Способ механических испытаний на трещиностойкость металлического материала

 

Изобретение направлено на расширение области применения за счет возможности испытания монокристаллов тугоплавких материалов и повышения информативности за счет возможности учета воздействия высоких температур. Способ заключается в следующем. Испытанию подвергают два одинаковых образца эталонный и контролируемый. Эталонный образец подвергают нагружению при температуре T₁ и определяют соответствующее началу разрушения напряжение σ_к в материале образца, испытуемый образец подвергают последовательному воздействию нагружения при температуре T₁ до напряжения σ_и , определяемого из соотношения σ_и=/0,7-0,9/σ_с в материале образца, разгружению, нагреву до заданной температуры T₂ и нагружению до разрушения, в качестве параметра, по которому судят о трещиностойкости выбирают количество трещин на изломе материала образца, а температуры T₁ и T₂ определяют из условий T₁≥ 0,9 T_хн и T₂≥ T_хн соответственно, где T_хн - нижняя граница температуры хрупковязкого перехода исследуемого материала. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к механическим испытаниям, может быть использовано для определения характеристик трещиностойкости монокристаллов тугоплавких материалов при температурах выше нижней границы хрупковязкого перехода.

Известен способ испытания материалов на трещиностойкость, включающий операции нагружения образца с надрезом и с наведенной из вершины надреза трещиной, регистрации диаграммы деформирования и определения моментов страгивания трещины, по которым определяют трещиностойкость исследуемого материала [1].

Описанный способ позволяет определять моменты страгивания трещины. Однако он не позволяет определить параметры трещиностойкости материала, в котором трещина возникает, не как следствие механического воздействия на поверхность изделия, а например, вследствие возникновения и слияния несплошности при появлении пластичности в материале, то есть не позволяет оценить трещиностойкость материала, в котором трещина возникает и развивается, например, внутри рабочей части испытуемого образца, а не снаружи. Поэтому описанный способ недостаточно информа- тивен.

Наиболее близким к предполагаемому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ механических испытаний на трещиностойкость металлического материала, по которому эталонный и испытуемый образцы из исследуемого материала подвергают одноосному нагружению до разрушения и определяют параметр, по которому судят о трещиностойкости металлического материала [2]. Указанный способ позволяет контролировать поврежденность материала средствами акустической эмиссии.

Однако описанный способ, практически не осуществим при исследовании образцов из монокристаллов тугоплавких материалов, в частности вольфрама. Это обусловлено высокими (до 2500^оС) температурами испытаний и применением малогабаритных образцов (диаметром до 4 мм и длиной до 20 мм). Кроме того, описанный способ имеет недостаточную информативность, поскольку не позволяет оценить трещиностойкость исследуемого материала в указанных выше условиях.

Цель изобретения - расширение области применения за счет возможности испытания монокристаллов тугоплавких материалов и повышение информативности за счет возможности учета воздействия высоких температур.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе механических испытаний на трещиностойкость металлического материала, по которому эталонный и испытуемый образцы из исследуемого материала подвергают одноосному нагружению до разрушения и определяют параметр, по которому судят о трещиностойкости металлического материала.

Согласно изобретению эталонный образец подвергают нагружению при температуре Т₁ и определяют соответствующее началу разрушения напряжение σ_к в материале образца, испытуемый образец подвергают последовательному воздействию нагружения при температуре Т₁ до напряжения σ_и, определяемого из соотношения σ_и=(0,7--0,9) σ_к в материале образца, разгружению, нагреву до заданной температуры Т₂ и нагружению до разрушения, в качестве параметра, по которому судят о трещиностойкости выбирают количество трещин на изломе материала образца а температуры Т₁ и Т₂ определяют из условий Т₁ ≥0,9 Т_хн и Т₂ ≥Т_хн соответственно, где Т_хн - нижняя граница температуры хрупко-вязкого перехода исследуемого материала.

Первый этап нагружения контролируемого образца позволяет инициировать исходную трещину, которая возникает в результате слияния ансамбля микротрещин при температуре Т₁ и напряжениях σ_и=(0,7-0,9) σ_к .

Применение растрового электронного микроскопа к исследованию изломов открывает широкие возможности для надежного определения источника разрушения при температурах ниже Т_хн (нижняя граница хрупко-вязкого перехода). Положение Т_хн - для данного вида испытаний определяется как температура нулевой пластичности. Размер зародышевой трещины непрерывно увеличивается, достигая 1,2 мм при 400^оС (Т_хн). При температуре выше 400^оС в изломе наблюдается несколько зародышевых трещин, что затрудняет выбор и замер трещины, которая является критической для данного образца при данной температуре.

Кроме того, при Т>Т_хн появляются признаки вязкого разрушения, что также затрудняет замер трещины критической длины. Выше Т_хн (500^оС) по данным фрактографии исчезают признаки разрушения сколом.

Разрушение эталонного образца необходимо для того, чтобы определить тип кривой деформирования образцов данного типа при равных условиях нагружения.

Исследуемый образец нагружают до σ_и=(0,7-0,9) σ_к для того, чтобы навести трещину заданного размера, который заведомо меньше критического. После разрушения образца поверхность излома исследуется в растровом электронном микроскопе.

Критический коэффициент интенсивности напряжений К_1с, согласно представлениям линейной механики разрушения определяется как: K_1c= , где σ_к - разрушающее напряжение; С - длина исходной трещины (наведенной).

Авторами экспериментально установлено следующее. При нагружении образцов из монокристаллов тугоплавких материалов в условиях одноосного растяжения при температурах Т₁<0,9 Т_хн возникновение ансамбля трещин не отмечено вплоть до разрушения образца. При Т₁≥0,9 Т_хн и напряжениях в образце σ*< 0,7σ_к ансамбля трещин при помощи растрового электронного микроскопа также не зарегистрировано. Предварительное нагружение контролируемого образца для инициирования исходной трещины при температуре Т₁ до напряжений свыше σ*≥(0,7. . . 0,9) σ_к лишено смысла, поскольку технически сложно ограничить воздействие на образец в таких условиях энергии, накопленной в испытательной установке, что может привести к его разрушению.

На фиг.1 показана диаграмма деформирования эталонного образца при температуре Т₁; на фиг. 2 - этап предварительного нагружения контролируемого образца при температуре Т; на фиг.3 - диаграмма деформирования контролируемого образца при температуре Т₂>Т₁≥Т_хн.

П р и м е р: Эксперименты проводили с образцами по традиционной методике (ГОСТ 25.506-85), т.е. с наведением исходной трещины и последующем статическом нагружении при заданной температуре Т₂ = = 500^оС, а также по предлагаемой методике. Для этого испытаниям подвергали цилиндрические образцы диаметром 4 мм и длиной рабочей части 20 мм из поликристаллического молибдена марки МТ. При этом одну серию образцов испытывали на одноосное растяжение при температуре Т₁=(0,9...1.1) Т_хн = 300...500^оС при мягком режиме нагружения до разрушения образца, регистрировали диаграмму деформирования для каждого образца и определяли значение сопротивления разрушению σ_к=600 МПа для образцов (см.фиг.1). Поверхность изломов исследовали в растровом электронном микроскопе JSM-U3. Затем подвергали испытаниям серию контролируемых образцов. При этом предварительно их нагревали до температуры Т₁, нагружали до напряжений σ*=(0,5...0,95) σ_к и разрушали. Последующее нагружение образцов осуществляли при заданном уровне температур Т₂≥Т_хн, Т₂ = 1000^оС (фиг.2).

По сравнению с прототипом предлагаемое решение позволяет повысить информативность испытаний на определение трещиностойкости монокристаллов тугоплавких материалов при заданном уровне температур. По сравнению с традиционным методом (ГОСТ 25.506-85), предлагаемый метод корректен - погрешность при определении К_1с составляет не более 3%, но его можно применять для определения трещиностойкости на малогабаритных образцах, изготовленных из монокристаллов тугоплавких материалов практически любой ориентации.

Формула изобретения

СПОСОБ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ НА ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА, по которому эталонный и испытуемый образцы из исследуемого материала подвергают одноосному нагружению до разрушения и определяют параметр, по которому судят о трещиностойкости металлического материала, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения за счет возможности испытания монокристаллов тугоплавких материалов и повышения информативности за счет возможности учета воздействия высоких температур, эталонный образец подвергают нагружению при температуре Т₁ и определяют соответствующее началу разрушения напряжение σ_к в материале образца, испытуемый образец подвергают последовательному воздействию нагружения при температуре T₁ до напряжения σ_и , определяемого из соотношения σ_и = (0,7-0,9) σ_к в материале образца, разгружению, нагреву до заданной температуры T₂ и нагружению до разрушения, в качестве параметра, по которому судят о трещиностойкости, выбирают количество трещин на изломе материала образца, а температуры T₁ и T₂ определяют из условий T₁ ≥ 0,9T_хн и T₂ ≥ T_хн соответственно, где T_хн - нижняя граница температуры хрупковязкого перехода исследуемого материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5