Спосіб створення початкової тріщини у зразку для визначення тріщиностійкості крихких пружних матеріалів

Запропонована корисна модель способу створення початкової тріщини у зразку для визначення тріщиностійкості крихких пружних матеріалів відноситься до галузі випробувань механічних властивостей крихких пружних матеріалів і може бути використана в оптичній та напівпровідниковій промисловості при розробці конструкцій, дослідженні матеріалів та технологій з'єднання прецизійних деталей у виробництві оптоелектронних приладів. На теперішній час широко відомі різні методи визначення тріщиностійкості крихких матеріалів [1, 2], які базуються на формуванні у зразку з досліджуваного матеріалу початкової тріщини. Основні способи формування початкової тріщини у зразках для визначення тріщиностійкості крихких пружних матеріалів [3-5] полягають у наступному: перпендикулярно одній з площин призматичного зразка виконується надріз або формується тріщина методом відбитку індентора Кнуппа чи Віккерса з наступним поліруванням відбитку з метою видалення заглиблення та збереження на поверхні початкової тріщини. Після цього зразок навантажується на згинання для розповсюдження заздалегідь сформованої початкової тріщини. Значення сили навантаження, при якій зразок руйнується, дозволяє розрахувати значення параметру стійкості матеріалу до розповсюдження крихкої тріщини (тріщиностійкості), який має позначення К1C. Відомі способи створення початкової тріщини мають наступні суттєві недоліки: надріз має реальний радіус вершини, величина якого не відповідає значенню у реальній тріщині та суттєво впливає на результати визначення К1C (різниця у декілька разів); тріщини від індентора мають випадковий характер як по напрямку розповсюдження та кількості утворених тріщин, так і по їх розмірам. Крім того, виникають великі труднощі по вимірюванню реальної глибини утворених індентором тріщини у зразках з прозорих, а особливо з непрозорих крихких матеріалів. Найбільш близьким технічним рішенням, яке прийняте за прототип, є спосіб створення початкової тріщини, який включає виготовлення двох окремих деталей з досліджуваного матеріалу, на одній з бокових сторін цих деталей виконують фаски необхідних розмірів, бокові сторони полірують і деталі з'єднують відомими методами, наприклад, методом оптичного або глибокого оптичного контакту, розміщуючи фаску навпроти фаски [6]. Після проведення з'єднання початкова тріщина утворюється фасками, які мають певні розміри та гостроту. При механічному навантаженні зразка, якщо тріщина розповсюджується у матеріал, можна розрахувати значення К1С матеріалу та зробити висновок, що з'єднання мало міцність на рівні міцності матеріалу або вище. Якщо тріщина розповсюджується по з'єднанню двох частин, то можна приблизно оцінити міцність з'єднання. Недоліком прототипу є те, що фаска утворює з площиною з'єднання певний відносно великий кут, а виготовлення полірування поверхонь з виготовленими фасками призводить до того, що змінюються початкові геометричні характеристики фасок і з'єднання виконується у неконтрольованій по розмірам області. При цьому глибина та ширина утвореної фасками тріщини стають неточно визначеними, і тому значення К1C, розраховане в результаті проведення одного вимірювання, має велику похибку (до 30-40%). Тому отримання достовірних значень К1C вимагає проведення великої кількості вимірювань, розрахунків та усереднення їх результатів, що суттєво підвищує трудомісткість. Задачею запропонованої корисної моделі є спосіб створення початкової тріщини, яка має значно більш контрольовані і точні геометричні характеристики. Це дозволяє суттєво підвищити точність розрахунків значення К1C по результатам кожного вимірювання, значно знизити кількість необхідних вимірювань, що суттєво зменшує трудомісткість отримання достовірних значень К1C. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що запропоновано спосіб створення початкової тріщини у зразку для визначення тріщиностійкості крихких пружних матеріалів, який включає полірування та з'єднання полірованих поверхонь двох окремих деталей з досліджуваного матеріалу, який відрізняється тим, що з'єднувані поверхні виконують паралельними одна до одної по всій площині поперечного перерізу, з'єднання проводять через нанесений на частину паралельних поверхонь з'єднуваних деталей тонкий шар адгезійно-активного металу методом спікання, а початкову тріщину створюють вільні від адгезійно-активного металу частини паралельних поверхонь з'єднуваних деталей. Позитивний ефект досягається завдяки тому, що адгезійно-активний метал може бути нанесений тільки на певну, заздалегідь точно визначену площу. Після проведення з'єднання початкова тріщина утворена практично ідеально паралельними площинами, вільними від адгезійно-активного металу, та має радіус вершини менше ніж 0,1mм (не більше товщини шару покриття). Така тріщина є найбільш близькою до реальної тріщини та має повністю визначені параметри - глибину, ширину та радіус вершини. Існуючими на сьогоднішній день способами, окрім того, який заявляється, неможливо створити початкову тріщину такої високої якості. Цей факт обумовлює новизну запропонованої корисної моделі. На Фіг.1 наведений зовнішній вигляд однієї з деталей 1 зразка, на торцевій полірованій поверхні якої нанесене покриття 2. На Фіг.2 показаний зразок для випробувань механічних властивостей крихких пружних матеріалів та їх з'єднань, який створений при з'єднанні деталі 1 за допомогою покриття 2 з деталлю 3. При цьому формується початкова тріщина 4, яка має заздалегідь задані параметри: глибину, товщину та радіус вершини. Для реалізації запропонованої корисної моделі були виготовлені зразки з оптичного ситалу СО-115М та склокераміки Zerodur виробництва фірми ШОТТ, Німеччина, розмірами 10´10´50мм. Поверхні шліфувалися та полірувалися по традиційній технології, прийнятій у оптичному приладобудуванні. На торцеві поверхні наносили у вакуумі покриття з алюмінію товщиною 0,1mм певної конфігурації. З'єднання проводили за допомогою твердофазного дифузійного спікання при температурі 400°С, при цьому не змінюються властивості цих матеріалів. Випробування тріщиностійкості проводилося стандартним методом визначення К1С в умовах поперечного трикрапкового згину. Розрахунок К1С згідно рекомендацій [5] виконували за формулою: 3PL K 1C = Y a 2dh 2 , 2 Y = 1 93 - 3,07 , 3 a æ aö æaö æaö + 13,66ç ÷ - 23,98ç ÷ + 25,22ç ÷ h èh ø èhø èhø 4 де , Ρ - сила у поперечному перерізі зразка з початковою тріщиною, L - відстань між нижніми опорами, d та h - ширина та висота перерізу зразка відповідно, а - глибина початкової тріщини. 1 K 1C = 0,63... 0,69 МПа × м 2 Отримані по результатам вимірювань та розрахунків значення тріщиностійкості для вказаних матеріалів були на рівні тих значень, які отримують іншими менш точними, і тому більш трудомісткими, способами для даного класу матеріалів. На відміну від методу створення початкової тріщини шляхом тонкого пропилювання помітної залежності отриманих значень К1С від радіусу заокруглення тріщини не було встановлено, тому що реалізована надтонка тріщина мала товщину 0,1mм, що на порядок менше, ніж у відомих аналогів. При цьому було встановлено, що від кожного окремого вимірювання похибка розрахованого значення К1С суттєво зменшилась і складала величину 5-10% у порівнянні з похибкою кожного окремого вимірювання у прототипі (30-40%). Це дозволило суттєво зменшити кількість вимірювань, які необхідно провести для точного визначення К1С, що значно знизило трудомісткість методу. Крім того, у процесі випробувань початкова тріщина розповсюджувалась у матеріал, що свідчило про високу міцність з'єднання (на рівні міцності основного матеріалу або вище). Додатковою перевагою запропонованого способу є те, що, завдяки використанню прецизійної нанотехнології нанесення адгезійного покриття, практично немає обмежень по глибині тріщини а і стає можливим виконувати оцінку К1С з глибиною тріщини від 20 до 60mм та з будь-якою її формою, яка характерна для звичайних природних дефектів поверхні оптичних матеріалів. Література. 1. A.A. Дворский, В.П. Маслов. Способ определения прочности хрупких материалов. Авторское свидетельство СССР №1211629 от 15.02.1986г. Бюллетень №6. 2. В.П. Маслов, A.A. Дворский. Способ определения трещиностойкости хрупких неметаллических материалов. Авторское свидетельство СССР №1355910 от 30.11.1987г. Бюллетень №44. 3. ASTM С 1421-99, Standard Test Method for the Determination of Fracture Toughness of Advanced Ceramics at Ambient Temperature. 4. Draft Standard DIN S1 109, Testing of Advanced Technical Ceramics; Determination of Fracture Toughness K 1С, DIN NMP 291, September, 1991. 5. А.Г. Аванс, Т.Г. Ленгдон, Конструкционная керамика. Москва, «Металлургия», 1980, стр.105. 6. Ε.Η. Прокофьев, Г.Ф. Пищук, B.C. Чередник, Γ.Α. Куршев, Методы соединения оптических деталей. Киев, Техника, 1984 г, стр. 74-76.