплота изотермического возрастания давления; χ - коэффициент изобарического изменения внутренней энергии; ψ - теплота изохорического возрастания давления; b - изотермический коэффициент сжатия; γ - изохорный коэффициент давления.
Используя связь β с модулем объемной упругости (К=1/β), «ОКТАЭДР» вычисляет остальные модули упругости, а также определяется второй критерий подобия упругих деформаций равный ρgℓ/E и коэффициент Пуассона:
Е = P·ℓ/ Δℓ;
G = 3E/(9-b·E);
μμ = G; (2)
λλ = (1- 2b·μ)/3b и
ν = (E-2G)/2G,
где Е - модуль Юнга; Р - давление, ℓ - линейный размер образца, определяемый дилатометром, Δℓ - изменения линейного размера, G - модуль сдвига; μμ , λλ - постоянные Ламе; ρ - плотность образца, определяемая по измерениям его массы и объема; g - ускорение силы тяжести; ν - коэффициент Пуассона.
Технология термобароциклирования позволяет годовой цикл эксплуатации образца (8760 часов) имитировать за несколько часов, с колебаниями температур в диапазоне эксплуатации от «полюса до экватора» и давлений - от земных до ионосферных. Это дает возможность ввести новый параметр - термобаростойкость (по аналогии с термостойкостью), как стандартизованную температуру термостойкости (Тт), стандартизованное давление (Рт) и число термобароциклов (ЧЦ), а также осуществить его ускоренное «старение», которое позволит количественно определить долговечность образца - tР, как стандартизованный средний ресурс, и вычислить факторы опасности, возникающие при эксплуатации образца в исследованных интервалах (Р,Т и tР), как соответствующие вероятности Рi (например, опасности механического разрушения, пожарной опасности и т.д.). При этом становятся очевидными, например, понижение показателей прочности «состарившихся» материалов, повышение их пожарной опасности и т.д., что существующими стандартными методами не определяется.
В методологии применения «ОКТАЭДРа» используется понятие долговечности по ГОСТ 27.002, как среднего ресурса, обозначаемого tР , определяющего время достижения предельного характеристического параметра в течение срока эксплуатации (установленных параметров прочности, например, модуля Юнга - Е, коэффициента Пуассона - ν, или теплоизоляционной способности, тогда коэффициентов теплопроводности - λ и температуропроводности - а, и т.д.).
С точки зрения безопасности, например механической, в методологии применения «ОКТАЭДРа» используются параметры ползучести, как вероятности разрушения образца в начале срока его эксплуатации Ро из условия, что при достижении предельных значений давлений и температуры в термобароцикле, по истечении его ресурса tp , вероятность разрушения образца является нормативной (Рtp =0,2 при σ0,2/tц/Тт = Рт) и можно вычислить значение интенсивности разрушения, логарифмируя уравнение Рtp = 1 - еλtp:
λ = Ln(0,8)/ tp; (3)
после чего подставляя полученное значение в то же уравнение, но с годовым ресурсом времени, получим:
Ро = 1- е8760λ (4)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
- Буловский П.И., Зайденберг М.Г. Надежность приборов систем управления /Справоч. пособ./, Л., Машиностроение, 1975, с.266-273, с.289-298.
- Белозеров В.В., Босый С.И., Буйло С.И., Видецких Ю.А., Викулин В.В., Прус Ю.В. ОКТАЭДР: метод и комплекс термоакустометрии с синхронным термическим анализом веществ и материалов - в жур. «СОВРЕМЕННЫЕ НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ», № 11, 2005, М.,РАЕ, с.26-27.