способ определения динамического предела текучести

Формула изобретения

1. Способ определения динамического предела текучести, включающий нагружение образца до появления пластических деформаций на его поверхности и измерение суммарной остаточной деформации поверхности образца, отличающийся тем, что нагружение осуществляют сериями локальных импульсных воздействий теплового потока с различным сочетанием плотности потока и времени экспозиции, а указанное сочетание выбирают из условия равенства максимальных температур в зоне воздействия теплового потока для каждой серии, расчетным путем определяют перепад температур в зоне воздействия теплового потока, скорость деформации, накопление пластической деформации за время нагружения и по полученным данным определяют динамический предел текучести.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при нагружении поддерживают заданную среднемассовую температуру образца дополнительным воздействием расфокусированного теплового потока на поверхность образца, не подверженную локальному импульсному воздействию.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к определению механических свойств материалов, а более конкретно к способам определения предела текучести.

Известен способ определения предела текучести, при котором испытания проводят в условиях воздействия осевыми сжимающими усилиями, статически нагружая образцы со скоростями деформации до ~ 10^-5 1/с, измеряют деформации и напряжения, а по полученным результатам судят о пределе текучести материала (патент РФ 2040784, МПК G 01 N 3/08, G 01 N 3/24, з. 03.02.93).

Однако применение данного способа ограничено указанными скоростями деформаций, не отвечающим условиям динамического нагружения. Кроме того, для получения достоверных результатов необходимо проведение большого количества дорогостоящих экспериментов, так как образец подвергается лишь однократному испытанию.

Известен также способ Тейлора и Уиффина определения динамического предела текучести по измерению остаточных деформаций в прямом круговом цилиндре после его удара о жесткую преграду. Способ основан на предположении об одномерном распространении волн при упругопластическом состоянии материала. Динамический предел текучести определяется путем сравнения результатов измерений с результатами, полученными расчетным путем на основе двумерной конечно-разностной схемы (Т. Николас. Поведение материалов при высоких скоростях деформации. Сб. "Динамика удара". Перев. с англ., М.: Мир, 1985 г., стр. 229).

Однако этот способ не позволяет определять динамический предел текучести при высоких температурах, а также при неравномерном распределении температуры в объеме образца. Кроме того, как и в случае аналога для получения достоверных результатов, необходимо проведение большого количества экспериментов.

Задачей изобретения является определение динамического предела текучести материалов при высокой температуре в условиях неравномерного нагрева при одновременном снижении стоимости испытаний.

Для решения поставленной задачи изобетерия предложен способ определения динамического предела текучести, включающий нагружение образца до появления пластических деформаций на его поверхности и измерение суммарной остаточной деформации поверхности образца, причем нагружение осуществляют сериями локальных импульсных воздействий теплового потока с различным сочетанием плотности потока и времени экспозиции, а указанное сочетание выбирают из условия равенства максимальных температур в зоне воздействия теплового потока для каждой серии, расчетным путем определяют перепад температур в зоне воздействия теплового потока, скорость деформации, накопление пластической деформации за время нагружения, и по полученным данным определяют динамический предел текучести. При нагружении можно поддерживать заданную среднемассовую температуру образца дополнительным воздействием расфокусированного теплового потока на поверхность образца, не подверженную локальному импульсному воздействию.

При импульсном нагружении образца макродеформация его поверхности постепенно накапливается за время испытаний, измерения, проведенные после эксперимента, позволяют фиксировать остаточную деформацию поверхности, накопленную в течение десятков тысяч термоциклов нагружения. Таким образом, результаты измерений обобщают серию экспериментов, осредняя погрешности каждого отдельного измерения, что облегчает проведение измерений и позволяет более точно, по сравнению с прототипом, определять динамический предел текучести.

Проведение нагружения сериями с различным сочетанием плотности теплового потока и времени экспозиции, обеспечивающим равенство температур в зоне теплового воздействия, позволяет изменять только скорость нагружения, которую можно определять расчетным путем в каждой серии импульсных тепловых нагружений, что позволяет получать зависимость предела текучести от скорости деформации. При этом постоянный уровень среднемассовой температуры образца можно поддерживать выбором времени пауз между экспозициями.

Для расчетов поля температур в образце и скорости деформации может использоваться, например, метод конечных элементов ("Метод конечных элементов в технике". О. Зенкевич, М.: Мир, 1975, 541 с.).

Для расчетов накопления пластической деформации может быть использована, например, методика, изложенная в монографии "Малоцикловая прочность оболочечных конструкций" авторов Гусенкова А.П., Москвитина В.Н., Хорошилова В.Н., М. : Наука, 1989, 254 с. В приведенном источнике показано, в частности, что при скорости деформации более 10 1/с коэффициент повышения динамического предела текучести относительно статического предела текучести может превышать 5-ти кратное значение для тугоплавких материалов.

Локальный нагрев поверхности образца позволяет проводить серии различных испытаний, отличающихся друг от друга скоростью нагружения или уровнем температур на одном образце.

Кроме того, локальный нагрев позволяет получать существенно неравномерное поле температур в объеме образца. Так, например, при плотности теплового потока ~ 1000 Вт/мм² и временах воздействия ~ 10^-4 с (что соответствует режимам нагружения анодов в рентгеновских трубках) можно получить в зоне приложения потока температуры, превышающие 2000^oС, тогда как среднемассовая температура образца при этом может быть менее 500^oС.

Для сохранения неизменных условий нагружения при проведении экспериментов необходимо поддерживать постоянную среднемассовую температуру образца. Эта проблема особенно актуальна при небольшой теплоемкости образца и высокой температуре его разогрева. Для поддержания заданной среднемассовой температуры постоянной в течение эксперимента на его поверхность воздействуют расфокусированным тепловым потоком, который из-за низкой плотности и воздействия на поверхность, не подверженную локальному импульсному нагружению, практически не искажает результаты измерений остаточной деформации в зоне интенсивного локального теплового воздействия.

Меняя плотность теплового потока, площадь зоны его приложения и условия охлаждения образца, можно получать распределение температуры в образце, моделирующее распределение температуры в реальных изделиях при их эксплуатации в конструкциях, подверженных высокотемпературному воздействию, что позволяет проводить определение предела текучести для конкретных условий работы различных конструкций. Кроме того, определять предел текучести по предлагаемому способу можно по результатам измерений деформаций поверхностей конкретных изделий, подверженных тепловому воздействию при их эксплуатации или после проведения испытаний.

Пример конкретного исполнения.

Проводились испытания на образцах из молибдена цилиндрической формы диаметром 25 мм, толщиной 5 мм в условиях теплового воздействия, моделирующего условия эксплуатации вращающегося анода в рентгеновской трубке для маммографии.

Торцевая поверхность образца в зоне площадью 1 мм² подвергалась тепловому воздействию в электронно-лучевой установке ЭЛУ-5, время экспозиции составляло (2-5)10^-4 с, время паузы - (0,01-0,1) с, плотность теплового потока составляла 500-1500 Вт/мм². Причем конкретные времена экспозиций и плотности тепловых потоков в каждой серии нагружения расчитывали из условия равенства температур в зоне воздействия потока для каждой серии. Как показали расчетно-экспериментальные исследования, перепад температур в зоне фокусной дорожки при импульсном нагружении прямо пропорционален плотности теплового потока и обратно пропорционален квадратному корню из времени воздействия потока на фокусное пятно. Таким образом, задаваясь в каждой серии нагружения перепадом температур и обеспечивая одинаковую среднемассовую температуру образца определяли необходимые плотности локально импульсных потоков и времена экспозиции в пределах величин, указанных выше. Величины скоростей деформаций при этом, как показали расчеты, проведенные по методике, описанной в монографии С. Тайра, Р. Отани "Теория высокотемпературной прочности материалов", - М.: Металлургия, 1986 г. (стр. 232), составили 10-60 1/с. Для расчета перепадов температур применялась известная методика (Денискин Ю.Д., Чижунова Ю.А. "Медицинские трубки и излучатели", - М.: Энергоатомиздат, 1984 (стр. 49-53). Путем воздействия на всю торцевую поверхность образца расфокусированным потоком тепла, температура торца, противоположного подверженному воздействию потока электронов, на которой размещалась термопара, поддерживалась для различных экспериментов в пределах 500-1000^oC.

После серии термоциклов (10000-60000 циклов) с помощью профилографа определялись макродеформации поверхности образца, которые составляли 20-100 мкм.

Перепад температуры в зоне воздействия теплового потока также варьировался в экспериментах, его величина составляла 800-1200^oС. В сборнике "Динамика дислокаций". Изд. "Наукова Думка", Киев, 1975. в статье "Динамическое торможение дислокации", Альшиц В. И. , Инденбом В.Л. (стр. 264-273) приводится методика, позволяющая рассматривать величину динамического предела текучести как линейную зависимость от скорости деформации. Расчет накопления пластической деформации проводился по методике монографии "Малоцикловая прочность оболочечных конструкций" авторов Гусенкова А.П., Москвитина В. Н. , Хорошилова В.Н., М.: Наука, 1989, 254 с. Из условия совпадения расчетной и измеренной после эксперимента деформаций, аналогично способу, описанному в прототипе, вычисляют коэффициент повышения предела текучести материала как функцию скорости деформации, тем самым получая величину динамического предела текучести молибдена. Величина превышения динамического предела текучести над статическим составила 2-5 в диапазоне рассматриваемых температур и скоростей деформаций.

Таким образом, предложенный способ позволяет с большой точностью определять динамический предел текучести материала при высокой температуре в условиях существенно неравномерного нагрева.