Устройство для изучения коррозионно-усталостного разрушения металлов и сплавов в ходе механических испытаний в жидком электролите
DEVICE FOR STUDYING CORROSION-FATIGUE DESTRUCTION OF METALS AND ALLOYS DURING MECHANICAL TESTS IN LIQUID ELECTROLYTE

Изобретение относится к способу проведения механических испытаний металлических материалов, а именно к созданию устройства, позволяющего циклически деформировать изгибом образцы металлических материалов, погруженных в электролит, с одновременным непрерывным измерением электродного потенциала образца. Предлагаемое устройство может быть использовано для изучения процесса коррозионно-усталостного разрушения металлических материалов медицинского и общетехнического назначения в электролитических средах.
Известно моделирующее устройство для испытания эндопротезов тазобедренного сустава на износ (патент RU 2662599 С2, опублик. 26.07.2018), которое состоит из одного или нескольких испытательных блоков, каждый из которых содержит рамную конструкцию с возможностью ее колебательного движения относительно продольной горизонтальной неподвижной оси устройства FE, в которой помещено от одной до нескольких испытательных станций с содержащимся в каждой из них U-образным кронштейном, имеющим возможность качания в направлении поперечной подвижной оси АА, и установленным на нем с возможностью поворота относительно вертикальной подвижной оси IOR с помощью вращающего рычага стаканом, содержащим бедренный компонент эндопротеза с головкой, центр которой помещен на пересечении упомянутых трех взаимно перпендикулярных осей вращения, а рычаг имеет подвижный контакт скольжения с неподвижной направляющей, установленной на основании устройства, отличающееся тем, что вращательное движение относительно вертикальной оси IOR осуществляется посредством вращающего рычага, установленного параллельно продольной оси вращения FE.
Недостатками данного устройства являются необходимость изготовления экспериментальных образцов сложной формы (эндопротезов тазобедренного сустава) и невозможность изучения разрушения образцов под действием коррозионно-активных электролитических сред.
Известна установка для испытаний на усталость плоских образцов при изгибе (патент RU 160927 U1, опублик. 10.04.2016), которая содержит основание с закрепленными на нем испытуемыми образцами, кривошипный механизм, рычаг которого шарнирно связан со штоком с установленным на нем приспособлением для передачи нагрузки на образец, выполненным с возможностью регулирования своего положения относительно штока, причем приспособление сделано в виде диска, по ободу которого сделана канавка, отличающаяся тем, что концевая часть каждого образца закреплена на установленной на основании установки стойке с расположенным на ней датчиком нагрузки образца при его изгибе, на противоположной концевой части которого закреплен зажим, снабженный установленным на оси роликом, размещаемым в рабочем состоянии установки в канавке обода приспособления.
Недостатками является достаточно высокая частота нагружения (24 Гц) и невозможность проведения испытаний в коррозионно-активных электролитических средах.
Наиболее близким аналогом предложенного изобретения является установка для испытания компактных образцов на усталость при изгибе с кручением (патент RU 2437075 С1, опублик. 20.12.2011), которая содержит станину, пассивный и активный захваты, нагружающее устройство рычажного типа и кривошипно-шатунный механизм, отличающаяся тем, что она снабжена поворотным столиком с углом поворота 0-90° (0° - изгиб, 90° - кручение), полым рычагом с размещенным внутри него нагружающим рычагом, системой пружинных амортизаторов и кривошипно-шатунным механизмом с кривошипом регулируемой длины, при этом пассивный захват закреплен на поворотном столике, активный захват жестко сочленен с полым рычагом, взаимодействие рычагов осуществляется посредством пружинных амортизаторов с регулируемой затяжкой пружин, изменение длины кривошипа происходит посредством перемещения ползуна по направляющим с использованием винтовой передачи, а перемещение кривошипно-шатунного механизма в вертикальной плоскости осуществляется передачей «винт-гайка».
Недостатком является то, что такая схема установки не позволяет проводить испытания в коррозионно-активных электролитических средах.
Техническим результатом является достижение возможности одновременного осуществления двух процессов: циклического механического деформирования образца изгибом и измерения его электродного потенциала в электролите. Зависимость потенциала металлического материала от времени, полученная в ходе измерений с использованием предлагаемого устройства, позволит определить эксплуатационный ресурс образца (металла или сплава) в связи с его сопротивлением коррозионно-усталостному разрушению при определенной величине деформации и частоте циклов «нагружение-разгружение» в коррозионно-активной электролитически проводящей среде. Техническим результатом является повышение степени соответствия параметров проведения механических испытаний условиям эксплуатации конечных изделий (имплантатов), повышение точности оценки эксплуатационного ресурса материала.
Технический результат достигается следующим образом. Устройство для изучения коррозионно-усталостного разрушения металлов и сплавов в ходе механических испытаний в жидком электролите состоит из емкости для электролита, располагающейся на телескопическом столике, обеспечивающем возможность регулировки уровня жидкости относительно верхней и нижней рычажных баз, закрепленной на несущей раме верхней рычажной базы с цилиндрической перекладиной, обеспечивающей возможность вращения вдоль своей оси и закрепления верхнего конца образца, последовательно соединенных сервопривода, обеспечивающего приложение циклической динамической механической нагрузки, диска, обеспечивающего регулировку величины крутящего момента, рычага, обеспечивающего передачу крутящего момента, подвижной и стабилизированной модулями линейного перемещения в вертикальном направлении нижней рычажной базы с цилиндрической перекладиной, обеспечивающей возможность вращения вдоль своей оси и закрепления нижнего конца образца, позволяющей деформировать изгибом образец, находящийся в электролите, при использовании образца в качестве рабочего электрода в стандартном хронопотенциометрическом исследовании.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для изучения коррозионно-усталостного разрушения металлов и сплавов в ходе механических испытаний. Устройство состоит из вертикальной части несущей рамы 1 и горизонтальной части несущей рамы 2, закрепленного на раме 1 сервопривода 3, создающего крутящий момент регулируемой величины за счет диска 4, соединенного с рычагом 5 с подвижной в вертикальной плоскости за счет модулей линейного перемещения 6 с горизонтальной частью нижней рычажной базой 7, между вертикальными рычагами 8 которой закреплена цилиндрическая перекладина 10, имеющая возможность вращения вдоль своей оси. На нижней перекладине несущей рамы 2 неподвижно закреплена верхняя рычажная база 9, между рычагами которой закреплена цилиндрическая перекладина 10, имеющая возможность вращения вдоль своей оси. Между перекладинами 10 термоклеем, устойчивым к воздействию электролита, заполняющего требуемый объем емкости 11, закрепляют образец 13 в форме проволоки или ленты таким образом, чтобы верхний свободный конец возможно было соединить с проводом рабочего электрода электронного потенциостата. Уровень электролита относительно перекладин 10 регулируют за счет количества электролита и высотой подъема емкости 11 на лабораторном телескопическом столике 12. Измерение электродного потенциала образца, в том числе в ходе действия механической нагрузки, проводят стандартным хронопотенциометрическим методом при использовании рабочего электрода (образец 13) и стандартного электрода сравнения 14, подключенных к потенциостату 15.
Степень деформации е образца рассчитывают по формуле:
пров
где d- диаметр образца (проволоки или ленты);
дуги
D - диаметр дуги, равный удвоенному радиусу кривизны образца в точке максимального прогиба (в центре).
Примеры применения.
Измерение электродного потенциала сверхупругого сплава Ti-18Zr-15Nb (в ат. %) в ходе циклических механических испытаний до разрушения. Образцы сплава в виде ленты толщиной 0,3 мм, шириной 3,0 мм и рабочей длиной 120 мм деформировали с частотой циклирования 0,9 Гц и степенью деформации 1,5% в каждом цикле модельном физиологическом растворе (раствор Хэнкса). В качестве электрода сравнения использовали насыщенный хлорид-серебряный электрод.
Перед началом механического циклирования образец выдерживали в растворе с целью достижения стационарного (пассивного) состояния поверхности. После включения механической нагрузки наблюдали резкое падение значения электродного потенциала, свидетельствующее о нарушении сплошности пассивирующей оксидной пленки. Далее наблюдали повышение значений потенциала при продолжающемся действии механической нагрузки, связанное с самовосстановлением оксидного слоя и действием механохимического и хемомеханического эффектов, с последующим выходом на установившееся значение. Через некоторое количество циклов (порядка 1000) значение потенциала начало плавно снижаться, что свидетельствует о наличии механизмов релаксации механических напряжений и торможения распространения усталостной трещины, присущих для сверхупругих сплавов. Среднее количество циклов до разрушения составило 4225±677.
Таким образом, в результате применения устройства для изучения коррозионно-усталостного разрушения металлов и сплавов в ходе механических испытаний в жидком электролите к образцам сплава Ti-Nb-Zr удалось оценить характер разрушения материалов в модельном физиологическом растворе и определить количество циклов до разрушения при величине деформации 1,5%.