Способ определения предела упругости монокристаллов

Использование: изобретение относится к области испытания прочностных свойств материалов и предназначено для определения предела упругости монокристалла. Технический результат изобретения - снижение трудоемкости, возможность прогнозирования предела упругости монокристалла путем расчета по формуле. Сущность изобретения - определение предела упругости нитевидных монокристаллов, для чего измеряют у образца период кристаллической решетки рентгеноструктурным методом, а затем расчетным путем определяют тангенциальную составляющую предела упругости.

 

Изобретение относится к области испытания прочностных свойств материалов, к способам определения предела упругости.

Известен способ определения предела упругости, по которому к образцу из нитевидного кристалла прикладывается растягивающее усилие, автоматически записывается кривая деформации и по результатам кривой деформации определяется, в частности, предел упругости (И.Л.Светлов. Машина для механических испытаний нитевидных кристаллов (усов). Заводская лаборатория №9, 1964, с.1133-1136).

Известен способ, по которому образец материала нагружают до разрушения, регистрируют диаграмму нагружения и по ней определяют, в частности, максимальное растягивающее усилие конструкционных материалов (Авторское свидетельство СССР №1747989 А1, М. Кл. G01N 3/00, 15.07.92).

Известен способ, по которому образцы нагружают статической нагрузкой, регистрируют деформационную характеристику в координатах напряжение-деформация и по ней, в частности, определяют упругие свойства конструкционного материала (Патент RU 2002236 С1, М. Кл. С01N 3/00, 30.10.93)

Известен способ, по которому проводят механические испытания образцов в режиме одноосного статического растяжения и релаксации напряжений, в результате которых, в частности, определяют напряжения и деформации (Авторское свидетельство СССР №1803773 А1, М. Кл. G01N 3/00, 23.03.93).

Известен способ, по которому испытывают образцы при одноосном нагружении и, в частности, определяют для них механические характеристики по значениям степени деформации и напряжений для металлических изделий, полученных холодным деформированием (Авторское свидетельство СССР №1820277 А1, М. Кл. G01N 3/00, 07.06.93).

Недостатком этих способов является использование сложного дорогостоящего оборудования (в некоторых случаях уникального), необходимого для проведения испытаний по определению механических свойств материалов.

Наиболее близким по достигаемому результату является способ, по которому к образцу из нитевидного кристалла прикладывается растягивающее усилие, автоматически записывается кривая деформации и по результатам кривой деформации определяется, в частности, предел упругости (И.Л.Светлов. Машина для механических испытаний нитевидных кристаллов (усов). Заводская лаборатория №9, 1964, с.1133-1136).

Недостатком способа является использование сложного дорогостоящего оборудования и трудоемкость испытаний.

Технический результат изобретения - снижение трудоемкости, возможность прогнозирования предела упругости монокристалла путем расчета по формуле.

Технический результат изобретения получен за счет того, что в способе определения предела упругости, по которому используют нитевидный монокристалл, в отличие от прототипа у образца измеряют период кристаллической решетки рентгеноструктурным методом, а затем по формуле

,

где е=1,6·10^-19, Кл - заряд электрона;

а₀ - период кристаллической решетки;

π=3,14;

ε₀=8,85·10^-12 Кл²/Нм² - электрическая постоянная;

γ - максимальный угол сдвига;

s - площадь сдвига,

определяют тангенциальную составляющую предела упругости.

Пример конкретной реализации способа.

Для рентгеноструктурного анализа изготавливаются образцы. Монолитные образцы в форме шлифов изготавливают из исследуемого материала обычными механическими способами и перед съемкой подвергают электролитической полировке для снятия наклепа. Плоские шлифы подготавливают для съемки с помощью электролитического травления для снятия деформированного слоя. При съемке на просвет образцы должны электролитически утоньшаться до тонкой фольги.

Для определения периодов кристаллической решетки необходимо измерить межплоскостные расстояния, проиндицировать дифракционные отражения и, зная связь между межплоскостным расстоянием, индексами отражающих плоскостей и периодами решетки, рассчитать последние (С.С.Горелик, Л.Н.Расторгуев, Ю.А.Скаков. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. М.: Металлургия, 1970, 366 с.).

Методами прецизионного определения периода кристаллической решетки могут служить следующие:

- асимметричная съемка с расчетом по последним линиям;

- метод съемки на больших расстояниях в широком расходящемся пучке;

- метод съемки с независимым эталоном;

- безэталонный метод при обратной съемке и др.

Выбор того или иного метода определения периода решетки связан с расположением линий на рентгенограмме и симметрией решетки исследуемого материала (Н.Н.Качанов, Л.И.Миркин. Рентгеноструктурный анализ. М.: Машгиз, 1960, 216 с.).

Площадь сдвига s определяется для кристаллографических плоскостей (100), (110), (111) простой, гранецентрированной и объемно-центрированной кристаллических решеток из геометрических построений. В частности, для плоскости (100) s=а₀ ².

Максимальный угол сдвига определяется также из геометрических построений кристаллической решетки и составляет, в частности, для плоскости (100) гранецентрированной и объемно-центрированной кристаллических решеток γ=10°.

Результаты расчета тангенциальной составляющей предела упругости τ_max для монокристаллов некоторых металлов по формуле

,

где γ=10°;

а₀=2,8665·10^-10м - период кристаллической решетки железа Fe;

а₀=4,0853·10^-10м - период кристаллической решетки серебра Ag,

приведены в таблице.

Таблица
Наименование элемента	Величина τmax, МПа	Погрешность, %
расчетная	экспериментальная
Fe (ОЦК)	711	600	18,5
Ag (ГЦК)	172	160	7,5

Из таблицы видно, что результаты расчета дают удовлетворительную сходимость с результатами эксперимента (С.З.Бокштейн, С.Т.Кишкин, М.П.Назарова, И.Л.Светлов. Особенности упрочнения металлических и неметаллических нитевидных кристаллов. В кн.: Процессы диффузии, дефекты структуры и свойства металлов. Под ред. А.Т.Туманова. М.: Металлургия, 1972. С.222). Так, расчетное значение тангенциальной составляющей предела упругости серебра Ag составляет 172 МПа, а экспериментальное - 160 МПа, погрешность расчет - 7,5% (Бережкова Г.В. Нитевидные кристаллы. М.: Наука, 1969. 160 с.).

Нормальная составляющая предела упругости определяется из известных соотношений курса сопротивления материалов и металлофизики. В частности, для плоскости (100) или грани куба нормальная составляющая предела упругости равна тангенциальной σ_max=τ_max.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет снизить трудоемкость, дает возможность прогнозирования предела упругости монокристалла путем расчета по формуле.

Способ определения предела упругости нитевидных монокристаллов, отличающийся тем, что у образца измеряют период кристаллической решетки рентгеноструктурным методом, а затем по формуле

,

где е=1,6·10^-19, Кл - заряд электрона;

а₀ - период кристаллической решетки;

π=3,14; ε₀=8,85·10^-12 Кл²/Нм² - электрическая постоянная;

γ - максимальный угол сдвига;

s - площадь сдвига;

определяют тангенциальную составляющую предела упругости.