СПОСОБ ОБРАЗОВАНИЯ ТРЕЩИН В ОБРАЗЦАХ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
METHOD FOR CRACK FORMATION IN SPECIMENS OF ALUMINIUM ALLOYS

Изобретение относится к механическим испытаниям материалов, в частности к способам изготовления образца с трещиной, и может быть использовано при проведении динамических испытаний алюминиевых сплавов (ударный изгиб с определением вязкости разрушения) и их испытаний на долговечность (усталость, ползучесть).
Известен способ создания концентраторов напряжения в образцах для испытания согласно ГОСТ 9454-78, ГОСТ 25.506-85. Эти концентраторы выполняются в виде надрезов U- и V-образной формы. Недостатками данных концентраторов является то, что их применение не обеспечивает требуемый скачок напряжений в устье надреза. Это в свою очередь приводит к тому, что при испытаниях не обеспечивается требуемая точность полученных результатов.
Для повышения точности испытаний указанные ГОСТы предусматривают дополнительный способ концентрации напряжений - концентратор типа «Т». В данном случае от вершины начального надреза в образце создается усталостная трещина. Известны также иные способы создания усталостных трещин в образцах: авторское свидетельство СССР №750324, кл. G01N 1/28, 1978; 1037127, кл. G01N 3/00, 1982; 1453226, кл. G01N 3/32, 1987.
Однако применение усталостных трещин в качестве концентратора напряжений также имеет ряд недостатков, а именно:
- высокая трудоемкость, длительность и технологическая сложность создания трещины. Это объясняется тем, что для создания трещины в образце выполняется предварительный надрез. От вершины надреза трещина «проращивается» путем плоского циклического изгибания образца. При этом количество циклов изгибания должно быть не менее 3000, что требует наличия соответствующего оборудования и значительных временных затрат;
- не создает требуемый уровень концентрации напряжения для испытаний пластичных, но недостаточно стойких к трещинообразованию металлов (латуни, алюминиевых сплавов). Это объясняется тем, что при эксплуатации, например, алюминиевых сплавов в них образуются острые тещины, которые имеют хрупкий характер разрушения. Устье указанных трещин имеет малый радиус, который соизмерим с шириной межзеренного пространства данных сплавов. В то же время усталостные трещины, образованные при знакопеременных пластических деформациях, имеют «затупленное» устье, радиус которого может на порядок превышать данный параметр для трещин, образуемых в алюминиевых сплавах на практике. В данном случае получаемые результаты испытаний имеют также недостаточную точность.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ образования трещин в образцах для испытания на усталость, техническим результатом которого является обеспечение заданного регулируемого влияния микротрещин на продвижение заданной трещины при обеспечении возможности ее образования на любом участке материала с изменением концентрации напряжения в любом направлении. Указанный результат достигается тем, что импульсным лазерным излучателем формируют инициатор трещины и осуществляют ее выращивание (Патент РФ №2059220, МПК G01N 3/32, 1996 г.).
Указанный способ имеет следующие недостатки:
- высокая стоимость и технологическая сложность процесса. Для инициирования трещины требуется дорогостоящее сложное лазерное оборудование и высококвалифицированный персонал;
- при воздействии лазерного излучения возможно образование зон термического влияния, которые будут изменять механические характеристики исследуемых сплавов и тем самым вносить значительные погрешности в результат испытаний.
Для исключения указанных недостатков при инициировании хрупких трещин в алюминиевых сплавах возможно использование явления жидкометаллического охрупчивания, которое выражается в облегчении трещинообразования в указанных сплавах в присутствии поверхностно-активных жидкометаллических расплавов, например жидкого галлия (Охрупчивание конструкционных сталей и сплавов. Под ред. Байента К.Л., Бенержи С.К. М.: Металлургия, 1988 г., с.333-398).
Целью изобретения является создание способа образования трещин в образцах для испытания на трещиностойкость, обеспечивающего следующие технические результаты:
- упрощение технологии инициирования трещины за счет исключения сложного дорогостоящего оборудования и снижения временных затрат;
- создание трещин с параметрами, схожими с параметрами трещин, образуемых в конструкционных сплавах во время их эксплуатации, а именно хрупкие, определенной длины и с устьем, радиус которого соизмерим с межзеренным пространством данных сплавов;
- исключение нежелательного изменения механических характеристик в зоне металла за инициированной трещиной, которые могут исказить результаты испытаний.
Эти технические результаты в способе образования трещин в алюминиевых сплавах, при котором в образце создаются механические напряжения для ее прорастания, достигаются тем, что инициирование и прорастание трещины обеспечивается локальным охрупчиванием образца путем нанесения ограниченного количества жидкометаллического расплава на его поверхность в требуемом месте.
Сущность изобретения заключается в последовательном выполнении следующих операций.
Вначале на локальную поверхность образца, где требуется инициирование трещины, наносится жидкометаллический расплав определенной массы. Затем однократно в образце создаются механические напряжения, например, плоским изгибом. Уровень данных напряжений находится в упругой зоне и составляет 5% от предела пропорциональности. За счет охрупчивающего влияния наносимого расплава в месте его нанесения будет образовываться трещина требуемых параметров. Длина трещины будет зависеть от массы нанесенного расплава.
Данный способ позволяет упростить технологию образования хрупких трещин, поскольку для его реализации требуется однократное создание незначительных механических напряжений (5% от предела пропорциональности). Это исключает применение сложного и дорогостоящего оборудования и снижает временные затраты.
Требуемые параметры трещины обеспечиваются тем, что в результате охрупчивания она будет носить хрупкий характер. Значение прилагаемой нагрузки находится в упругой зоне деформирования, пластическая составляющая деформирования при этом будет минимальной. Однократное приложение данной нагрузки обеспечивает минимальный радиус устья трещины, поскольку «затупление» за счет пластического деформирования снижается (в отличие от усталостных трещин). Длина трещины регулируется массой наносимого расплава.
После остановки трещины охрупчивающее влияние жидкометаллического расплава прекращается, что исключает возможность искажения результатов испытаний по причине нежелательного изменения механических характеристик материала.
На фотографии показана инициированная галлием трещина в образце для испытания на ударную вязкость. Параметры трещины соответствуют параметрам трещин, образуемых в конструкционных алюминиевых сплавах во время их эксплуатации.
Таким образом, данный способ может быть использован при испытаниях алюминиевых сплавов на ударный изгиб с определением ударной вязкости, усталости, ползучести. Он позволяет образовывать трещины требуемых параметров (определенной длины и с заостренным устьем). Для этого не требуется применения дорогостоящего и сложного оборудования и значительных временных затрат. Исключается изменение механических характеристик алюминиевого сплава за устьем трещины, что снижет погрешность результатов испытаний.