СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ АНИЗОТРОПИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОБЪЕКТОВ
METHOD FOR STUDYING ANISOTROPY OF OPERATIONAL AND TECHNOLOGICAL PROPERTIES OF OBJECTS

Изобретение относится к области исследования эксплуатационно-технологических свойств объектов, в частности, из токопроводящих конструкционных материалов и может быть использовано для определения анизотропии их физико-механических характеристик, формируемой на этапах изготовления и эксплуатации различных изделий, работающих под нагрузкой.
Известен способ определения механических свойств материалов, изложенный в патенте на изобретение RU 2543673 «Способ определения механических свойств материалов», G01N 3/08, 2015.
Изобретение относится к области определения прочностных свойств металлов и их сплавов путем приложения растягивающих нагрузок к стандартным плоским или круглым образцам исследуемых металлов, геометрические размеры которых регламентируются ГОСТ 10006-80. Сущность: осуществляют осевое растяжение плоских и круглых образцов с фиксированной скоростью деформации, при определенной температуре испытаний. Коэффициент динамической вязкости металлов и эффективную энергию разрушения определяют по формулам: для плоского и круглого образца, используя значения предела прочности, предела текучести, относительного удлинения металлов при растяжении стандартных образцов, скорости деформации, при которой растягивается образец, модуля Юнга и скорости звука продольных волн в металле. Технический результат: возможность при исследовании конструкций из металла под действием реальных нагрузок и скоростей деформаций вплоть до разрушения основывать прогноз по эксплуатационной надежности выбранного материала на основании количественных оценок ряда параметров. В данном методе для определения параметров анизотропии исследуемых материалов необходимо увеличение количества реверсивных испытаний соответствующих образцов. Это сопровождается ростом трудоемкости и стоимости данного способа, так как необходимо осуществлять нагружение значительного числа образцов, изменяя их координирование относительно захватов испытательного устройства для получения статистически достоверных результатов по определению анизотропии.
К наиболее близким к заявляемому способу определения анизотропии эксплуатационно-технологических свойств объектов относится способ испытания пар трения на износостойкость, изложенный в авторском свидетельстве на изобретение SU 1370520 «Способ испытания пар трения на износостойкость», G01N 3/56,1988.
Изобретение относится к технологии машиностроения и может быть использовано при изготовлении изделий, содержащих различные пары трения. В указанном способе фрикционная анизотропия поверхностных слоев определяется путем их истирания и оценивания полученных результатов, т.е. после проведения прямых износостойких испытаний посредством истирания поверхности исследуемого образца в различных направлениях. Цель изобретения, связанная с повышением информативности износостойких испытаний, достигается тем, что в результате истирания поверхности объекта исследования определяется направление максимальной износостойкости.
Недостаток указанных способов заключается в значительной трудоемкости испытаний, обусловленной необходимостью приложения, испытательных воздействий в течение определенного времени и измерения реальных эксплуатационно-технологических характеристик образцов для получения технического результата. Эти обстоятельства в целом существенно снижают оперативность испытаний и повышают их стоимость, сужают класс исследуемых материалов и изделий, из-за ограничений на применение данных способов лишь на соответствующих этапах жизненного цикла продукции, главным образом на этапе технической подготовки производства.
Задачами изобретения являются:
1. Повышение оперативности в оценке эксплуатационно-технологической анизотропии свойств исследуемых конструкционных токопроводящих материалов, связанной с их физико-механическими характеристиками.
2. Обеспечение возможности оценки анизотропии свойств материалов по объему исследуемого образца или изделия в процессе их изготовления или эксплуатации.
3. Обеспечение возможности оценки анизотропии эксплуатационно-технологических свойств конструкционных материалов и изделий из токопроводящих материалов с помощью простых в изготовлении, автономных и малогабаритных технических устройств на всех этапах жизненного цикла продукции.
Технический результат, обеспечивающий осуществление указанных задач, заключается в использовании для измерения анизотропии электротехнических характеристик исследуемого объекта из токопроводящих материалов.
Указанный технический результат достигается способом исследования анизотропии эксплуатационно-технологических свойств объектов, заключающимся в последовательном физико-техническом воздействии на диагностируемый участок объекта в различных направлениях, измерении физико-технических параметров указанного участка в этих направлениях и количественном установлении различий результатов этих измерений, по которым судят об анизотропии, причем, в качестве указанного физико-технического воздействия используют воздействие на диагностируемый участок объекта электрического тока, пропускаемого через диагностируемый участок объекта в двух противоположных направлениях, а в качестве физико-технических параметров указанного участка измеряют электро-физические параметры этого участка, при этом, в противоположных направлениях на диагностируемый участок объекта воздействуют одинаковым по величине электрическим током.
В качестве электро-физических параметров измеряют падение напряжения на диагностируемом участке в каждом направлении, по которым вычисляют электросопротивления указанного участка в этих направлениях и по разнице величин электросопротивлений судят о степени анизотропии материала объекта.
Полярность приложения напряжения к токопроводящим электродам изменяется в процессе исследования как минимум один раз.
Принципиальным физико-техническим положением, на котором основан способ исследования анизотропии физико-механических и других эксплуатационно-технологических свойств токопроводящих материалов, является экспериментальное доказательство влияния наличия структурной анизотропии свойств испытуемого (исследуемого) объекта на величину его электросопротивления при пропускании электрического тока в двух противоположных направлениях. В качестве базового объекта диагностических исследований, удовлетворяющего требованию однозначного определения влияния анизотропии свойств материала на величину его электросопротивления, была выбрана медная проволока (медный провод) из материала M1. Данный объект диагностического исследования получается методом холодного пластического деформирования (волочением), осуществляемым в одном осевом направлении, которое характеризуется соответствующими коллинеарными векторами направленности этих деформаций. Поэтому при пропускании тока одинаковой величины через проволоку (провод) в двух взаимопротивоположных направлениях, т.е. при реверсе измерительного электротока, фактор влияния векторной анизотропии свойств материала, подвергнутого направленному деформированию, в случае его наличия, будет четко определяться по соответственной разнице в результатах измерения падения напряжения и, следовательно, электрического сопротивления.
Итоговые результаты экспериментов после статистической обработки более 500 измерений представлены в табл. 1 (фиг. 1).
Важно заметить, что в экспериментах разность в электросопротивлениях отчетливее появилась при большем значении измерительно тока (300 мА). При малой «энергетической» концентрации свободных электронов (ток 200 мА), электросопротивление как бы не чувствует анизотропию физико-механических свойств.
В нашем случае под термином «вектор электросопротивления», например, на плоскости, будем понимать разность между сопротивлениями при пропускании тока в условно прямом и обратном направлениях тестируемого на наличие у него анизотропии свойств проводника, т.е. при изменении полярности (реверсивном) приложенного к диагностируемому участку объекта исследования напряжения. Таким образом, изменяя направление движения заряженных частиц и измеряя разницу в электросопротивлениях этому реверсивному движению заряженных частиц, в частности электронов, в тестируемом образце можно оценивать физико-механические свойства изделия с возможностью фиксации тепловых и магнитных характеристик, работы выхода электронов и т.д. Тем самым заявляется приоритет на разработку нового очень технически простого и универсально-функционального инструмента исследования весьма сложных и тонких свойств и процессов в разных материалах, их изменений при различных видах физико-энергетических и технологических воздействий (направлении действия силовой деформационной нагрузки, проникающих излучений, вектора локального направления силовых линий и напряженности магнитного поля и т.д.). Кроме того, учитывая фактор времени этих воздействий, можно прогнозировать изменения служебных свойств тестируемого изделия, в частности определять кинетику изменения в топографии остаточных напряжений и интенсивность процессов деформационного старения материала под нагрузкой, а также оценивать его остаточный ресурс и степень поврежденности материала нагруженных конструктивных элементов. Оперативность использования патентуемого способа оценки анизотропии материалов по сравнению с реверсивно-фрикционными испытаниями на изностойкость, а также определения эрозионной стойкости исследуемой поверхности в противоположных направлениях при гидродинамическом воздействии гидроабразивной и чисто жидкостной высокоскоростной струи и характеристик скрайбирования - царапанья поверхности алмазным индектором, представлена в табл. 2 (фиг. 2). Результаты в табл. 2 получены путем хронометрирования времени на подготовку и проведение экспериментов. Причем низкая себестоимость и малая трудоемкость патентуемого способа создают возможность проведения многократных неразрушающих испытаний образца тестово-реверсивным током с целью повышения информативности и достоверности результатов анализа параметров его анизотропии.