Способ определения параметров хрупкого разрушения и образец для его осуществления

 

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения и может быть использовано при определении уровня энергоемкости хрупкого разрушения. Суть изобретения заключается в установлении взаимосвязи уровня энергии, выделяемой при разрушении образца, максимальной величины амплитуды импульсов акустической эмиссии, возникающей при разрушении образца. Для испытания используют образец, выполненный в виде параллелепипеда, на его одной грани или двух противоположных гранях выполнены параллельные прорези перпендикулярно грани с равным шагом, а на перпендикулярных гранях параллельно ребру - ряд сквозных отверстий прямоугольной формы с равным шагом и надрезом со стороны прорезей. При испытании образец помещают в криокамеру и нагружают в середине каждой перемычки при температуре хрупкого разрушения. Регистрируют максимальную амплитуду импульсов акустической эмиссии и измеряют площадь хрупкой трещины, которые используют при определении уровня энергоемкости хрупкого разрушения. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к испытательной технике и используется для определения параметров хрупкого разрушения в металлургии и машиностроении.

Известно, что работу разрушения А материала можно определить при испытании на испытательных машинах по площади под диаграммой нагрузка-прогиб образцов с трещиной. Удельная работа разрушения: a A/S_о, где S_o площадь нетто сечения образца [1] Наиболее близким к изобретению является способ определения параметров хрупкого разрушения, заключающийся в том, что образец деформируют до разрушения в температурной области хрупкого разрушения материала образца и регистрируют амплитуду импульсов акустической эмиссии, которую используют при определении контролируемого параметра [2] Известен образец для определения параметров хрупкого разрушения, выполненный виде параллелепипеда с прорезями [3] К недостаткам известного способа следует отнести необходимость достаточно большого объема экспериментального материала (что не всегда возможно при определенной форме готового изделия, из которого необходимо вырезать образцы), кроме того, образцы, вырезанные из различных частей изделия, могут при испытаниях в идентичных условиях дать существенный разброс результатов из-за неоднородности материала, например вследствие ликвации.

Суть изобретения заключается в определении уровня энергоемкости хрупкого разрушения по максимальным значениям амплитуд сигналов акустической эмиссии, возникающих при деформировании образца, обеспечивающего возможность определения контролируемого параметра при заданной температуре хрупкого разрушения.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения параметров хрупкого разрушения, заключающемся в том, что образец деформируют до разрушения в температурной области хрупкого разрушения материала образца и регистрируют амплитуду сигналов акустической эмиссии, которую используют при определении контролируемого параметра, регистрируют максимальную амплитуду А_р импульса акустической эмиссии, возникающего при разрушении, и измеряют площадь S хрупкой трещины, а в качестве параметра хрупкого разрушения определяют уровень U энергоемкости по следующему соотношению U где с скорость вскрытия хрупкой трещины-порядка скорости звука в материале; k коэффициент, учитывающий потери в электроакустическом тракте.

В образце для определения параметров хрупкого разрушения, выполненном в виде параллелепипеда с прорезями, прорези выполнены на одной грани или двух противоположных гранях, на гранях, перпендикулярных граням с прорезями, выполнен параллельный ребру грани ряд сквозных отверстий прямоугольной формы с равным шагом и надрезом со стороны прорезей, а шаг В и глубина С прорезей, ширина L и шаг А отверстий, расстояние Т отверстий до ребра граней и глубина N надреза выбраны из соотношений: B 0,7 L; T 0,4 L; N 0,5 L; A > 2 L; C > T.

На фиг. 1 представлен образец, общий вид; на фиг. 2 установка для осуществления способа определения уровня энергоемкости хрупкого разрушения.

Установка содержит нагружающее устройство 1 (твердомер Роквелла ТК-2М), индентор 2, образец 3, термокамеру 4, пьезопреобразователь 5, широкополосный предварительный усилитель 6, регистратор пиковых амплитуд 7, самописец 8, потенциометр 10, сосуд Дьюара 11, насос 12 и механизм перемещения со столиком 13.

Испытание каждого из микрообразцов проводят следующим образом. Образец, помещенный в криокамеру, охлаждают (если это необходимо) до температуры хрупкого разрушения, затем к микрообразцу над надрезом прикладывается постоянная нагрузка. При вскрытии трещины формируется импульс акустической эмиссии, который регистрируется пьезопреобразователем, закрепленным на одном из торцов образца.

При нагружении образца трещина длиной L, развиваясь под напряжением σ со скоростью с параллельно линии надреза, разгружает за время τ 1/c объем V π S² /В (S-площадь трещины) с плотностью упругой энергии u, так что полная энергия упруго разгружаемого объема: U uV u πS²/B. Численное исследование задачи, где трещина моделируется как полость, на поверхности которой напряжения падают скачком до нуля показывает, что пиковая амплитуда АЭ пропорциональна выделяемой мощности kA_p U /τ (A_p пиковая амплитуда от вскрытия хрупкой трещины; k учитывает потери в электроакустическом тракте и определяется экспериментально по калибровке установки методом падения стального шарика: U/τ' mg (h₁ h₂₎/τ' kA_o; U работа, совершаемая шариком при падении на образец; τ' длительность возбуждаемого шариком импульса; m масса падающего с высоты h₁ шарика; h₂ высота отскока шарика; g ускорение свободного падения; А_о пиковая амплитуда АЭ возбуждаемая шариком) или: A_p πc u S/k (1) U (2) Следовательно, пиковая амплитуда акустической волны пропорциональна площади хрупкой трещины, а отношение А_р/S плотности упругой энергии при разгрузке материала.

Таким образом, способ обеспечивает возможность регистрации плотности упругой энергии при разгрузке материала.

П р и м е р. Сопоставлены три плавки (1, 2 и 3) стали марки типа 35ХНЗМФА, выплавленные из одной и той же шихты с различным содержанием молибдена, мас. 0,010; 0,25 и 0,50, соответственно, так что содержание охрупчивающих примесей было практически одинаково и составляло, мас. P 0,015-0,018; Sb 0,0009-0,0011; As 0,0040-0,0044; Sn 0,002-0,004.

Для испытания по описываемому способу один малый образец (половинка испытанного на ударную вязкость образца размером 10х10х25 мм) системой прорезей разделен (при сохранении целостности) на 60 (по 30 с двух противоположных сторон) идентичных микрообразцов, пригодных для независимых испытаний на изгиб по схеме балки на двух опорах с защемленными концами (фиг. 1). Для этого поперек образца просверлены с шагом 4,0 мм отверстия диаметром 2,0 мм, которые с одной (рабочей) стороны опилены до прямоугольных, а в середине их сделан (проволокой 0,2 мм) электроискровой надрез глубиной 0,1 мм и радиусом 0,1 мм. После этого сделаны пять продольных сквозных пропилов глубиной 0,1 мм с шагом 0,46 мм. Так весь образец был поделен на сегменты (перемычки) (фиг. 1) балочные образцы с зещемленными концами, рабочим сечением (1,36±0,03) х x(0,77±0,03) мм и длиной 2,0±0,03 мм с U-образным надрезом глубиной 0,1±0,02 мм и радиусом в месте надреза 0,10±0,01 мм.

При нагружении до постоянной нагрузки регистрировалась максимальная амплитуда сигнала акустической эмиссии, отражающая размер хрупкой трещины в пластически деформируемом объеме микрообразца 1,36 х 0,67 х 2,0 мм³. Однократная установка датчика АЭ позволила сравнивать абсолютные амплитуды сигналов при неизменных переходных потерях.

В качестве нагружающего устройства установки (фиг. 2) использован твердомер Роквелла ТК-2М 1; индентор 2 твердосплавная треугольная призма (возможно использование других типов инденторов). Термокамера 4 с двойными стенками из стали 20 толщиной 2 мм и теплоизоляцией из текстолита толщиной 10 мм располагается на предметном столике твердомера 13, перемещающемся по горизонтали с шагом 0,01 мм от микровинтов в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Для контроля температуры (с погрешностью ±5^оС) в торец образца 3 зачеканена медьконстантановая термопара 9 диаметром 0,3 мм, выведенная на потенциометр (10) ПП-63 на ПЭВМ. Необходимая рабочая температура среды поддерживалась прокачкой из сосуда Дьюара 11 паров азота насосом АПХ-4 12 и регулировалась величиной подаваемого на него напряжения.

При температуре хрупкого разрушения индентор вдавливали усилием 1,5 кН за 5-8 с по одному разу на каждом сегменте с одновременной регистрацией сигналов АЭ. Второй торец образца отполирован алмазной пастой (АСМ 2/1 НОМ СТ СЭВ 206-75) и на нем тарированным прижимом закреплен широкополосный демпфированный пьезопреобразователь 5 (керамика ЦТС-19, толщина 0,8 мм, диаметр 4 мм). Сигнал с него подавался через широкополосный (6 КГц 10 МГц) предварительный усилитель 6 (коэффициент усиления 30 дБ при нелинейности амплитудно-частотной характеристики ±3 дБ) на быстродействующий регистратор 7 пиковых амплитуд АЭ и записывался на самопищущем приборе 8 типа Н338-6П (в динамическом диапазоне 90 дБ). Значения амплитуд АЭ измерялись в дБ относительно средней амплитуды импульсов шума установки (измеренной в каждом испытании за 30 с и составляющей 30 мкВ по входу).

Для проверки соответствия между амплитудой сигнала АЭ и размером трещин после испытания сегменты вырезали из образца и после декодирования и долома при комнатной температуре промеряли хрупкую хону излома на сканирующем электронном микроскопе "S-150" при увеличении х50-800.

Фрактография изломов после сериальных микроиспытаний показала, что сигналу АЭ в 10-90 дБ над уровнем шума соответствует появление по всей ширине микрообразца хрупкой трещины площадью 0,04-0,35 мм².

Поэлементной проверкой воспроизводимости метода показано, что изменение расстояния до пьезодатчика в интервале R 6-20 мм вносит рассеяние амплитуд в пределах 2,5±0,4 дБ не более ошибки измерения от нелинейности амплитудно-частотной характеристики аппаратуры (±3 дБ) и им можно пренебречь; несоосность нагружения в пределах ±0,15 мм и разнотолщинность сегментов в пределах ±0,03 мм значимо не влияют на площадь образующихся хрупких трещин. При минус 196^оС плотность упругой энергии при разгрузке материала u (по 2) для плавок 1, 2 и 3 составила 4065, 5668 и 6737 Дж/м³, а KCU 0,10; 0,19 и 0,20 МДж/м² соответственно, отражая увеличение в 1,5-1,7 раза уровня энергоемкости хрупкого разрушения при смене его механизма от интеркристаллитного к транскристаллитному.

Формула изобретения

1. Способ определения параметров хрупкого разрушения, заключающийся в том, что образец деформируют до разрушения в температурной области хрупкого разрушения материала и регистрируют амплитуду импульсов акустической эмиссии, которую используют при определении контролируемого параметра, отличающийся тем, что регистрируют максимальную амплитуду A_р импульса акустической эмиссии и измеряют площадь S хрупкой трещины, а в качестве параметра хрупкого разрушения определяют уровень U энергоемкости по соотношению

где C - скорость вскрытия хрупкой трещины-порядка скорости звука в материале;
K - коэффициент, учитывающий потери в электроакустическом тракте.

2. Образец для определения параметров хрупкого разрушения, выполненный в виде параллелепипеда с прорезями, отличающийся тем, что прорези выполнены на одной грани или на двух противоположных гранях параллельными с одинаковым шагом перпендикулярно грани, на гранях, перпендикулярных граням с прорезями, выполнен параллельный ребру грани ряд сквозных отверстий прямоугольной формы с равным шагом и надрезом со стороны прорезей, а ширина L и шаг A отверстий, расстояние T отверстий до ребра граней, шаг B и глубина C прорезей и глубина N надреза выбраны из соотношений: B = 0,7L, T = 0,4 L, N = 0,5L, A ≥ 2L, C > T.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2