СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ МЕТАЛЛОВ НА НЕОБРАТИМУЮ ПОВРЕЖДЕННОСТЬ
TEST METHOD OF METALS FOR UNCONVERTIBLE DAMAGE

Изобретение относится к области испытания материалов на усталость и предназначено для определения момента появления в металле необратимых повреждений, характеризующегося образованием в металле микротрещин в процессе его нагружения.
Известны способы проведения усталостных испытаний металлов для построения семейства усталостных кривых, предназначенных для определения общей долговечности металла при определенных параметрах нагружения (см. ГОСТ 25.502-79 «Методы механических испытаний металлов на усталость» и ГОСТ 25.505-85 «Методы механических испытаний металлов. Метод испытаний на малоцикловую усталость при термомеханическом нагружении»). Однако эти методы не предназначены для определения момента достижения металлом необратимой критической поврежденности (т.е. момента образования микротрещин).
Известен способ определения ресурса работоспособности металлов, который заключается в том, что у металла в исходном состоянии и в состоянии после некоторого нагружения с помощью рентгено-структурного анализа определяют значения структурно-чувствительного параметра кристаллической решетки (ширину рентгеновских линий). По изменению данного параметра в процессе нагружения (по точке перегиба кривой зависимости ширины рентгеновских линий от степени пластической деформации) определяют момент, когда металл теряет свою максимальную работоспособность (см. RU №2261436 C1). Недостатком данного способа испытаний является то, что используемый критерий снижения работоспособности не имеет физической интерпретации и не свидетельствует о достижении металлом необратимой поврежденности.
Известен способ определения усталостной характеристики ферромагнитных материалов и сварных соединений, который заключается в оценке усталостных повреждений, общей долговечности и предела выносливости металла с помощью измерения вихретоковым методом ЭДС магнитной индукции на разгруженном образце после определенного количества циклов нагружения (см. RU №20957840). Недостатком данного метода является то, что измерение значений ЭДС магнитной индукции металла является индикаторным методом, реагирующим на накопление металлом поврежденности, и не может быть использовано для оценки необратимости и критичности этих изменений.
Известен способ определения критической повреждаемости материала при циклическом нагружении, заключающийся в испытаниях образцов исследуемого металла на циклический изгиб при определенных параметрах. Критическая повреждаемость в данном случае определяется в момент начала резкого увеличения степени прогиба образца, по сравнению с прогибом в начальный момент нагружения (см. RU №2170917 C1). Недостатком данного способа является, во-первых, его применимость только к изгибным нагрузкам, а во-вторых, момент начала резкого увеличения степени прогиба образца является интегральной характеристикой и не отражает процессов, происходящих в металле при его нагружении.
Задачей, решаемой данным изобретением, является создание способа проведения усталостных испытаний металлов, с помощью которого можно было бы получать сведения не только об общей долговечности металла при определенных параметрах нагружения, но и о моменте образования в металле необратимых повреждений (микротрещин).
Для этого в способе испытания металла на необратимую поврежденность, наступающую в момент образования в металле микротрещин, осуществляют вырезку образца из испытываемого металла, его термообработку, вырезку из термообработанного образца серии базовых образцов, испытание этих образцов на ударную вязкость, обработку полученных значений ударной вязкости методом наименьших квадратов с получением среднего значения ударной вязкости, которое принимается за базовое. Затем из испытываемого металла вырезают другую серию образцов для проведения усталостных испытаний, при этом первый образец из этой серии испытывают до разрушения, второй образец нагружают в течение количества циклов, равных половине количества циклов до разрушения первого образца, третий и последующие образцы из этой серии нагружают, изменяя количество циклов нагружения от образца к образцу. Затем каждый образец, кроме первого, после нагружения термообрабатывают на режимах, которые применялись при получении базового значения ударной вязкости, после чего из каждого из них вдоль направления прикладываемой нагрузки вырезают серии образцов с размерами, аналогичными размерам базовых образцов для испытания на ударную вязкость. Осуществляют испытания полученных образцов на ударную вязкость, полученные значения ударной вязкости обрабатывают методом наименьших квадратов с получением среднего значения ударной вязкости для каждой из серий, анализируют полученные средние значения ударной вязкости, сравнивая их с базовым, и определяют диапазон количества циклов нагружения металла, в котором начинается падение значений ударной вязкости термообработанных образцов, который характеризует момент образования в металле микротрещин.
Установлено, что начало падения значений ударной вязкости термообработанного после нагружения металла, по сравнению с базовым значением ударной вязкости термообработанного металла, соответствует моменту образования в металле микротрещин. Так, в случае если при нагружении металл получил обратимую поврежденность (т.е. в нем нет микротрещин), в процессе термообработки, в результате рекристаллизации и структурно-фазовых превращений, эта поврежденность устранится, и значения ударной вязкости такого металла не изменятся, по сравнению с базовым значением ударной вязкости. Если же при нагружении металла в нем образовались микротрещины, то термообработка не сможет удалить эти микротрещины, и значения ударной вязкости такого металла после термообработки понизятся, по сравнению с базовым значением.
Методика проведения испытаний
На фиг.1 представлена схема бинарного поиска количества циклов нагружения, приводящего к падению значений ударной вязкости; на фиг.2. - зависимость средних значений ударной вязкости термообработанных образцов от количества циклов предварительного нагружения;
На первом этапе темплет исследуемого металла термообрабатывается, после чего из него вырезаются образцы для испытаний на ударную вязкость.
Режим термообработки выбирается таким образом, чтобы в исследуемом металле происходили все возможные структурно-фазовые превращения, а сформированная новая структура отличалась минимальным количеством микроискажений (к примеру, отжиг или нормализация).
Размер темплета должен быть таким, чтобы из него можно было бы вырезать не менее 4-5 образцов для испытания на ударную вязкость (согласно ГОСТ 9454-78).
Испытания на ударную вязкость рекомендуется проводить при пониженных температурах (ниже 0°C), с нанесением U-образного концентратора, поскольку при таких условиях испытаний значения ударной вязкости наиболее чувствительны к наличию в металле микротрещин.
Полученные значения ударной вязкости обрабатываются методом наименьших квадратов, и полученное среднее значение ударной вязкости принимается как базовое, с которым впоследствии будут сравниваться остальные.
На втором этапе из исследуемого металла вырезается группа образцов для проведения усталостных испытаний.
Образцы для усталостных испытаний выбирают таким образом, чтобы из рабочей части образца (часть образца, которая испытывает задаваемую нагрузку) было бы возможно изготовить не менее 4-5 образцов для испытаний на ударную вязкость.
Первый образец (№1) испытывается при выбранных параметрах нагружения (определенная максимальная нагрузка и асимметрия цикла) на долговечность до разрушения.
Для определения момента зарождения в металле микротрещин (т.е. количества циклов нагружения, после которого у термообработанного металла начинается снижение значений ударной вязкости) используется метод бинарного поиска, начиная с количества циклов, равного 1/2 от долговечности образца №1 (фиг.1).
На фиг.1 представлена схема бинарного поиска количества циклов нагружения, приводящего к падению значений ударной вязкости:
общ.
N - количество циклов до разрушения образца №1 при выбранных параметрах нагружения; Б - металл образца после нагружения и термообработки сохранил базовое значение ударной вязкости (полученное на образце без нагружения и после термообработки); С - металл образца после нагружения и термообработки снизил значение ударной вязкости относительно базового.
общ.
После нагружения образца в течение 1/2 N количества циклов, образец термообрабатывается, металл из его рабочей зоны испытывается на ударную вязкость (не менее 4-5 образцов), полученные значения ударной вязкости обрабатываются методом наименьших квадратов и получившееся среднее значение сравнивается с базовым. В зависимости от получившихся значений ударной вязкости, определяется количество циклов нагружения следующего образца (см. фиг.1)
Технология проведения термообработки и испытаний металла образцов на ударную вязкость аналогичны тем, которые были выбраны на первом этапе для получения базового значения ударной вязкости.
Количество испытываемых таким методом образцов зависит от требуемой точности получаемых результатов.
В результате испытаний группы образцов определяется диапазон количества циклов, в котором при выбранных параметрах нагружения происходит зарождение в исследуемом металле микротрещин (фиг.2, где Б - базовое значение ударной вязкости; 1 - общая долговечность металла при выбранных параметрах нагружения (см. образец №1 в описании); 2-5 - средние значения ударной вязкости металла образцов, после количества циклов нагружения, определенного в соответствии с фиг.1.).
Затем проводят аналогичные испытания следующих групп образцов при других интересуемых параметрах нагружения.
По результатам испытаний получают сводные графики кривых долговечности, в зависимости от изменения интересующего параметра нагружения, на которых строят: кривую общей долговечности и интервал образования в металле микротрещин.
Пример
в
т
Для определения момента образования в металле микротрещин в процессе его нагружения был взят лист δ=10 мм стали Ст3сп5 (ГОСТ 14637-89, σ=466 МПа, σ=311 МПа). Из листа был вырезан темплет размером 100×100 мм. Полученный темплет был термообработан (максимальная температура нагрева - 900°C; время выдержки при максимальной температуре - 1 час; охлаждение - на воздухе). Из термообработанного металла, согласно ГОСТ 9454-78 было вырезано 6 образцов длиной 55 мм и сечением 10×10 мм, на которых был нанесен U-образный концентратор.
-20°C
2
Испытания на ударную вязкость 6 образцов проводились на маятниковом копре MZ-2056 при температуре -20°C. Полученные значения ударной вязкости были обработаны методом наименьших квадратов, в результате чего среднее значение ударной вязкости термообработанного металла составило KCU=34,2 Дж/см и было принято как базовое.
max
min
кр
Затем из листа исследуемой стали были вырезаны 6 образцов (длина рабочей части - 180 мм, толщина - 10 мм, ширина - 80 мм) для проведения усталостных испытаний. Испытания проводились на разрывной машине ЦД-100-ПУ. В качестве параметров нагружения были выбраны: σ=250 МПа, σ=0 МПа. Первый образец при выбранных параметрах нагружения испытали до разрушения, которое произошло после N=260000 циклов нагружения.
кр
-20
2
Второй образец при тех же параметрах нагрузили в течение 130000 циклов (1/2 N), после чего образец был термообработан (режим термообработке аналогичен тому, который был применен вначале для получения базовых значений ударной вязкости). Далее из металла рабочей части образца, вдоль направления прикладываемой нагрузки, были вырезаны 6 образцов для испытания на ударную вязкость. Размеры образцов и методика проведения испытаний на ударную вязкость аналогичны тем, которые были выбраны для получения базовых значений ударной вязкости. Обработав методом наименьших квадратов полученные значения ударной вязкости, получилось среднее значение, равное KCU=22,6 Дж/см, что оказалось существенно ниже базовых значений.
-20
2
Третий образец согласно методу бинарного поиска нагружался в течение 65000 циклов. После нагружения образец термообрабатывался и металл его рабочей части испытывался на ударную вязкость (аналогично второму образцу). Полученное среднее значение ударной вязкости составило KCU=27,8 Дж/см, что также существенно ниже базового значения.
По методике, аналогичной испытанию второго и третьего образца, были испытаны остальные 3 образца.
В результате было установлено, что падение значений ударной вязкости термообработанного металла, начинается после предварительного нагружения в течение 16000-20000 циклов.
Для проверки корректности предложенного способа определения момента образования в металле микротрещин были проведены металлографические исследования, включающие электронную микроскопию, рентгеноструктурный анализ и фрактографические исследования изломов образцов, которые показали, что снижение ударной вязкости металла после термообработки начинается после образования в металле микротрещин размером от 10-15 мкм, что является очень эффективным и чувствительным способом оценки возникновения в металле необратимой поврежденности (микротрещин).