Способ образования трещин в материале

 

Изобретение относится к усталостным испытаниям материалов и может быть использовано для образования трещин в материале. Техническим результатом предлагаемого способа является обеспечение наперед заданного регулируемого влияния микротрещин на продвижение заданной трещины при обеспечении возможности ее образования на любом участке оптически прозрачного материала с изменением напряжения в любом направлении. Указанный результат достигается тем, что импульсным лазерным излучателем формируют инициатор трещины и осуществляют ее выращивание. При этом в вершине трещины изменяют напряженное состояние изменением формы каустики в фокальной плоскости излучателя и/или регулирования временного и энергетического параметров импульса. Для обеспечения воздействия на любой образец его заливают имерсионной жидкостью. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к усталостным испытаниям материалов и может быть использовано для образования трещин в материале.

Известен способ образования трещин в материале, заключающийся в том, что в материале выполняют надрез и выращивают трещину до прорастания ее вглубь материала, регулируя форму трещины формой образца [1] Недостатком известного способа является невозможность выполнения трещины в глубине материала и низкая точность регулирования ее длины.

Известны способы образования усталостных трещин, заключающиеся в том, что в материале выполняют инициатор трещины и выращивают ее регулированием параметров нагружения материала [2] В известном способе низкая точность получения заданной трещины обусловлена неуправляемостью влияния микротрещин на поведение макротрещины при ее росте.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ образования трещин в материале, заключающийся в том, что в материале образуют инициатор трещины и выращивают ее заданной длины изменением напряженного состояния на ее участке [3] Изменением напряженного состояния в вершине надреза, который используют в качестве инициатора трещины, повышая точность задания размера трещины, не могут обеспечить прогнозированное влияние микротрещин на выращиваемую трещину, так как имеет место нерегулируемое напряженное состояние на участках трещины при ее движении.

Техническим результатом предлагаемого способа является обеспечение наперед заданного регулируемого влияния микротрещин на продвижение заданной трещины при обеспечении возможности ее образования на любом участке оптически прозрачного материала с изменением концентрации напряжения в любом направлении.

Это обеспечивается тем, что образование инициатора трещины и ее выращивание осуществляют импульсным потоком лазерного излучения, а изменение напряженного состояния осуществляют в вершине трещины путем изменения формы каустики в фокальной плоскости и/или регулирования временного и энергетического параметров импульса.

На чертеже представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа.

Устройство содержит импульсный лазерный излучатель 1 для взаимодействия с образцом 2 из оптически прозрачного материала. С излучателем связаны блок 3 управления временными и энергетическими параметрами, блок 4 управления режимом работы резонатора и блок 5 управления положением оптического элемента.

Способ образования трещин осуществляют следующим образом.

С помощью блока 5 или перемещением образца 2 фокусируют импульсный поток излучения от излучателя 1 в том месте образца 2, где необходимо образование инициатора трещины. В процессе образования трещины управляют напряженным состоянием в ее вершине. Излучение импульсного лазерного излучателя 1 формируют в режиме модулированной добротности. С помощью блока 3 изменяют длительность и энергию импульса, а блоком 4 изменяют режим работы резонатора. При этом время импульса задают таким, чтобы оно было достаточным для испарения материала, достаточным для создания заданных микротрещин, но не большим критического времени возникновения непланируемых микротрещин на заданном участке траектории макротрещины. Изменяя энергетический параметр, изменяют раскрытие трещины и форму ее вершины, т.е. концентрацию напряжений в зоне вершины трещины. Изменением формы каустики в фокальной плоскости изменяют не только направление трещины, но и напряжение в данной точке, т.е. программу развития микротрещин на требуемом участке, что позволяет запрограммировать разрушение материала на заданном участке, придерживаясь требуемого направления макротрещины.

При осуществлении предлагаемого способа на поверхности образца 2, обращенной в сторону излучателя, не должна отражаться или поглощаться значительная доля энергии излучения. Если поверхность образца неплоская или расположена под неоптимальным углом к направлению действия излучения, помещают образец материала в иммерсионную жидкость, т.е. жидкость, имеющую сходный с материалом образца коэффициент преломления для выбранной длины волны излучения.

Предлагаемый способ позволяет сформировать как единичную трещину, так и серию трещин по всем координатам с программным развитием микротрещин-инициаторов на требуемых участках путем задания направленного напряженного состояния в материале по любой координате.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОБРАЗОВАНИЯ ТРЕЩИН В МАТЕРИАЛЕ, заключающийся в том, что в образце материала образуют инициатор трещины и выращивают ее заданной длины изменением напряженного состояния на одном из ее участков, отличающийся тем, что используют образец из оптически прозрачного материала, образование инициатора трещины и ее выращивание осуществляют в вершине трещины импульсным потоком лазерного излучения, а изменение напряженного состояния осуществляют в вершине трещины путем изменений формы акустики в фокальной плоскости излучателя и/или регулирования временного и энергетического параметров импульса.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при образовании инициатора трещины и ее выращивании материал образца заливают имерсионной жидкостью.

РИСУНКИ

Рисунок 1