СПОСОБ ОЦЕНКИ ЭНЕРГИИ АКТИВАЦИИ РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ Российский патент 2008 года по МПК G01N3/46 

Область применения предлагаемого способа оценки энергии активации разрушения поверхностного слоя материала - механика разрушения материалов, а именно безобразцовый контроль фактического состояния материалов при эксплуатации. Способ может быть использован в лабораториях материаловедения при контроле технического состояния объектов промышленности.

Известен способ исследования энергии активации разрушения материалов методом микротвердости [1], принятый за аналог; при котором измеряют диагональ отпечатков индентора при разных температурах, нагрузках на индентор и времени действия нагрузки. По измеренным данным находят мгновенную скорость внедрения индентора и соответствующее ей напряжение при различных температурах и разных значениях микротвердости Н_μ; далее, используя графические построения и математические вычисления, находят энергию активации U₀.

Главное преимущество способа [1] состоит в том, что энергия активации разрушения исследуется в тонком поверхностном слое материала, отражающем аномалию его свойств, обусловленную границей твердого тела (обрывом связей) и последствиями его обработки.

Недостатком аналога является невозможность оценить энергию активации материала с учетом его фактического состояния в изнашиваемых парах, а также невозможность оценить влияние анизотропии механических свойств при одновременном действии нормальных и касательных напряжений, действующих на поверхности материала при трении.

Прототипом заявляемого способа является способ оценки энергии активации разрушения поверхностей, деформированных трением [2]. При этом способе для оценки активации разрушения поверхностного слоя вначале производят приработку образцов в условиях эксплуатации или на соответствующих машинах трения при действии заданного рабочего режима (среды, давлений, температур и др.). Затем на приработанную поверхность образцов алмазным индентором (пирамидой Виккерса) наносят царапины вдоль направления текстуры, измеряют ширину царапины и силу трения, а затем рассчитывают количество вытесненного материала и работу сил трения. Энергия активации U₀ разрушения поверхностного слоя образца определяется из равенства:

U₀=W_царап/V_деф,

где W_царап - энергия, затраченная на царапание [кДж];

V_деф - количество вытесненного материала [моль].

Недостатком прототипа является необходимость измерения ширины микроцарапины для оценки количества деформированного вещества, что значительно повышает трудоемкость, а также усложняет реализацию, требуя наличия в устройстве высокоточных оптических средств измерения. Кроме того, визуальная оценка ширины царапины не лишена субъективной погрешности, вносимой оператором.

Техническим результатом заявляемого способа является упрощение его реализации и повышение точности оценки энергии активации при сохранении преимуществ, достигнутых в прототипе. Этот результат достигается за счет устранения необходимости измерения объема микродеформации поверхностного слоя.

Данный технический результат достигается тем, что в заявляемом способе оценки энергии активации разрушения материала поверхностного слоя производят деформирование поверхностного слоя образцов алмазным индентором, по характеристикам деформирования рассчитывают удельную работу пластической деформации поверхностного слоя и приравнивают ее к величине энергии активации разрушения этого слоя, при этом количество деформированного материала принимают постоянным, причем за одно действие оператора автоматически производится три действия склерометра: опускание индентора к испытываемой поверхности, внедрение индентора в поверхностный слой на заданную глубину и тангенциальное пропахивание материала поверхностного слоя индентором при постоянной величине его заглубления.

Сущность изобретения - вместо измерения размеров микродеформации поверхностного слоя осуществляют оценку тангенциальной силы сопротивления деформации при царапании, что технически реализуется значительно проще. Причем заявляемый способ можно реализовать за одно действие оператора, например нажатие на кнопку склерометра.

Предложенный способ выполняется следующим образом. Сначала поверхность выбранного материала подготавливают к испытаниям путем удаления верхнего дефектного и окисленного слоя, не отражающего фактические свойства материала, например, путем шлифования, полирования, доводки, травления и т.п. При этом одновременно выравнивают (уменьшают волнистость и шероховатость) локальный участок поверхности. Если необходимо оценить свойства материала трущихся поверхностей, то деталь перед испытаниями прирабатывают на машине трения в режимах, соответствующих эксплуатационным. Затем на поверхность опускают индентор, например алмазную пирамиду Виккерса или любой другой с углом при вершине, обеспечивающим пластическое оттеснение более мягкого материала при склерометрировании без микрорезания, т.е. без образования стружки. Внедряют вершину индентора в поверхностный слой на заданную глубину, например на 5 мкм. Далее выполняют тангенциальное перемещение заглубленного индентора (царапание) на определенное расстояние, например на 500 мкм, со скоростью, исключающей возникновение динамических эффектов, например со скоростью 50 мкм/с. На протяжении всего пропахивания материала поверхностного слоя глубину внедрения индентора сохраняют постоянной, обеспечивая этим условие постоянства количества вытесняемого материала. Одновременно с царапанием оценивают величину касательной нагрузки, например, при помощи тензодатчика, полученные данные передают и сохраняют в памяти контроллера. Далее индентор поднимают и опускают на новый участок испытываемой поверхности, где вновь повторяют операцию склерометрирования. Таким образом склерометрирование повторяют определенное количество раз, требуемое для обеспечения необходимой точности измерений касательной силы. Затем, при помощи контроллера, усредняют экспериментальные данные и рассчитывают энергию активации поверхностного слоя, как отношение измеренной и усредненной касательной силы на площадь поперечного сечения образуемой при склерометрировании борозды, которая заранее рассчитывается, исходя из геометрии вершины индентора и величины его заглубления при испытаниях, и сохраняется в памяти микроконтроллера. Расчет энергии активации производится по формуле

(кДж/моль),

где Fτ - касательное сопротивление пластической деформации (Н);

Vm - молярный объем материала поверхностного слоя (мм³/моль);

h - глубина внедрения индентора (мкм).

Предлагаемый способ оценки активации разрушения материала поверхностного слоя успешно апробирован в производственных условиях. Отмечаются удобство в работе и эффективность заявляемого способа, а также снижение затрат на его осуществление.

Источники информации

1. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.И. Кинетическая природа прочности твердых тел. - М.: Наука, 1974, - 560 с.

2. Патент РФ №2166745. Способ оценки энергии активации разрушения поверхностей, деформированных трением. М.: Роспатент, 2001 г.

3. Тененбаум М.М. Склерометры для изучения сопротивления царапанию и их применение. В кн.: Склерометрия // под ред. М.М.Хрущева. - М.: Наука, 1968, с.124.

Изобретение относится к механике разрушения материалов. Сущность: производят деформирование поверхностного слоя образцов алмазным индентором. По характеристикам деформирования рассчитывают удельную работу пластической деформации поверхностного слоя и приравнивают ее к величине энергии активации разрушения этого слоя. Количество деформированного материала принимают постоянным, причем за одно действие оператора автоматически производится три действия склерометра: опускание индентора к испытываемой поверхности, внедрение индентора в поверхностный слой на заданную глубину и тангенциальное пропахивание материала поверхностного слоя индентором при постоянной величине его заглубления.

Технический результат: упрощение реализации способа и повышение точности оценки энергии активации. 1 ил.

Способ оценки энергии активации разрушения материала поверхностного слоя, при котором производят деформирование поверхностного слоя образцов алмазным индентором, по характеристикам деформирования рассчитывают удельную работу пластической деформации поверхностного слоя и приравнивают ее к величине энергии активации разрушения этого слоя, отличающийся тем, что количество деформированного материала принимают постоянным, причем за одно действие оператора автоматически производится три действия склерометра: опускание индентора к испытываемой поверхности, внедрение индентора в поверхностный слой на заданную глубину и тангенциальное пропахивание материала поверхностного слоя индентором при постоянной величине его заглубления.