УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ ИЗ СТАЛИ НА КОРРОЗИОННУЮ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ
DEVICE FOR TESTING SPECIMENS FROM STEEL FOR CORROSION CRACKING RESISTANCE

Изобретение относится к области коррозионно-механических испытаний металлов и их сплавов. Оно может быть применено для ускоренных испытаний образцов с исходной трещиной под постоянной нагрузкой в агрессивной среде преимущественно из высокопрочной стали (например, типа 40Х или новых, перспективных сталей типа Х2Г2С2МФ), т.е. в условиях приближенных к эксплуатационным.
Известно устройство для испытания образца при определении коррозионной усталости (Ф.Ф. Ажогин, Коррозионное растрескивание и защита высокопрочных сталей, металлург, 1977 г.), содержащий машину для определения предела усталости, которое дополнено устройством для подвода коррозионной среды к образцу, включающее емкость стеклянным краном, из которого коррозионный раствор по каплям подается на образец в районе опасного сечения.
Недостатками устройства являются:
- отсутствие системы фиксации процесса разрушения образца под воздействием коррозионной среды и нагрузкой;
- отсутствие системы отвода коррозионной среды от образца в процессе нагружения;
- отсутствие системы отвода коррозионной среды от изломов двух половинок после разрушения образца;
- захваты выполнены из металла, но покрыты сверху изолирующим материалом, что приводит к взаимодействию материала захвата с той агрессивной средой, в которой находится образец, а продукты такого взаимодействия оказывают ингибирующее или каталитическое воздействие на коррозию образца.
Отсутствие данных систем приводит к получению неточной информации о времени до разрушения и невозможности исследования этапов развития трещины на световом или электронном микроскопе.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство для испытания образцов на трещиностойкость в коррозионной среде (SU 911241, МПК G01N 17/00 07.03.1982), содержащее станину, установленный на ней механизм нагружения образца с захватами и счетчиком циклов, коррозионную камеру для среды и систему  измерения электродного потенциала с рабочим капилляром-электродом. Дополнительно оно снабжено синхронизированным со счетчиком механизмом перемещения рабочего капилляра-электрода и системой отвода среды из капилляра. Данное устройство принято за прототип.
Недостатки устройства:
- устройство проводит испытания знакопеременным нагружением, т.е. проводит циклические испытания и не может быть применено к испытаниям при постоянной нагрузке;
- устройство усложнено как системой измерения, так и системой подачи к трещине коррозионной среды, не привнося достоверных данных о влиянии коррозионной среды на образец с трещиной, т.к. коррозионная среда, находясь в камере одновременно с образцом, не может подаваться постоянно свежей к трещине, поскольку её воздействие распространяется на весь образец;
- испытания носят длительный характер, поэтому окончание процесса непредсказуемо, особенно для новых составов сталей перспективных в области машиностроения, ракетостроения, нефтяной промышленности и т.д;
- в устройстве отсутствует защита излома от коррозионной среды в момент и после разрушения образца, что не обеспечивает своевременный отвод коррозионной среды от поверхности разрушения для ее сохранения, что, в свою очередь, не позволяет достоверно определить и оценить этапы развития трещины под нагрузкой на световом или электронном микроскопе;
- устройство сконструировано так, что при испытаниях реализуются только условия водородной деполяризации, что невозможно изменить, если возникнет необходимость для испытаний в условиях кислородной деполяризации;
- в устройстве узел отвода коррозионной среды выполнен сложно и является многозвеньевым.
Технический результат – повышение достоверности испытаний, приближенных к условиям эксплуатации, расширение функциональных возможностей.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для испытания образцов из стали на коррозионную трещиностойкость, содержащем станину, механизм нагружения образца, захваты для образца, систему фиксации роста трещины, емкость с коррозионной средой, снабженную  капельной системой,  согласно изобретению станина состоит из  устойчивого металлического каркаса, к которому прикреплен неподвижный захват, второй захват выполнен подвижным с малым удельным весом, причем захваты изготовлены из пассивного, химически нейтрального материала или снабжены прокладками, установленными со стороны закрепления образца, изготовленными из химически нейтрального материала с целью избежания электрохимического контакта между образцом и захватами, при этом механизм нагружения состоит из подвижного захвата, к концу которого подвешен на металлическом  тросе груз, емкость с коррозионной средой, снабженная  капельной системой, закреплена на вертикальной стенке, прикрепленной к станине выше неподвижного захвата, при этом капельная система установлена  с возможностью регулирования скорости подачи жидкости таким образом, чтобы жидкость попадала непосредственно в зону трещины образца, система фиксации роста трещины содержит узконаправленный источник света, неподвижно установленный на подвижном захвате или грузе; стойку с нанесенной на ней разметкой для отметки световых точек, изменяющих свое положение во времени в зависимости от роста трещины в процессе воздействия коррозионной среды и статического нагружения и видео-фиксатор, постоянно регистрирующий изменение светящейся точки на стойке, при этом стойка выполнена из прозрачного материала в случае установки видео-фиксатора за стойкой, или выполнена из непрозрачного материала в случае установки видео-фиксатора с той стороны, откуда направлен световой луч, к станине и подвижному захвату прикреплен гибкий эластичный элемент, защищающий излом от коррозионной среды после разрушения образца.
Сопоставительный анализзаявленного технического решения и известного устройства, взятого за прототип, показал, что заявляемое решение обладает новизной, имеет изобретательский уровень и практически востребовано, а, следовательно, и применимо.
В отличие от прототипа станина выполнена из тяжелого устойчивого металлического каркаса, к которому прикреплен неподвижный захват. Захват сконструирован таким образом, чтобы проводить испытания для образцов по ГОСТ 9454-78. Имеется второй захват с малым удельным весом, который является подвижным и к нему на металлическом тросе подвешивается груз.
Захваты выполнены из пассивного, химически нейтрального материала, например, полимера, или между образцом и захватом устанавливаются прокладки также из химически нейтрального материала с целью избежания электрохимического контакта между образцом и захватами.
Емкость, в которой находится коррозионная среда, сделана из пластмассы и закреплена на вертикальной стенке, прикрепленной к станине выше неподвижного захвата. От емкости отходит вертикально вниз канал, из которого подается капельным способом коррозионная среда непосредственно в зону трещины образца. Скорость подачи можно регулировать. Это создает условия для отвода старой и подвода новой порции агрессивной среды. Что, в свою очередь, позволяет с большей точностью приблизить лабораторные испытания к эксплуатационным условиям. При использовании данной системы подачи жидкости происходит воздействие кислорода воздуха и агрессивной среды.
Система фиксации роста трещины выполнена из: лазерного источника света, неподвижно размещяющегося на статически отклоняющемся захвате или грузе; стойки с нанесенной на ней разметкой, или закрепленной на стойке миллиметровой бумаги, для отметки световых точек, изменяющих свое положение во времени в зависимости от роста трещины в процессе воздействия коррозионной среды и статического нагружения; и видео-фиксатора постоянно регистрирующего изменение светящейся точки на стойке. Такая измерительная система обеспечивает получение качественной информации о росте трещины и четко фиксирует моменты этапы развития трещины.
Система защиты излома, обеспечивающая быстрое и надежное изолирование излома одной из половинок образца, остающейся в неподвижном захвате, закрепленном на станине, после разрушения самого образца, от воздействия коррозионной среды, выполнена в виде эластичного гибкого диэлектрического элемента, прикрепленного к станине и второму захвату с грузом, при падении которого (после разрушения образца), эластичный гибкий элемент закрывает излом, находящийся в неподвижном захвате, закрепленном на станине. Элемент должен быть коррозионностойким, нейтральным по отношению к коррозионной среде (например, фторопласт, резина), обеспечивая чистоту эксперимента и, следовательно, его качество.
На фиг. 1 схематично показан общий вид устройства.
На фиг. 2 схематично показана стойка с фиксированным с помощью светящегося источника изменением отклонения захвата в процессе статического нагружения и воздействия коррозионной среды в зону трещины.
На фиг. 3 схематично показан момент завершения эксперимента и защиты излома гибким элементом.
На фиг. 4 показан излом (сталь 40Х), зафиксированный без использования гибкого элемента.
На фиг. 5 показан излом (сталь 40Х), зафиксированный после использования гибкого элемента.
Устройство содержит станину 1 (фиг. 1), к которой прикреплен неподвижный захват 2 (фиг. 1). Станина состоит из  тяжелого устойчивого металлического каркаса. Образец 3 (фиг. 1) с трещиной 4 (фиг. 1) по ГОСТ 9454-78 устанавливается в неподвижный 2 (фиг. 1) и подвижный 5 (фиг. 1) пассивные захваты. Подвижный 5 захват имеет малый удельный вес.
На противоположной части от закрепления образца 3 подвижного захвата 5 подвешен на металлическом тросе 6 (фиг. 1) груз 7 (фиг. 1).
К станине 1 выше неподвижного 2 захвата закреплена на вертикальной стенке емкость 8 (фиг.1) с коррозионной средой, снабженная  капельной системой 9. Капельная система 9 установлена  с возможностью регулирования скорости подачи жидкости таким образом, чтобы жидкость попадала непосредственно в зону трещины  4 образца 3 (фиг.1).
Устройство включает систему фиксации роста трещины, содержащую (фиг.1) узконаправленный источник света 10, стойку 11 с нанесенной на ней разметкой 12 для отметки световых точек, изменяющих свое положение во времени в зависимости от роста трещины в процессе воздействия коррозионной среды и статического нагружения и видео-фиксатор 13, постоянно регистрирующий изменение светящейся точки на стойке 11.
Узконаправленный источник света 10 жестко закреплен на подвижном захвате 5 или грузе 7.
На некотором расстоянии от источника света 10 установлена стойка 11 (фиг. 1) с разметкой 12 (фиг. 2). Если стойка 11 выполнена из прозрачного материала, то видео-фиксатор 13 располагается за стойкой 11. Если стойка 11 не прозрачна, то видео-фиксатор 13 устанавливается в оптимальном для наблюдения месте с той стороны, откуда направлен световой луч. Например, как показано на фиг. 1 или может быть закреплена вблизи емкости 8. Над неподвижным захватом 2 закреплен гибкий эластичный элемент 14 (фиг. 3), защищающий излом от коррозионной среды после разрушения образца.
Устройство работает следующим образом.
На образец 3 из стали, преимущественно высокопрочной стали, например, типа 40Х или сталей типа Х2Г2С2МФ, наносят трещину 4 в соответствии с ГОСТ 9454-78. Устанавливают образец 3 в захваты 2 и 5 (фиг.1). Устанавливают вертикально над трещиной 4 образца 3 емкость (в воздушной среде) 8 с капиллярной системой 9. На металлический трос 6 подвешивают постоянный груз 7. Включают источник постоянного узконаправленного света 10, типа лазера. Включают видео-фиксатор 13. Запускают по каплям подачу коррозионной среды непосредственно в зону трещины 4 образца 3. Видео-фиксацию ведут по узконаправленному источнику света на стойке (фиг.2) до момента разрушения образца. В результате разрушения образца 3 подвижный захват 5 с грузом 7 и половинкой образца падает. Гибкий эластичный элемент 14, присоединенный к грузу, тянется за грузом вниз и закрывает половинку образца, которая остается в неподвижном захвате 2. Таким образом, в результате работы такого устройства половинки образцов сохраняют свои поверхности разрушения (фиг.5) в отличие от излома без защиты (фиг.4), так как одна половинка падает вместе с подвижным захватом, а вторая половинка закрывается гибким эластичным элементом (фиг.3) в момент падения подвижного захвата 5.
Устройство имеет преимущества:
- устройство повышает достоверность испытаний за счет наличия системы подачи коррозионной среды к трещине образца, защитной системы излома после разрушения образца, системы видео-фиксации, что расширяет функциональные возможности устройства, испытаний и последующего исследования поверхности излома;
- устройство с использованием видео-фиксации позволяет узнать точное время до разрушения образца, а также собрать больше данных об изменении роста трещины в процессе воздействия коррозионной среды и статического нагружения;
- устройство достаточно просто в использовании и может применяться в лабораторных и полевых условиях.