Способ испытания образцов твердых материалов

 

Изобретение относится к области исследования прочностных свойств твердых материалов путем определения параметров трещин, образующихся в материале при его нагружении. Способ испытания образцов твердых материалов, преимущественно металлов, на определение влияния трещин на механические свойства материала заключается в изготовлении образца или серии образцов, выполнении на образцах концентратора напряжений, например, в виде надреза, приложении к испытуемому образцу изменяющейся во времени нагрузки в заданном временном интервале для образования в зоне надреза увеличенной трещины по сравнению с исходной величиной надреза, последующем определении глубины трещины и анализе влияния глубины трещины испытуемого образца на его механические характеристики. Испытуемый образец выполняют в виде образца для испытания на кручение, содержащего сварное или паяное соединение из двух отдельно изготовленных частей, а приложенная к испытуемому образцу нагрузка является нагрузкой крутящего момента. После определения нагрузки, при которой происходит образование трещин, и определения нагрузки, при которой происходит разрушение такого же образца, производят испытание испытуемого образца промежуточной нагрузкой с последующим выявлением нагрузки появления трещины методом последовательных приближений. Фиксирование изображения зарождения и роста трещин осуществляют с помощью оптической металлографии на фотографиях. Данное изобретение позволяет проводить исследования в широком диапазоне атмосферных условий и в вакууме. 8 з.п.ф-лы, 3 ил.

Область применения Изобретение относится к физике, к исследованию прочностных свойств твердых материалов путем приложения к ним механических усилий, а более конкретно к определению зарождения и роста трещин и их влиянию на механические свойства материалов.

Предшествующий уровень техники В последние годы в технике появились работы, связанные с выявлением трещин, трещинообразованием и устранением трещин в твердых материалах.

Известен способ диагностики поперечной трещины вала, защищенный патентом РФ 2082143 с приоритетом 1992 г., по МКИ G 01 N 3/00. Этот способ направлен на выявление трещины в металле. Его выбираем в качестве аналога изобретения.

Недостаток аналога в том, что он не позволяет выявить влияние силового нагружения на материал на трещинообразование. Это, в частности, во многих случаях не позволяет решить эффективно вопрос о допустимости при эксплуатации изделий определенных трещин. Аналог не позволяет также выявить влияние соответствующих нагрузок на материал на трещинообразование.

Известен способ испытания образца металла на устранение микротрещин в сварном соединении, защищенный патентом РФ 2109263 с приоритетом 1996 г., по МКИ 6 G 01 N 3/00. Этот способ также выбираем в качестве аналога изобретения. В аналоге на поверхности образца сварного соединения выполняют концентратор напряжения в виде надреза. К образцу прикладывают нагрузку с образованием в вершине концентратора напряжений микротрещины и фиксируют ее глубину.

Недостаток этого аналога в том, что он не позволяет выявить влияние силовых нагрузок на трещинообразование в материале. Он не позволяет также эффективно решить вопрос о соответствующей допустимости выявляемых трещин при эксплуатации соответствующих изделий.

Также известен способ испытания образцов металлов на определение влияния трещин на механические свойства материала, раскрытый в патенте RU 2032893 С1, опубликованном 10.04.1995, G 01 N 17/00, принятый за прототип. Данный способ заключается в изготовлении образца или серии образцов, выполнении на образцах концентратора напряжений, например, в виде надреза, приложении к испытуемому образцу изменяющейся во времени нагрузки в заданном временном интервале для образования в зоне надреза увеличенной трещины по сравнению с исходной величиной надреза, последующем определении глубины трещины и анализе влияния глубины трещины испытуемого образца на его механические характеристики.

Недостатком данного способа является то, что он не решает задачи определения параметров трещенообразования на открытом воздухе или вакууме широкого класса конструкционных материалов, т.е. область его применения весьма ограничена.

Раскрытие изобретения В основу настоящего изобретения положена задача разработки такого способа испытаний образцов твердых материалов на определение влияния трещин на его механические свойства, при котором возможно исследование трещенообразования в широком диапазоне атмосферных условий и в вакууме. Кроме того, решается задача для различных металлов и заготовок из них.

Необходимость решения этой задачи продиктована актуальностью решения проблем, связанных с трещенообразованием, которое во многих случаях является причиной аварий в современной технике.

Сущность изобретения заключается в том, что разработан способ испытания образцов твердых материалов, преимущественно металлов, на определение влияния трещин на механические свойства материала. Изобретение включает изготовление образца или серии образцов, выполнение на образцах концентратора напряжений, например, в виде надреза, приложение к испытуемому образцу изменяющейся во времени нагрузки в заданном временном интервале для образования в зоне надреза увеличенной трещины по сравнению с исходной величиной надреза, последующее определение глубины трещины и анализ влияния глубины трещины испытуемого образца на его механические характеристики.

Возможно после испытания образцов без разрушения в заключении проводить испытания с разрушением образца, прикладывая нагрузку в зависимости от времени в заданном временном интервале.

В частном случае возможно фиксирование изображения зарождения и роста трещин осуществлять с помощью оптической металлографии на фотографиях.

В частном случае после определения нагрузки, при которой отсутствует образование трещин, и определения нагрузки, при которой происходит разрушение такого же образца, производят испытание такого же образца промежуточной нагрузкой с последующим выявлением нагрузки появления трещины методом последовательных приближений.

В частном случае способа испытания образцов твердых материалов нагрузку к образцу прикладывают вибрационным путем, например путем приложения виброперегрузки, к соответствующим образом изготовленному и закрепленному образцу.

В частном случае способа испытания образцов твердых материалов в качестве материала образцов используют сплав на основе никеля.

В частном случае этого способа фиксацию глубины трещины соответствующего образца производят путем окисления его поверхности за счет нафева до температуры 600^oС.

В частном случае в качестве образца используют образец растяжения, к которому прикладывают нагрузку растяжения.

В другом частном случае в качестве образца используют образец сжатия, к которому прикладывают нагрузку сжатия.

В следующем частном случае используют образец кручения, к которому прикладывают нагрузку в виде крутящего момента.

В частном случае в способе используют образец, содержащий сварное соединение из двух отдельно изготовленных частей.

Также в частном случае в качестве образца используют образец, содержащий паяное соединение из двух отдельно изготовленных частей.

В качестве образца в частном случае может быть использован образец, выполненный из горячекатанного или холоднокатанного металла.

В частном случае образец может быть выполнен из литья.

Также в частном случае образец может быть выполнен из поковки или штамповки.

В результате реализации заявленного способа достигается важный технический результат - разработан способ испытания образцов твердых материалов, преимущественно металлов, путем приложения нагрузок в зависимости от времени в соответствующем временном интервале на определение влияния характера и глубины трещин на механические свойства образца. При этом выявлена возможность выяснить влияние трещинообразования в металлах на прокат, штамповки, поковки, литье, сварные и паяные соединения и т.п., а также как при постоянных, так и при пульсирующих нагрузках, при виброперегрузках, также на образцах растяжения, сжатия, кручения и пр.

Краткое описание чертежей На фиг. 1 представлена схема испытаний образца растяжения с трещинообразованием.

На фиг.2 - схема испытаний образца сжатия с трещинообразованием.

На фиг.3 - схема испытаний образца кручения с трещинообразованием.

Примеры реализации изобретения Пример 1.

Пример с образцом растяжения. Изготавливают серию одинаковых образцов растяжения из горячекатанного прутка сплава на основе никеля (схематично аналогичных образцу 1 на фиг.1) с шейками 2. На шейках 2 изготавливают концентраторы напряжения в виде одинаковых надрезов 3. Прикладывают к образцу распределенные нагрузки Q₁(t) в зависимости от времени, как показано на фиг. 1, в заданном временном интервале t₁÷t₂. Нагрузку и временной интервал изменяют до тех пор, пока в зоне надреза 3 не образуется трещина увеличенной глубины (по сравнению с исходной величиной надреза). Проводят анализ влияния глубины трещины данного образца на его механические характеристики после испытаний образцов данной серии на определение механических характеристик сплава, например твердость, предел прочности, предел текучести, относительное удлинение и пр. Фиксируют зарождение и рост трещин с помощью оптической металлографии на фотографиях.

Пример 2.

То же, что пример 1, со штампованными образцами.

Пример 3.

То же, что пример 1, с образцами, выполненными из литья.

Пример 4.

То же, что пример 1, с образцами, содержащими сварное соединение из двух отдельно изготовленных частей.

Пример 5.

То же, что пример 1, с образцами, содержащими паяное соединение из двух отдельно изготовленных частей.

Пример 6.

То же, что пример 1, но с образцами сжатия. Изготавливают серию одинаковых образцов сжатия (схематично аналогичному образцу 4 на фиг.2). На образцах изготавливают концентраторы напряжения в виде надрезов 5. Прикладывают к образцу распределенные нагрузки Q₂(t), как показано на фиг.2, в заданном временном интервале.

Пример 7.

То же, что в примере 1, но с образцами кручения. Изготавливают серию одинаковых образцов кручения (схематично аналогичному образцу 6 на фиг.3) с шейками 7 и концентраторами напряжений в виде надрезов 8. Прикладывают к образцам нагрузки в виде моментов кручения M(t), как показано на фиг.3, в заданном временном интервале.

Пример 8.

То же, что пример 6, с приложением нагрузки вибрационным путем.

Пример 9.

То же, что пример 1, с фиксацией глубины трещины соответствующего образца путем окисления его поверхности за счет нагрева до температуры 600^oС.

Пример 10.

То же, что пример 1. Определяют минимальную нагрузку, при которой происходит разрушение образца; определяют максимальную нагрузку, при которой образование трещин на образце не происходит. Проводят испытания промежуточной нагрузкой с выявлением нагрузки появления трещины, например, методом последовательных приближений, заключающимся в том, что по результатам испытаний с тремя нагрузками выбирают два испытания, между которыми должен находиться искомый результат, проводят третье испытание, результат которого лежит между двумя предыдущими испытаниями. После этого выявляют два испытания, между которыми должен находиться искомый результат, выбирают параметры очередного испытания между двумя предыдущими испытаниями... и так до получения требуемого результата.

Пример 11.

То же, что пример 1, с образцами из прессматериала АГ-4В-ГОСТ 20437-89.

Промышленная применимость Изобретение может найти широкое распространение во многих областях техники, т.к. изучение и исследование вопросов трещинообразования и исключение связанных с этим аварий является одной из актуальных проблем современной техники.

Формула изобретения

1. Способ испытания образцов твердых материалов, преимущественно металлов, на определение влияния трещин на механические свойства материала, заключающийся в изготовлении образца или серии образцов, выполнении на образцах концентратора напряжений, например, в виде надреза, приложении к испытуемому образцу изменяющейся во времени нагрузки в заданном временном интервале для образования в зоне надреза увеличенной трещины по сравнению с исходной величиной надреза, последующем определении глубины трещины и анализе влияния глубины трещины испытуемого образца на его механические характеристики, отличающийся тем, что испытуемый образец выполняют в виде образца для испытания на кручение, содержащего сварное или паяное соединение из двух отдельно изготовленных частей, а приложенная к испытуемому образцу нагрузка является нагрузкой крутящего момента, при этом после определения нагрузки, при которой происходит образование трещин, и определения нагрузки, при которой происходит разрушение такого же образца, производят испытание испытуемого образца промежуточной нагрузкой с последующим выявлением нагрузки появления трещины методом последовательных приближений, а фиксирование изображения зарождения и роста трещин осуществляют с помощью оптической металлографии на фотографиях.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после испытаний без разрушения образцов в заключение проводят испытания с разрушением образца, прикладывая к нему зависящую от времени нагрузку в заданном временном интервале.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагрузку к испытуемому образцу прикладывают вибрационным путем, например, путем приложения виброперегрузки к закрепленному образцу.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала образцов используют сплав на основе никеля.

5. Способ по п. 1 или 4, отличающийся тем, что фиксацию глубины трещины испытуемого образца проводят путем окисления его поверхности за счет нагрева до 600^oС.

6. Способ по п. 1 или 3, отличающийся тем, что к испытуемому образцу также прикладывают нагрузку растяжения или сжатия.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что испытуемый образец выполнен из горячекатаного или холоднокатаного металла.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что испытуемый образец выполнен путем литья.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что испытуемый образец выполнен путем поковки или штамповки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3