Способ подготовки образца при определении трещиностойкости хрупких материалов Советский патент 1983 года по МПК G01N1/28 

(54) СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ОБРАЗЦА ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ТРЕЩИнестойкости ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к иccлeдoвaшло механических свойств материалов, а именно к определению трещиностойкоо ти сверхтвердых материалов. Интенсивное развитие современной техники привело к разработке нового класса инструментальных материалов поликристаллические сверхтвердые материалы, а это в свою очередь создало необходимость исследования их физикомеханических свойств с целью определения их качества. Наиболее приемлемо для этого механической характеристикой является трещиностойкость, определению которой в настоящее времн уделяется большое внимание. Характерными особенностями поликристаллических свер твердых материалов (ПСТМ) являются малые размеры заготовок, находящиеся в интервале от сотен микрон до нескол ких миллиметров, что не позволяет иопользовать для определения трещиностой кости этих материалов традиционные сх мы нагружения и формы образцов. Вы- сокие значения механических свойств и малые размеры образцов сверхтвердых материалов создают значительные трудности при внесенш исходного инициатора разрушения - трещины в исследуемый образец для корректного определения тре- щиностойкости материала. Известен способ подготовки образца при определении трещиностойкости Jtpy№. ких инструментальных материалов, закл1о. чающийся в том, что на испытуемый образец юнocитcя дефект в ввде надреза. Затем образец с надрезом подвергается усталостному нагружению с целью получения усталостной трещины в верщине надреза. Данный способ применяется для oпpeдeлe mя трещиностойкости хрупких материалов типа твердьтх сплавов и комno3vmHDHHbix материалов на их основе (твердый сплав с включениями алмаза), получаемых путем спекания и позволяющих изготавливать образцы достаточных размеров, например, в данном случао Г) ,Г мм в гтармллелоишс--да . -1

Однако этот не может быть пркмеяен игя опрспепетэд трещнност ойкосги nomiKpiicraJurujecKiix сверг;гверцык ;ма -српилоя, получаемых в аппаратах вы™ сокого даЕлеккя путем ирямого фазовохо перекида при зысок 1х двЕлеипях (70кбар и темпорагу з (1.500 С), налрт-мер графи™ та в пон гкр югапл ческкй алмаз, гак как ро.змсчзь рабочей аготпрота высокогО сйвлепия маллл н спедовате/ЯзНо размер зоготпвкк также мал и представляет собой ш;л11 глр с рпумераЬПП диаметр - П ы BbicoTLi - Г мм U меньше.

Кроме T-jTv. поликристаппнческпе свер ттлердые матерл;апы обладают пошхшенной xpynKocTTjJO, что де.лает кевозмоугпгым пс лтчеиие усталостных трещки.

Известен способ подготовки образца при оиредег1ен -;и тренаи-осгпйкосги хрупких материалов, вллючающтш iianeeeHKe МП образен хрртшого мрочно связанного с материалов образца слоя -т получение трощи гь: пугем приложения к образцу на

СЗдиако дпншгй способ IK

бплI:ЛJ;O размр ;), а у-;/;ть(вая, iTo полт крксталл154ескио соерхтиердьш матертшлы . малые , npipvieiienHe это™ о способа ,v;ii опрсделе;-П1я их гоепшно.стойкос: i: лео1)з ;ожно.

ИзгюстнО; что при тепловом воздействии ia поликристаллические срзерхтверГОяе магериа гы, напрш.гер поликристалггачесжий алмаз, проис:ходит обратный фазот-.1й переход алмаза в пзафит. Графит является малопрочным хрупк1гк-1 материалом по сравненшо с агалазом и поэтому может быть использован в качестве хрупкого слоя.

Для определе-гая ко.ппюства эпергик, необход;п 1ой штя получения хрупкого прочно связанпого слоя на полгжриеталлически сверхтвердых материалах, исходим из криттгческой тe пepaтypЫJ при которой 1Трокс;ходит обратный фазовый переход ;ч:1;: гернала образца в хрупкий слой, например пгггпгкристалла в графит.

известно, что температура граф ггиза- :i, аМ;аза tia воздухе составляет - LO)-i-ОГ;0 С. Е случае, если в качает- :;; 10; ,ал1Л10го источника тепловой энерги и -;;ольз стсй )азерное nanj iemie, необ- -.ОИ.ПР MJ-;: количество siiepi-ini рассчнтыва-- етс;л следуюила; образом

т 9--

етациоиярпая температура в центре пятна шгрева для неподвиж ного источника (Г7/ ); плотность мощности с учетом коз(|х}1ипие1гга поглолюния; диаметр светового пятна; теплопроводность к атер1-1ала.

(2)

%.

ооиИй поток мглдности лазерного

А коэффициент поглощения (для лоликристаллилеех11Х сверхтвердых материалов А О,7). А мощность источШка локальной тепловой энергии, в дан- OMt случае лазера, определ.яется по формуле

(3)

,

гиюиадь светового пятна.

где

Ил чертеже изображена схема iiarpy- жепнп образ ia irpK определении трещино cTrjh;ocivi :1а пскриета,ллических сверхтверЩз к мат ертшлово

(Х5разеп 1 в форт-ле диска с централь Ш:)1М нлдрезом 2, по контуру которого образуется хрупкий прочно связанный слой 3, nprv/ajifipHTemnio сгружают радиальным усй:т ем, 0,2-0,3 Pj., в результате чего в вершинах надреза появлязотс-я трещины 4, которые проходят через слой и останавливаются в мате- ртшле образна. После измерения дпуш трещин образец разрушают с репютрание критг1ческой нагрузки. Появление трещин в вершинах надреза обусловлено тем, что мaкcшv aльнaя концентрация напряжений при диаметральном сжатии диска с трещиной, расположенной по линии дейстетш нагрузки, возникает именно в вершинах трещины. При использовании другой образна, например, типа балочки, необходимость в изготовлении предварительного надреза отпадает. В этом случае на поверхность образца воздействуют локальным источником тепловой энергии и получают на его поверхности полоску хрупкого прочносвязанного слоя и с помощью предварительного нагружения - трещину. Пример. Образец из поликристал лического сверхтвердого материала марки TeKcaHvrr-P в диска диаметром 4,5 мм и толщиной 1,2 мм подвергают воздейств10о лазерного излучения на лазерной установке непрерывного действия на СО Квинтет мощностью 150 Вт. Лазерное излучение фокусируется на образец с помощью линзы вз КС с фокусным расстоянием F 100 мм в пятно диаметром, равньш 0,2 мм. При этом необходимая мощность лазерного из лучения для получения хрупкого прочнс

Предлагаемый способ подготовки образца по сравнению с прототипом позволяет определять корректные значения трещиностойкости (К.) на образцах из поликристаллических сверхтвердых материалов, например, поликристаллических алмазов и поликристаллов на основе нитрида бора.

Способ подготовки образца при определении трещиностойкости поликристалявн ческих материалов позволяет в конечном итоге определять качество материала.

Учитывая, что в настоящее время качество поликристаллических сверхтвердьтх материалов определяется по результатам испытаний в процессе резания,(данный способ оценки качества ПСТМ принят за базовый объект) предлагаемый способ позволяет определять конкретную характеристику качества ПСТМ -трещиностойкость; снизить затраты на нату ные испытания попикристаллических сверхтвердых материалов. Например, замена испытаний только одного поликристаллического сверхтвердого материала Тексанит-Р на стойкость в процессе резания закаленных сталей на испытание заготовк режущего элемента с целью определения трешиностойкости- этого материала дает экономический эффект около lOdb руб. на партию (1000 тт.) реэпов. связанного с матертшлом образца слоя равна 90 Вт. Она рассчитывается по формуле (3). исходя из того, что температура начала обратного фазового перехода для этого материала на основе нитрида бора равна 12ООС. Для определения количества энергии для получения хрупкого слоя на других сверхтвердых материалах необходимо знать температуры их обратного фазового перехода. После получения хрупкого слоя, прикладывая к образцу нагрузку порядка 22О + 250 Н,получают трещины длиной не менее 0,05 + 0,1 мм. Нагружение производят на модернизированной испытательной установке ИМАШ 20-75 с регистрацией длины трещины с помощью микроскопа МВТ-71, позволяющего набгаодать за поведением образца в процессе нагружения. После измерения длины трещины образец нагружают до разрушения с регистрацией критической нагрузки. Результаты определения трещиностойкости (К(-) для образцов из ТексанитаР с трещиной, полученной в результате разрушения хрупкого прочно связанного с материалом образца слоя в вершине надреза, приведены в таблице.

I а р м у л а изобретения

Способ подготовки образца при опре- лепотт трещиностойкости хрупких материалов, включающий нанесение на образен jcpjTTKoro прочно связанного с материалом образца слоя и получение трещины путем приложения к образцу нагрузки, отличающийся тем, что, с целью определения треипшостойкости сверхтвердых материалов, нанесение хрупкого прочно связанного с материалом образца слоя производят путем

локального воздействия тепловой энергии в количестве, обеспечивающем обратный фазовый переход материала образна в создаваемый хрупкий слой.

Источники информации, при 1ятые во внимание при экспертизе

1,Ко оваленко И, К. и др. Методика определения трещиностойкости сверхтвердых материалов пои высоких температурах. Сверхтвердые материалы, 1980, N9 5, с. 29-34.

2.Авторское свидетельство СССР № 892266, кл. GOlM 1/28, 1978.