СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ХРУПКОМ РАЗРУШЕНИИ В ИСПЫТАНИЯХ НА УДАРНЫЙ ИЗГИБ Российский патент 2001 года по МПК G01N3/34 G01N3/40 G01N3/42 

Изобретение относится к области испытания материалов, исследованию материалов механическими способами и, в частности, методу испытания металлов и сплавов на ударный изгиб при пониженных, комнатных и повышенных температурах.

Оно может быть использовано в машиностроительной и металлургической промышленности при контроле качества металлоизделий, при оценке работоспособности материалов, при прогнозировании эксплуатационной надежности деталей машин и агрегатов ответственного назначения: полых изделий и сосудов, работающих под высоким давлением, гребных валов кораблей, валов роторов турбогенераторов, турбин и т.п.

Предшествующий уровень техники
Известен способ оценки пластических (вязких) свойств металлов (смотри, например, ГОСТ 9454-78, Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах), заключающийся в том, что испытуемый образец устанавливают на опоры наковальни маятникового копра и разрушают одним ударом маятника. В результате испытания определяют (по таблицам или рассчитывают) полную работу, затраченную при ударе - работу удара или ударную вязкость. Под ударной вязкостью понимают работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца. Других оценок результатов испытаний известный способ не содержит.

Однако, полная работа удара состоит из нескольких слагаемых: 1) работа на упругую деформацию частей копра и образца, 2) работа на пластическую деформацию при внедрении бойка маятника в образец, 3) работа на расклинивание образца бойком, происходящее в условиях сжимающих напряжений, 4) работа на изгиб образца между двумя опорами копра, происходящий в условиях растягивающих напряжений, и 5) работа на деформацию отрывом, происходящую после появления трещины разрушения. Известный способ, в котором определяют интегральную характеристику - полную работу, затраченную при ударе, не дает возможности определить пластическую составляющую деформации, особенно, при хрупком разрушении в испытаниях на ударный изгиб.

Количественное представление о доле вязкой составляющей в изломе дает соотношение площадей участков вязкого и хрупкого разрушения на испытанном образце (смотри, например, Metals Test Methods and Analitical Procedures, vol. 03.01. Standards of the E-23 Committy. Annual Book of ASTM Standarrds, 1989, p. 209). Образец подвергают ударному изгибу и после испытания определяют характер излома, который может меняться от вязкого (разрушение произошло путем среза) до кристаллического (разрушение произошло путем скола). Затем определяют процентное соотношение площадей упомянутых выше участков с градацией через 10% в соответствии с прилагаемой шкалой изломов (фиг. 15) цитируемого источника, что и является количественной характеристикой типа излома.

Однако, в результате испытания образца и обработки результатов по известному способу не удается определить пластическую составляющую деформации при хрупком разрушении в испытаниях на ударный изгиб, когда участок разрушения сколом занимает 100% площади испытанного излома образца.

Известен еще один способ испытаний на ударный изгиб (смотри, например, ГОСТ 4543-71, Приложение 3), в котором определяют процент вязкой составляющей в изломе ударного образца. Процент вязкой составляющей в изломе рассчитывают как разницу всей площади излома (100%) за вычетом части площади излома, занимаемой хрупкой составляющей в процентах, рассчитываемых по ее двум размерам с помощью таблиц. Процентом вязкой составляющей в изломе ударного образца характеризуют сопротивление стали хрупкому разрушению.

Однако, в результате испытания образца и обработки результатов по вышеизложенному известному способу нельзя определить пластическую составляющую деформации ударного образца, особенно при хрупком разрушении в испытаниях на ударный изгиб, когда доля вязкой составляющей в изломе равна 0% от всей площади излома образца.

Согласно другому способу определения доли вязкой составляющей в изломе стального образца, испытанного на ударную вязкость (смотри, например, Маслюк В. М. , журнал "Заводская лаборатория", 1978, N 1, с. 1383), величины зон волокнистого и хрупкого изломов оценивают не по занимаемой площади, а по размерам зон косого и прямых изломов (в области около надреза и около долома).

Однако, размеры зон с различным характером изломов позволяют рассчитать только общую долю волокнистой части излома. Т.е. вышеизложенный известный способ не дает возможности определить пластическую составляющую деформации при хрупком разрушении в испытаниях на ударный изгиб, когда размеры перечисленных зон равны нулю или находятся в пределах ошибки их измерений, и доля волокнистой составляющей в изломе также равна 0%.

В том случае, когда все же необходимо получить представление о пластической деформации, имевшей место в образце при ударном испытании, экспериментально выявляют зону деформированного объема (смотри, например, Погодин-Алексеев Г. И. , Динамическая прочность и хрупкость металлов, Машиностроение, М. , 1966, с. 39). Количественные данные о пластической деформации образца получают путем измерения стрелы прогиба образца (с. 64, в том же источнике) и угла остаточного изгиба разрушенного образца. Испытуемый образец помещают на две опоры наковальни испытательной машины и изгибают бойком. При этом перемещение образца, происходящее в процессе изгиба, измеряют с помощью датчика, установленного между опорами и контактирующего с образцом.

Однако, угол изгиба образца, достигнутый перед разрушением, является интегральной характеристикой, включающей в себя пластическую деформацию образца до появления трещины и остаточную деформацию образца, происходящую при развитии трещины. Т. е. известный способ, в котором определяют угол изгиба образца, не дает возможности определить пластическую составляющую деформации при хрупком разрушении в испытаниях на ударный изгиб, когда угол остаточного изгиба образца равен нулю.

Известен способ определения ударной вязкости металла (смотри, например, Авт. св. СССР N 1559267, G 01 N 3/30), заключающийся в том, что нагружают изгибающим ударом образцы с надрезом, измеряют остаточный угол загиба каждого образца и поглощенную энергию, находят зависимость поглощенной энергии от остаточного угла загиба, по которой судят об ударной вязкости материала, а ее величину определяют экстраполяцией зависимости поглощенной энергии от остаточного угла загиба на значение, соответствующее нулю остаточного угла загиба.

Однако, позволяя судить об ударной вязкости материала при нулевом значении угла остаточного загиба, вышеизложенный известный способ не дает возможности определить пластическую составляющую деформации при хрупком разрушении в испытаниях на ударный изгиб (когда угол остаточного загиба равен нулю).

Известен прибор для определения момента появления трещины при испытаниях на механическую прочность (смотри, например, патент США N 4,677,855 от 07.7.1987, кл. 73/799, МПК G 01 N 19/00). Образец из ферромагнитного материала, снабженный надрезом для концентрации напряжений, устанавливают на двух опорах. По обе стороны надреза размещают магнитные датчики, соединенные с регистрирующей аппаратурой. После этого образец подвергают изгибу и по изменению магнитных характеристик системы "образец-датчик" фиксируют момент зарождения трещины в образце.

Однако, магнитный датчик расположен со стороны надреза образца и фиксирует изменения, которые происходят только с одной стороны образца и не реагирует на изменения, происходящие в результате пластической деформации в образце со стороны бойка. Способов пересчета временных характеристик момента зарождения трещины на деформационные параметры для вышеизложенного известного устройства не имеется. Т.е. известное устройство не дает возможности определить пластическую составляющую деформации при хрупком разрушении в испытаниях на ударный изгиб.

Таким образом, ни один из существующих известных способов испытания на ударный изгиб не дает возможности определить пластическую составляющую деформации при хрупком разрушении в испытаниях на ударный изгиб.

Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание способа определения пластической составляющей деформации при хрупком разрушении в испытаниях на ударный изгиб.

Эта задача решается тем, что способ определения пластической составляющей деформации при хрупком разрушении в испытаниях на ударный изгиб, согласно изобретению, заключается в том, что для выбранных геометрических размеров образца, наковальни и бойка маятника копра строят поле линий скольжения, определяют по полю линий скольжения ширину и высоту жесткой зоны, после чего устанавливают образец на опоры наковальни и деформируют бойком маятника копра, затем измеряют действительную ширину контактной площадки и высотный размер ступеньки на изломе образца, по которым рассчитывают глубину внедрения в образец жесткой зоны как разность между действительной шириной контактной площадки и шириной жесткой зоны, деленную на тангенс половины угла бойка маятника, и рассчитывают пластическую составляющую деформации образца как разность между высотным размером ступеньки на изломе образца и высотой жесткой зоны.

Это дает возможность определить пластическую составляющую деформации при хрупком разрушении в испытаниях на ударный изгиб.

В дальнейшем патентуемый способ определения пластической составляющей деформации при хрупком разрушении в испытаниях на ударный изгиб поясняется конкретным примером его осуществления и прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг. 1 схематично изображает поле линий скольжения при ударном изгибе бойком образца выбранных размеров (в большем масштабе показана жесткая зона для двух типов граничных условий трения: τ = K, где K - пластическая постоянная испытуемого материала и τ = 0 ), согласно изобретению;
фиг. 2 изображает фотографию грани образца, деформированной бойком маятника копра, после испытания, согласно изобретению;
фиг. 3 изображает фотографию излома образца после испытания, согласно изобретению;
фиг. 4 схематично изображает развитие деформаций в испытуемом образце до его разрушения путем сдвига, согласно изобретению;
фиг. 5 схематично изображает развитие деформаций в испытуемом образце до его разрушения путем отрыва, согласно изобретению.

Лучший вариант осуществления изобретения
Патентуемый способ определения пластической составляющей деформации при хрупком разрушении в испытаниях на ударный изгиб осуществляют следующим образом.

Для выбранных геометрических размеров a и b испытуемого образца 1 (фиг. 1) и размеров c наковальни 2 и d бойка 3 маятника копра строят поле линий скольжения. По построенному полю 4 линий скольжения (фиг. 1) определяют ширину α и высоту β жесткой зоны 5. После этого образец 1 устанавливают на опорах наковальни 2 и деформируют ударом бойка 3 мятника копра. После испытания образца 1 измеряют действительную ширину α′ (фиг. 2) контактной площадки 6 и высотный размер h (фиг. 3) ступеньки 7 на изломе образца 1. В случае разрушения испытуемого образца 1 путем сдвига (фиг. 4), развитие деформаций приводит к образованию контактной площадки 6 шириной и ступеньки 7 на изломе с высотным размером h_п (т.е. h = h_п). В случае разрушения испытуемого образца 1 путем отрыва (фиг. 5), развитие деформаций приводит к образованию контактной площадки 6 шириной и ступеньки 7 на изломе с высотным размером h_х (т.е. h = h_х). По полученным данным рассчитывают глубину γ (в случае разрушения образца 1 путем сдвига, фиг. 4) или глубину ξ (в случае разрушения образца 1 путем отрыва, фиг. 5) внедрения в образец 1 жесткой зоны 5 как разность между действительной шириной контактной площадки 6 и шириной жесткой зоны 5, деленную на тангенс половины угла Φ бойка 3 маятника копра , и рассчитывают пластическую составляющую δ деформации образца 1 как разность между высотным размером h (h = h_п или h = h_х) ступеньки 7 на изломе образца 1 и высотой β жесткой зоны 5 [δ = (h-β)].
Патентуемый способ определения пластической составляющей деформации при хрупком разрушении применим в испытаниях на ударный изгиб образцов всех рекомендуемых стандартами типов: с U-образным надрезом, с V-образным надрезом, без надреза, а также с концентратором вида T (с усталостной трещиной).

Пример.

Из высокопрочного чугуна (хим. состав C - 3,60...3,65%, Si - 2,50... 2,60%, Mn - 0,25...0,30%, S и P - по 0,01% max, Ni - 0,03% max, Mg - 0,04... 0,06%) изготовили образец размерами 10х10х55 мм без надреза для испытания ударным изгибом при -60^oC (чтобы заведомо получить хрупкое разрушение) на маятниковом копре фирмы "Satec". Расстояние между опорами наковальни 40 мм, угол бойка маятника 30^o, ширина рабочей поверхности бойка 4 мм. По выбранным размерам образца и бойка построили поле линий скольжения. По построенному полю линий скольжения определили ширину - 4 мм и высоту - 2 мм жесткой зоны (т. е. α составила 4 мм, β составила 2 мм). После этого образец, охлажденный до -60^oC, установили на опорах наковальни и продеформировали ударом бойка маятника копра. В результате ударного изгиба образец разрушился путем отрыва, т.е. хрупко. Излом образца носил кристаллический характер по всей площади, т.е. доля волокнистой составляющей в изломе равна 0%. Далее на испытанном образце измерили действительную ширину контактной площадки - 4,25 мм и высотный размер ступеньки на изломе образца - 2,5 мм (т.е. для случая разрушения образца с отсутствием вязкой составляющей в его изломе составила 4,25 мм, h = h_х составила 2,5 мм). По полученным данным рассчитали глубину ξ внедрения в образец жесткой зоны и пластическую составляющую δ деформации образца: ξ = (4,25-4,00)/tg(30^o/2) = 0,67 мм, δ = 2,5-2,0 = 0,5 мм. Т. е. пластическая деформация составила около 75% от глубины внедрения жесткой зоны в образец при ударе бойком мятника копра.

Таким образом, заявленный способ определения пластической составляющей деформации при хрупком разрушении в испытаниях на ударный изгиб дает возможность по ширине и высоте жесткой зоны в построенном поле линий скольжения в испытуемом образце и по результатам измерения действительной ширины контактной площадки и высотному размеру ступеньки на изломе испытанного образца определить пластическую составляющую деформации.

Применение заявленного способа определения пластической составляющей деформации при хрупком разрушении в испытаниях на ударный изгиб позволяет количественно оценить деформируемость материала перед его хрупким разрушением и на этой основе прогнозировать эксплуатационную надежность деталей машин и агрегатов.

Промышленная применимость
Заявленный способ определения пластической составляющей деформации при хрупком разрушении в испытаниях на ударный изгиб дает возможность сделать объективное заключение о работоспособности испытуемого материала даже в том случае, когда при ударных испытаниях образцы показывают 100%-й кристаллический характер излома, что не достигается другими известными способами оценки результатов ударных испытаний.

Совершенно очевидно, что, применяя заявленный способ определения пластической составляющей деформации при хрупком разрушении в испытаниях на ударный изгиб, удается обосновать возможность дальнейшего применения в промышленности материала, ранее забракованного по формальным признакам хрупкого характера излома, содержащимся в существующих и действующих ныне стандартах.

Заявленный способ определения пластической составляющей деформации при хрупком разрушении в испытаниях на ударный изгиб прост в исполнении, не требует дополнительных материальных затрат на приборы, аппаратуру и значительных затрат времени на обработку результатов испытаний.

Совершенно очевидно, что применение заявленного способа определения пластической составляющей деформации при хрупком разрушении в ударных испытаниях обходится значительно дешевле, чем применение известных способов оценки результатов испытания на ударный изгиб, которые приводят к окончательному забракованию металла.

Изобретение относится к области испытания материалов, в частности к методу испытания металлов и сплавов на ударный изгиб при пониженных, комнатных и повышенных температурах. Способ определения пластической составляющей деформации при хрупком разрушении в испытаниях на ударный изгиб состоит из следующих действий. Для выбранных геометрических размеров испытуемого образца (1) и размеров наковальни (2) и бойка (3) маятника копра строят поле линий скольжения, по которому определяют ширину и высоту жесткой зоны (5). Затем образец (1) устанавливают на опорах наковальни (2) и деформируют ударом бойка (3) маятника копра. Измеряют действительную ширину контактной площадки и высотный размер ступеньки на изломе образца (1), по которым рассчитывают глубину внедрения в образец (1) жесткой зоны (5) как разность между действительной шириной контактной площадки и шириной жесткой зоны (5), деленную на тангенс половины угла бойка (3) маятника копра. Затем рассчитывают пластическую составляющую деформации образца (1) как разность между высотным размером ступеньки на изломе образца (1) и высотой жесткой зоны (5). Применение заявленного способа позволяет количественно оценить деформируемость материала перед его хрупким разрушением и на этой основе прогнозировать эксплуатационную надежность деталей машин и агрегатов. 5 ил.

Способ определения пластической составляющей деформации при хрупком разрушении в испытаниях на ударный изгиб, отличающийся тем, что для выбранных геометрических размеров (а) и (в) испытуемого образца (1) и размеров (с) наковальни (2) и (d) бойка (3) маятника копра строят поле линий скольжения, по которому определяют ширину α и высоту β жесткой зоны (5), затем образец (1) устанавливают на опорах наковальни (2) и деформируют ударом бойка (3) маятника копра, после чего измеряют действительную ширину α′ контактной площадки (6) и высотный размер h ступеньки (7) на изломе образца (1), по которым рассчитывают глубину ξ внедрения в образец (1) жесткой зоны (5) как разность между действительной шириной контактной площадки (6) и шириной α жесткой зоны (5), деленную на тангенс половины угла Φ бойка (3) маятника копра и рассчитывают пластическую составляющую δ деформации образца (1) как разность между высотным размером h ступеньки (7) на изломе образца (1) и высотой β жесткой зоны (5) δ = h-β.