СПОСОБ ОЦЕНКИ ФОРМОУСТОЙЧИВОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА, РАБОТАЮЩЕГО ПРИ ТЕПЛОВЫХ НАГРУЗКАХ Российский патент 1997 года по МПК G01N3/18 

Изобретение относится к испытательной технике, к испытаниям спиралей термофиксацией.

Известен способ оценки формоустойчивости материалов путем испытания образцов до и после термического воздействия и оценки формоустойчивости по степени соответствия этих данных требованиям качества точности детали из этого материала [1]
Недостатком способа является большая трудоемкость, малая точность и информативность, т.к. как правило исследования проводятся при температуре, являющейся критической для данной детали.

Наиболее близким к предложенному является способ контроля структурной нестабильности проволоки [2] Проволоку циклически нагревают и охлаждают в интервале от температуры охрупчивания до температуры термического разупрочнения, определяют временное сопротивление разрыву и по его отклонению от исходного судят о наличии и величине структурной нестабильности.

Недостатком способа является то, что ни температурный интервал, ни характеристика, определяемая этим способом не могут быть использованы для прогнозирования формоустойчивости, так как стабильность размеров материалов может быть достигнута при наличии двух взаимоисключающих состояний: полного устранения макронапряжений и сохранения сопротивления пластическим деформациям.

Техническим результатом предложения является определение пригодности материала формоустойчивого не только во времени или под нагрузкой, но и под влиянием высоких температур.

Указанный результат достигается за счет того, что в способе оценки формоустойчивости металлического материала, работающего при тепловых нагрузках, при котором образцы исследуемого материала подвергают термическому воздействию, определяют пределы прочности до и после воздействия температуры и оценивают формоустойчивость, отличающийся тем, что температурное воздействие осуществляют путем отжига через определенные интервалы при температурах, лежащих в диапазоне от температуры снятия напряжений до температуры 0,5-0,8 температуры его плавления, определяют пределы прочности для образцов, подвергнутых отжигу в определенных интервалах, а формоустойчивость оценивают по наличию зоны разупрочнения, в которой падение значения предела прочности не менее 0,2-0,3 исходного значения, но не ниже величины запаса упругой деформативности материала.

Способ также отличается тем, что отжиг проводят с интервалом температур 30-50^oC и длительностью выдержки 15-30 мин, температуру отжига при этом воздействии на внутреннеокисленные медные сплавы выбирают от 700 до 1000^oC, а зону разупрочнения ограничивают условиями: падение значений пределов прочности не менее 0,25-0,28 от исходного состояния, но не ниже 50 кг/мм². Температуру отжига при воздействии на молибден и его сплавы выбирают от 900 до 1300^oC, а зону разупрочнения ограничивают условиями: падение значений пределов прочности не менее 0,20-0,25 от исходного состояния, но не ниже 60 кг/мм².

На фиг. 1 представлены кривые зависимости пределов прочности от температуры отжига для материала внутреннеокисленной меди системы Cu-Al-Hf-Ti(МАГТ) трех партий; на фиг. 2 аналогичные кривые для трех марок молибдена: чистый молибден, легированный кремнием и железом и легированный цирконием и титаном.

Способ осуществляется следующим образом.

От испытуемого материала отбирают образцы в виде отрезков проволоки или ленты, которые затем отжигают через определенные интервалы при температурах, лежащих в диапазоне от температуры снятия напряжения до температуры, которая меньшей температуры плавления, а именно 0,5-0,88 ее значения. Температуру снятия напряжения определяют по известным методикам, например, рентгеновским методом, а температуру плавления по литературным данным. Интервал значений 0,5-0,83 температуры плавления определен экспериментально. Образцы затем охлаждают в той же среде до комнатной температуры, испытывают на растяжение, фиксируют значения разрывного усилия и по нему рассчитывают величину предела прочности каждого образца после термообработки. Аналогично испытывают материал в исходном состоянии.

По полученным результатам снимают зависимости предела прочности от температуры отжига (например, строят график). Предварительно определяют уровень предела прочности, при котором доля пластической деформации составляет не менее 0,4-0,6 от суммарной деформации, называемый запасом упругой деформативности. Значения 0,4-0,6 определили экспериментально.

Определяют зону разупрочнения материала, для которой выполняются два условия: во-первых, значение предела прочности для точек, лежащих в этой зоне, должно быть не ниже запаса упругой деформативности; во-вторых, разница значений предела прочности в исходном состоянии и хотя бы в одной точке зоны разупрочнения должна составлять не менее 25-28% что определили экспериментально и подтвердили в процессе эксплуатации приборов с элементами из отобранных материалов.

При наличии такой зоны исследуемый материал пригоден для изготовления формоустойчивых деталей термофиксацией, в том числе и сплавы, не имеющие фазовых и структурных превращений, например сплавы меди, упрочненные внутренним окислением.

Пример 1. Выбор материала для изготовления высокоточных спиралей для линий замедления в лампах бегущей волны. Исследуемый материал сплавы системы Cu-Al-Hf-Ti (авт. св. СССР N 657076, кл. C 22 C 9/01 "Сплав на основе меди").

Контролировали три партии сплавов системы Cu-Al-Hf-Ti с содержанием легирующих элементов 0,2 мас. в виде микроленты, сечением 0,16х0,25 мм. От каждой бухты отбирали по 7 отрезков длиной 260 мм, отрезки соответствующим образом маркировали. По одному отрезку от каждой партии оставляли в исходном состоянии, остальные комплектовали в связки по три отрезка (по одному от каждой бухты), каждую связку помещали в лодочку и отжигали при температурах от 700 до 950^oC с интервалами через каждые 50^oC с выдержкой 15 мин в атмосфере водорода в печи непрерывного действия (толкательная печь). Выбранные температуры соответствуют: нижнее значение 700^oC температуре снятия напряжения указанного сплава, что подтверждено рентгеновскими исследованиями, верхнее 0,8 от температуры плавления 1088^oC.

Отрезки в исходном состоянии и после отжига испытывали на растяжение на разрывной машине P-0,5 до разрушения. По фиксированному значению усилия разрушения вычисляли предел прочности (фиг. 1).

Из исследуемой проволоки навивали спирали на молибденовый стержень и отжигали в том же температурном интервале, что и отрезки проволоки. После воздействия температур спирали снимали со стержня и производили замер шага витков с помощью автоматической лазерной установки. Полученные результаты замера сравнивали с требованиями чертежа на шаг спирали. Были получены положительные результаты для партии N 1 после отжига при температурах 800^oC, 850^oC, 900^oC, 950^oC, для партии N 2 соответственно 850^oC, 900^oC, 950^oC, для партии N 3 спирали, полученные термофиксацией, не соответствовали требованиям чертежа.

Сопоставляя полученные данные с графиками фиг. 1, получили первую граничную точку для зоны разупрочнения: падение предела прочности от исходного состояния должно составлять не менее 0,20-0,26.

Вторую граничную точку получили из условия сохранения предела прочности на уровне 50 кг/мм². Многочисленные эксперименты подтвердили правильность выбранного значения.

В общем виде это условие может быть выражено следующим образом. По известной методике (Черняк М.И. Крепление замедляющих системы ЛБВ деформацией металлической оболочки. Часть III. Крепление упруго-пластической деформацией. Электронная техника, серия 1, Электроника СВЧ, 1969, N 6, с. 75), определили долю пластической деформации для диаграммы усилие-деформация для случая σ 50 кг/мм² и установили, что доля пластической деформации для партии N 1 составила 0,57, для партии N 2 0,60.

Получив граничные условия для зоны разупрочнения, определили эти зоны для каждой партии.

Если отсутствовало хотя бы одно условие для определения зоны разупрочнения, материал признавали негодным для изготовления спиралей.

В таблице приведены параметры зоны разупрочнения для каждой партии и результаты оценки формоустойчивости внутреннеокисленных медных сплавов.

Вывод:
1. Зафиксировали 100% -ную корреляцию между оценкой трех партий сплава Cu-Al-Hf-Ti и результатом контроля формоустойчивости изготовленных из них спиралей.

2. В процессе эксплуатации спиралей из исследуемого материала при температурах 600-700^oC оценка формоустойчивости получила подтверждение.

Пример 2. Испытывали проволоку диаметром 0,5 мм из сплава содержащего 0,4 мас. легирующих элементов /партия N 4/.

Обор проб, их отжиг и испытание проводили аналогично примеру N 1. Получили контрольные точки: предел прочности в исходном состоянии 65 кг/мм², после отжига при 700^oC 55 кг/мм², после отжига при более высоких температурах зафиксированы значения предела прочности ниже 50 кг/мм². Разность значений предела прочности в контрольных точках составила 16% Партию N 4 признали непригодной для изготовления формоустойчивых деталей. Спирали из испытуемой проволоки не соответствовали требованиям чертежа на размер шага и диаметра.

Пример 3. Оценка формоустойчивости молибдена.

Испытанию подвергалась проволока диаметром 0,5 мм. Предварительный выбор критериев оценки граничных точек зоны разупрочнения провели аналогично примеру 1. Получили следующие условия для молибдена и его сплавов: разница пределов прочности от исходного состояния до зоны разупрочнения должна быть не менее 0,20-0,25, уровень предела прочности в зоне разупрочнения не должен падать ниже 60 кг/мм², при этом доля пластической деформации от суммарной должна составлять 0,41-0,47.

Отбор проб, их подготовку, отжиг и испытание проводили аналогично примеру 1. После снятия характеристик делали вывод: для молибдена марки МЧ (кривая 1 на фиг. 2) зона разупрочнения лежит в интервале 900-1150^oC; для молибдена марки МК (молибден легированный железом и кремнием) кривая 2 на фиг. 2, зона разупрочнения лежит в интервале 900-1000^oC; для молибдена марки МЗП (молибден, легированный титаном и цирконием) зона разупрочнения не выявлена.

Проверили формоустойчивость спиралей, навитых из проволоки молибдена трех марок, после отжига при 1100^oC в атмосфере водорода. Допуск на размер диаметра спирали по чертежу минус 0,30% от номинала. Получили отклонение для марки МЧ: от нуля до -0,24, для марки МК: N 1,23-7,66, для марки МЗП: +0,24
+0,96.

Приведенные примеры демонстрируют неочевидность поведения металлических материалов. Так, молибденовые сплавы, специально легированные для повышения прочностных свойств (МК) или температуры рекристаллизации (МЗП), не имеют преимуществ перед чистым молибденом.

Технико-экономический эффект способа заключается в том, что он с высокой точностью анализирует свойства материала, от которых зависит формоустойчивость металлов, работающих при высоких температурах, и открывает возможность применения материалов, которые казалось бы непригодны не только для этого, а даже для изготовления их них деталей термофиксацией.

Область использования: в испытательной технике, при оценке формоустойчивости материалов, работающих при тепловых нагрузках. Сущность: образцы материала подвергают воздействию температуры. Воздействие осуществляют путем отжига от температуры снятия напряжений до 0,8 температуры его плавления, фиксируют пределы прочности и о пригодности судят по наличию зоны разупрочнения, в которой падение предела прочности не менее 0,2-0,3 от исходного состояния, но не ниже величины запаса упругой деформативности. Отжиг проводят с интервалами температур 30-50^oC и длительностью выдержки 15-20 минут. Кроме того, температуру отжига на внутреокисленные медные сплавы выбирают от 700 до 1000^oC, а зону разупрочнения ограничивают условиями: падение значений пределов прочности не менее 0,25-0,28 от исходного состояния, но не ниже 50 кг/мм². Дополнительно температуру отжига при воздействии на молибден и его сплавы выбирают от 900 до 1300^oC, а зону разупрочнения ограничивают условиями: падение значений пределов прочности не менее 0,20-0,25 от исходного состояния, но не ниже 60 кг/мм². 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ оценки формоустойчивости металлического материала, работающего при тепловых нагрузках, заключающийся в том, что образцы материала подвергают термическому воздействию, определяют пределы прочности до и после этого воздействия и оценивают формоустойчивость, отличающийся тем, что температуры термического воздействия на каждый образец отличаются друг от друга на определенный температурный интервал, а весь диапазон температур лежит в пределах от температуры снятия напряжений до 0,8 температуры плавления материала, фиксацию пределов прочности осуществляют во всех температурных интервалах, а формоустойчивость оценивают по наличию зоны разупрочнения, в которой падение значения предела прочности не менее 0,2 0,3 исходного состояния, но не ниже величины запаса упругой деформативности материала. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отжиг проводят с интервалом 30 - 50^oС и длительностью выдержки 15 30 мин. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру отжига при воздействии на внутреннеокисленные медные сплавы выбирают 700 1000^oС, а зону разупрочнения ограничивают условиями падения значений пределов прочности не менее 0,25 0,28 исходного состояния, но не ниже 50 кг/мм². 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру отжига при воздействии на молибден и его сплавы выбирают 900 1300^oС, а зону разупрочнения ограничивают условиями падения значений пределов прочности не менее 0,20 0,25 исходного состояния, но не ниже 60 кг/мм².