Спосіб оцінки анізотропії характеристики тріщиностійкості кіс

Спосіб оцінки анізотропії характеристики тріщиностійкості КІС, який включає визначення модуля пружності і умовної границі текучості при одновісному розтязі зразків без тріщин, розміру зерна матричної фази і відстані між частинками зміцнюючих фаз дисперсійне твердіючого сплаву, який відрізняється тим, що для початково анізотропного матеріалу вимірюють модулі пружності ЕД, ЕП, ЕВ та умовні границі текучості (s0,2)Д, (s0,2)П, (s0,2)В при одновісному розтязі зразків без тріщин у подовжньому Д, поперечному П та висотному В на 33150 Окрім того, використання у ролі структурного параметра розміру первинного аустенітного зерна дозволяє використати спосіб [1] лише до вузького класу ізотропних металів - переважно до структур перегріву деяких феріто-перлітних і мартенситностаріючих сталей, котрі не мають практичного значення. Відомий спосіб визначення характеристики тріщиностійкості дисперсійно-зміцнених металевих композитів за результатами механічних випробувань в умовах одновісного розтягу зразків без тріщин і виміру за методом фрактографічного аналізу відстані між зруйнованими частинками зміцнюючих фаз на зруйнованій поверхні [2]. Основні ознаки аналогу [2], котрі співпадають з суттєвими ознаками заявлюваного винаходу: вимір модуля пружності і границі текучості при одновісному розтязі зразків без тріщин, вимір відстані між частинками зміцнюючих фаз. Ізотропний стан металевих композитів, що розглядаються в аналозі [2], обумовлює рівність чисельних значень модуля пружності та границі текучості матеріалу у різних напрямах, рівномірний характер розподілу частинок зміцнюючих фаз, а отже, рівність відстаней між ними і постійність чисельних значень характеристики тріщиностійкості КІС у різних напрямах. Це дозволяє вимірювати вказані механічні характеристики матеріалу в будь-якому напрямі, а відстань між частинками зміцнюючих фаз - в будьякій площині. Останнє неможливо для початкове анізотропних напівфабрикатів та виробів, для яких має місце залежність механічних і структурних характеристик від напряму вирізки відповідних зразків, які необхідні для їх визначення. Окрім того, вважаємо некоректним ототожнювати у аналозі [2] відстані між зруйнованими частинками з відстанню між порами на зруйнованій поверхні, яка визначається методом мікрофрактографічного аналізу: утворення пор однозначно не пов’язане з частинками зміцнюючих фаз. Тоді як в розрахункові формули вводиться безпосередньо відстань між частинками. Найбільш близьким до заявлюваного винаходу є спосіб оцінки характеристики тріщиностійкості ряду класів дисперсійне твердіючих сплавів в широкому діапазоні зміни їх міцнісних властивостей за даними механічних випробувань зразків без тріщин в умовах одновісного розтягу з врахуванням вихідної (до руйнування) відстані між частинками зміцнюючих фаз, що визначається методами рентгеноструктурного і електронномікроскопічного аналізу і замінює у розрахункових формулах розмірний параметр пластичної зони біля вершини тріщини [3]. Основні ознаки прототипу [3], котрі збігаються з суттєвими ознаками заявлюваного винаходу: вимір модуля пружності і границі текучості при одновісному розтязі зразків без тріщин; вимір вихідної (до руйнування зразків) відстані між частинками зміцнюючих фаз; запропонований варіант структурно-механічної моделі руйнування як основи для її подальшого розвитку. Відомий спосіб відноситься тільки до початкове ізотропних дисперсійне-твердіючих сплавів, технологічна анізотропія яких (що пов’язана з процесом виготовлення напівфабрикатів), повністю зникає під час відпалу і гартування, які були попереду зміцнюючої термічної обробки. Таким матеріалам властива постійність чисельних значень модуля пружності і границі текучості у різних напрямах, рівномірний розподіл частинок зміцнюючих фаз, а отже і постійність відстані між ними незалежно від напряму нормалі до досліджуваної площини матеріалу. Тому відомий спосіб не може бути розповсюджений на анізотропні металеві матеріали з визначеною залежністю модуля пружності і границі текучості від напряму розтягу, початкове неоднорідним розподілом частинок зміцнюючих фаз, а отже, і відстані між ними. Вказані особливості анізотропного матеріалу треба кількісно враховувати при дальшому розвитку для нього структурномеханічної моделі руйнування [3]. В основу запалюваного винаходу поставлена задача створення способу оцінки анізотропії характеристики тріщиностійкості КІС у трьох взаємно перпендикулярних площинах розповсюдження фронту тріщини металевих матеріалів з початковою анізотропією механічних властивостей. Поставлена задача вирішується тим, що у способі оцінки анізотропії характеристики тріщиностійкості КІС, що включає визначення модуля пружності та умовної границі текучості при одновісному розтязі зразків без тріщин, розміру зерна матричної фази та відстані між частинками зміцнюючих фаз дисперсійне-твердіючого сплаву, згідно винаходу, для початково анізотропного матеріалу вимірюють модулі пружності ЕД, ЕП, ЕВ та умовні границі текучості (s0,2)Д, (s0,2)П, (s0,2)В при одновісному розтязі зразків без тріщин у подовжньому Д, поперечному П та висотному В напрямах матеріалу,що досліджується, визначають відношення відстані між частинками зміцнюючих фаз у трьох взаємно перпендикулярних площинах (ПВ), (ДВ) та (ДП) як функції величини пластичної деформації Е при термомеханічній обробці матеріалу l(ДВ)/l(ПВ)=(1-Е)1/3 і l(ДП)/l(ПВ)=(1-Е)2/3, для знаходження величини Е вимірюють розмір зерна матричної фази в подовжньому dД та висотному dВ напрямках на металографічних шліфах досліджуємого матеріалу з площини (ДВ) після їх електрополірування та фотографування на металомікроскопі, за величиною відношення dД/dВ=(1-Е)-2 знаходять шукані значення і розраховують анізотропію характеристики тріщиностійкості КІС, за формулами (КІС)ПД/(КІС)ДП=[(ЕП(s0,2)П/ЕД(s0,2)Д)(l(ДВ)/l(ПВ))]1/2 і (КІС)ВД/(КІС)ДП=[(ЕВ(s0,2)В/ЕД(s0,2)Д)(l(ДП)/l(ПВ))]1/2. Сутність заявлюваного винаходу полягає в наступному. Винахід розповсюджується на напівфабрикати та вироби із дисперсійне-твердіючих конструкційних сплавів, початкова анізотропія механічних властивостей яких формується при суміщенні процесів формоутворення методами обробки тиском (прокат, пресування, штампування і інш.) та зміцнення, коли зміцнюючий ефект термічної обробки обумовлюється температурно-силовими умовами технологічного деформування, що виключають розвиток рекристалізаційних процесів. При цьому на анізотропію механічних властивостей головний вплив справляє механічна (морфологічна) текстура матеріалу, яка означає збереження після високотемпературного деформування витягу зерен матричної фази у напряму де 2 33150 1) На металографічних шліфах з подовжньої торцевої площини (ДВ) об'єкту,що досліджується, (див. фіг. 1) методом оптичної мікроскопії вимірюють розмір зерна матричної фази у напрямі Д dД і у напрямі В dВ. 2) За величиною їх відношення як функції деформації dД/dВ=(1-Е)-2, (7) що отримує відповідно до умови постійності об’єму пластично деформованих металів і принципом Тейлора-Поляні (dД=d0(1-Е)-1; dВ=d0(1-Е), де d0 - розмір зерна до термомеханічної обробки), розраховують, або визначають із допоміжного графіка (фіг. 2) величину технологічної деформації досліджуваної пластини, що пов’язана з її розмірами відношенням Е=(F0-F)/F0, де F0 і F - початкова і кінцева (після термомеханічної обробки) площина її поперечного перетину. 3) За знайденим металографічним методом значенням Е визначають відносну щільність частинок по кожній з границь зерен, що паралельні площинам (ПВ), (ДВ) і (ДП), (¦С)(ПВ)/¦С=А1; (¦С)(ДВ)/¦С=А2 і (¦С)(ДП)/¦С=А3, де ¦С - загальна щільність виділень по границях зерен, А1, А2 і А3 - питома площа кожної з границь зерен, паралельної відповідній площині пластини, віднесена до сумарної площі границь зерен в І об’єму: А1=(1-Е)2/[(1-Е)2+(1-Е)+1], (8) А2=(1-Е)/[(1-Е)2+(1-Е)+1], (9) А3=1/[(1-Е)2+(1-Е)+1], (10) Відповідно до співвідношень (4)...(6) і (8)...(10) (11) l(ДВ)/l(ПВ)=(А2/А1)-1/3=(1-Е)1/3, (12) l(ДП)/l(ПВ)=(А3/А1)-1/3=(1-Е)2/3, Таким чином, для знайденого значення Е шукані відношення l(ДВ)/l(ПВ) і l(ДП)/l(ПВ) можуть бути визначені або безпосередньо із співвідношень (11) і (12), або з відповідних допоміжних графіків (фіг. 3). Для знайдених чисельних значень ЕД, ЕП, ЕВ, (s0,2)Д, (s0,2)П, (s0,2)В, l(ДВ)/l(ПВ) і l(ДП)/l(ПВ) відповідно до співвідношень - (1) оцінюють анізотропію характеристики тріщиностійкості вивчаємого об’єкту за слідуючими формулами: (КІС)ПД/(КІС)ДП=[(ЕП(s0,2)П/ЕД(s0,2)Д)(l(ДВ)/l(ПВ))]1/2, (13) (КІС)ВД/(КІС)ДП=[(ЕВ(s0,2)В/ЕД(s0,2)Д)(l(ДП)/l(ПВ))]1/2, (14) На фіг. 1 представлена схема вирізки із досліджуваної пластини компактних зразків на позацентровий розтяг, необхідних для стандартної експериментальної методики визначення анізотропії характеристики тріщиностійкості КІС і для зрозуміння сутності способу заштриховано площини (ПВ), (ДВ) і (ДП) пластини та паралельні їм площини розповсюдження фронту тріщини зразків ДП, ПД і ВД відповідно (перша літера означає подовжній Д, поперечний П і висотний В напрям діючої сили, друга - напрям розповсюдження тріщини). На фіг. 2 приведено допоміжний графік для оцінки величини деформації Е при високотемпературній термомеханічній обробці матеріалу за металографічне знайденою величиною відношення розміру зерна матричної бази в напрямах Д і В dД/dВ. Стрілки відповідають здійсненню способу на прикладах сплавів 1 і 2. На фіг. 3 приведено допоміжний графік для оцінки величини відношення відстані між частинками зміцнюючих фаз у трьох взаємно перпенди формування, а також переважне виділення по їх границях та неоднорідний характер розподілу частинок зміцнюючих фаз, активізуючих процес формування зародків руйнування - пор, субмікро- та мікротріщин при статичному та циклічному навантаженні. Означений тип механічної текстури при нехтуванні впливом кристалографічної текстури характерний, головним чином, для металів і сплавів з гранецентрованою кубічною граткою матричної фази (наприклад, для широкого класу дисперсійне-твердіючих алюмінієвих сплавів). Заявлюваний винахід базується на таких теоретичних і експериментальних положеннях. Відповідно до варіанту моделі Хана і Розенфілда для ізотропного металу характеристика тріщиностійкості КІС описується таким виразом (1) КІС=(2Еs0,2х0)1/2, де Е і s0,2 - модуль Юнга та умовна границя текучості при одновісному розтязі зразків без тріщин, х0 - розмірний параметр пластичної зони (зони передруйнування) біля вершини тріщини, пропорційно зв’язаний з початковою відстанню між частинками зміцнюючих (карбідних, або інтерметалідних) фаз l0 для широкого класу дисперсійнетвердіючих сплавів [3]: (2) х0=al0, Для рівновісної форми частинок (3) l0=(П/6)1/3Д0¦С-1/3, де Д0 і ¦С - початковий розмір і об’ємна частка рівномірно розташованих частинок зміцнюючої фази в ізотропному матеріалі. Відмінними особливостями заявлюваного способу оцінки анізотропії характеристики тріщиностійкості КІС, що визначається відношеннями (КІС)ПД/(КІС)ДП і (КІС)ВД/(КІС)ДП, Становлять: - вимір модулів пружності ЕД, ЕП, ЕВ і умовних границь текучості (s0,2)Д, (s0,2)П, (s0,2)В при одновісному розтязі зразків без тріщин у подовжньому Д, поперечному П і висотному В напрямах матеріалу, що досліджується, (наприклад, представленій на фіг. 1 пластини); - визначення за даними вимірювання мікроструктурним методом розміру зерна матричної фази в напрямах Д і В величини відношення відстані між частинками зміцнюючих фаз l(ДВ)/l(ПВ) і l(ДП)/l(ПВ) у трьох взаємно перпендикулярних площинах (ПВ), (ДВ) і (ДП), паралельних площинам розповсюдження фронту тріщини в компактних зразках на позацентровий розтяг ДП, ПД і ВД (фіг. 1), необхідних для прямого експериментального вимірювання по стандартній методиці (без використання заявлюваного способу) характеристик тріщиностійкості (КІС)ДП, (КІС)ПД і (КІС)ВД. Для типу, що розглядається, початкове анізотропного матеріалу відповідно до відношення (3) приймаємо (4) l(ПВ)=(П/6)1/3Д0(¦С)(ПВ)-1/3 (5) l(ДВ)=(П/6)1/3Д0(¦С)(ДВ)-1/3 (6) l(ДП)=(П/6)1/3Д0(¦С)(ДП)-1/3 де (¦С)(ПВ), (¦C)(ДВ) і (¦С)(ДП) - щільність частинок зміцнюючих фаз на кожній з вказаних площин: (ПВ), (ДВ) і (ДП). Для визначення чисельних значень відношень l(ДВ)/l(ПВ) і l(ДП)/l(ПВ) виконують такі операції: 3 33150 кулярних площинах l(ДВ)/l(ПВ) і l(ДП)/l(ПВ) щодо знайденого значення величини Е. Стрілки відповідають здійсненню способу на прикладах сплавів 1 і 2. Як приклад здійснення способу анізотропію характеристики тріщиностійкості КІС визначають для катаної плити із алюмінієвого сплаву В95 (сплав 1) та для пресованої плити із алюмінієвого сплаву ДІ6Т (сплав 2) в слідуючій послідовності: - експериментальне вимірюють модулі пружності ЕД, EП, ЕВ та умовні границі текучості (s0,2)Д, (s0,2)П, (s0,2)В на зразках без тріщин, вирізаних із катаної пластини сплаву 1 та пресованої пластини сплаву 2 для механічних випробувань в умовах одновісного розтягу в подовжньому Д, поперечному П і висотному В напрямах (таблиця 1); - виготовляють металографічні шліфи з площини (ДВ) пластин із досліджуваних сплавів, для визначення їх мікроструктури шліфи електрополірують у сірчанофосфорному електроліті і фотографують на металографічному мікроскопі, на мікрофотографіях вимірюють розмір зерна матричної фази в напрямі Д і В dД dВ, визначають величину відношення dД/dВ (таблиця 2); - для знайденого значення dД/dВ за формулою (7), або із допоміжного графіка (стрілки на фіг. 2) визначають величину Е, що відповідає процесу прокату сплаву 1 і процесу пресування сплаву 2 (див. табл. 2); - для знайденого значення Е за формулами (11) і (12), або із допоміжного графіка (стрілки на фіг. 3) визначають чисельні значення відношень l(ДВ)/l(ПВ) і l(ДП)/l(ПВ) для сплавів 1 і 2 (див. табл. 2); - на основі одержаних даних за формулами (13) і (14) розраховують анізотропію характеристики тріщиностійкості (КІС)ПД/(КІС)ДП і (КІС)ВД/(КІС)ДП сплавів 1 і 2 (таблиця 3). Як видно із таблиці 3, результати розрахунку за пропонованим способом добре узгоджуються з даними прямого експерименту, одержаними на основі застосування стандартних методик випробувань компактних зразків з тріщиною на позацентровий розтяг у трьох взаємно перпендикулярних напрямах, вирізаних із досліджуваної пластини за схемою фіг. 1. Заявлюваний винахід має важливе науковотехнічне значення щодо низько- і середньоміцних конструкційних сплавів, для яких пряме експериментальне визначення анізотропії характеристики тріщиностійкості (КІС) неможливо, або дуже утруднено в зв’язку з необхідністю виконання умови коректності експерименту: t³2,5 (КІС/s0,2)2, де t - товщина компактного зразка. Для вказаного виду матеріалів (при невисоких значеннях s0,2 значних за величиною показниках КІС) потрібно впровадження складних експериментів на великогабаритних зразках, виготовлення яких для багатьох реальних напівфабрикатів і виробів практично неможливо у зв’язку з невідповідністю їх розмірів вимогам стандарту. Спосіб, що пропонується, є експресний метод діагностики напряму мінімальної тріщиностійкості термомеханічне оброблених напівфабрикатів і виробів із дисперсійне-твердіючих сплавів при виключенні прямих технічно складних та матеріалоємних експериментів на великогабаритних зразках з тріщиною. Спосіб може бути використаним при оптимізації температурно-силових умов обробки металу тиском для визначення границь зміни величини пластичної деформації Е, що обумовлюють реалізацію зміцнюючого ефекту термічної обробки при одночасному зниженні, або спрямованій (з урахуванням умов випробувань) зміні анізотропії характеристики тріщиностійкості КІС матеріалу елементів конструкцій з метою підвищення їх експлуатаційної надійності. Таблиця 1 Сплав 1 2 ЕД 10-4, МПа 6,7 6,9 ЕП 10-4, МПа 6,7 6,9 ЕВ 10-4, МПа 6,7 6,9 (s0,2)Д, МПа 472 346 (s0,2)П, МПа 467 284 (s0,2)В, Мпа 425 295 Таблиця 2 Сплав 1 2 dД, мкм 600 350 dВ, мкм 40 125 dД/dВ 15 2,8 Е 0,74 0,4 l(ДВ)/l(ПВ) 0,64 0.84 l(ДП)/l(ПВ) 0,41 0,71 Таблиця 3 Сплав 1 2 Розрахунок за заявленим Експеримент способом (КІС)ПД/(КІС)ДП (КІС)ВД/(КІС)ДП (КІС)ДП, Мпа/м (КІС)ПД, Мпа/м (КІС)ВД, Мпа/м (КІС)ПД/(КІС)ДП (КІС)ВД/(КІС)ДП 0,79 0,61 30,0 22,9 19,6 0,76 0,65 0,83 0,78 38,0 31,3 29,7 0,82 0,78 4 33150 Фіг. 1 5 33150 Фіг. 2 Фіг. 3 6 33150 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 7