Способ оценки повреждаемости деформируемого материала

6388 СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 119 ИСА ТЕ Я К АВТОРСКОМУ ТВУ ме- сса- ирунстыми похоы ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР1 ГОСПАТЕНТ СССР)(71) Институт проблем прочности АН УССР (72) А.А.Лебедев, Н.Г.Чаусов и Л.В.Зайцева 56) 1. 611 ога 1 и 1 Р., 1 1 си СЯидие 1 Р. О говй оЮ чос 3 з lп а бисбlе ватг 1 х: а геч 1 еа//Агсй. оЮ Мес 11. - 1988, - 40, М 1. - р. 43-80.2. Черемской П. Г, Методы исследования пористости твердых тел. - М,: Энергоатомиздат, 1985, 112 с,3. Черемской П. Г, Методы исследования пористости твердых тел, - М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 26.4. Черемской П.Г, Методы исследования пористости твердых тел, - М,: Энергоатомиздат, 1985, с. 27 (прототип).5, Черемской П,Г. Методы исследования пористости твердых тел. - М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 28.. 6. Лебедев А.А., Чаусов Н.Г, Установка для испытания материалов с построением полностью равновесных диаграмм деформирования//Пробл. прочности. - 1981, - М 12. - С.104-106,Изобретение относится к способам ханических испытаний, в частности к сп бам оценки поврежденности деформ емого материала.Разработка и внедрение новых ко рукционных материалов с повышенн прочностными свойствами, в частности вышенным сопротивлением зарождени росту макротрещин, стимулируют нес димость всестороннего изучения приро кинетики процесса разрушения.(54) СПОСОБ ОЦЕНКИ ПОВРЕЖДЕННОСТИ ДЕФОРМИРУЕМОГО МАТЕРИАЛА (57) Изобретение относится к способам механических испытаний, в частности к способам оценки поврежденности деформируемого материала. Сущность изобретения: во всех зонах матрицы деформированного материала проводят дисперсионный анализ химического состава по основным химическим элементам. Сравнивают процентное содержание этих элементов в исходном материале и в матрице деформированного материала и по его изменению судят о поврежденности матрицы, а поврежденность материала определяют как сумму поврежден- ности за счетобразования пор и разрыхления матрицы, 4 ил. В материале под воздействием реальных температурно-силовых нагрузок образуется большое количество порообразных несплошностей, оказывающих существенное влияние на деградацию служебных характеристик материалов,Во многих современных континуальных моделях деформирования и разрушения твердых тел поврежденность принимается в качестве некоторого формального параметра, характеризующего текущую структуруматериала, Предпринимаются многочисленные попытки разработки количественных методов оценки степени поврежденности твердых тел.Анализ существующих методов иссле.дования пористости твердых тел проведенв работе.Для количественной оценки плотностимакропор традиционно применяются визуально-оптические методы. Возможностиэтих методов ограничены тем что степеньразличимости пор зависит как от индивидуальных психофизических свойств зрения,так и от контраста, яркости, угловых размеров пор, резкости их конров и условийосвещения. Естественно, что обнаружитьмикро- и субмикропоры с помощью такихметодов не представляется возможным.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ оценки поврежденности деформируемогоматериала, включающий определение площади макронор в процессе деформации 41,При этом используют световую микроскопию, а относительный объем пор, ихсредний размер и распределение по размерам определяют по измерению либо относительных площадей, занимаемых наизображении порами и матрицей, либо долей приходящихся на поры и матрицу слу. чайных отрезков (линейный анализ) илиреперных точек, произвольно распределенных по полю изображения (точечный анализ),Применение оптико-электронных обзорно-поисковых систем в различных вариантах сканирования с автоматическойобработкой видеосигналов позволяет преодолеть трудоемкость измерения площадипор и производить надежную статистическую обработку результатов измерений.С помощью этого способа (из-за низкойразрешающей способности) также невоз. можно обнаружить микро- и субмикропоры,измерить на шлифе занимаемую ими площадь и установить закономерности изменения этой пористости в перемычках междумакропорами, вблизи кончиков трещин, отдельных макропор и т.д. Наличие такой информации позволило бы понять и объяснить на различном масштабном уровне кинетику образования макротрещин в материале, подверженном различным температурно-силовым воздействиям.Применение для выявления микрб- и субмикропор электронной микроскопии также неэффективно, так как исследования на "просвет" предполагают препарирова деформированииДействительно, современная аппаратура (например, анализаторы "1 ео", Япония) позволяет с чрезвычайно высокой точностью (ошибка тысячные доли процента) определять процентное содержание химических элементов в локальных макро- и 40 45 микрозонах материала. При деформировании материала за счетпонижения количества химических элементов, приходящегося на единицу обследуемой пло щади (благодаря росту плотности субмикродефектов на этой площади), будет отмечаться относительное понижение процентного содержания химических элементов,Наиболеедостоверно этот эффект будет 55 фиксироваться на тех элементах, процентное содержание которых в материале максимально,Если аь- повражденность материала эасчет образования макропор ние образцов в виде пленок или тонких срезов.Препарирование тонких срезов возможно лишь для ограниченного круга мате риалов, причем в высокопористых объектахвозможно перекрытие стенок пор, находящихся в различных плоскостях среза. Электронная микроскопия является весьма эффективным методом исследования пори стости тонких (100 нм) пленок. С увеличением толщины пленки возникают трудности в расшифровке фазово-дифракционного и абсорбционного контрастов на порах, если образец не монокристаллический и содер жит большое число других несовершенствЯЦелью изобретения является расширение информации и повышение достоверности способа.20 Поставленная цель достигается тем, чтопо способу оценки поврежденности деформируемого материала, включающему определение площади макропор в процессе деформации, согласно изобретению, допол нительно до и после деформации проводят .дисперсионный анализ химического состава материала по основным элементам. Измеряют изменение процентного содержания этих элементов, по которому 30 судят о поврежденности матрицы. Поврежденность материала определяют как сумму поврежденности за счет образования пор и поврежденности материала,Сущность изобретения заключается в 35 том, что микроразрыхление матрицы материала можно достоверно оценить по удельному изменению количества основных химических элементов в материале при его(Го - полная площадь сечения материала;Г,р - площадь макропор в пределах сечения материала),то ДобавочнУю повРежДенность сдоб за счетмикроразрыхления матрицы можно выразить в виде;(- .ОР (Й в Я 3 (2) Го гд, - процентное содержание основного химического элемента в матрице материала до деформирования;р - то же, в матрице материала после деформированияПолную поврежденность деформируемого материала со определяют как сумму поврежденности за счет образования макропор (йЬ) и за счет разрыхления матрицы (сдоб): и = Оо + сдоб (3) Таким образом, проводя непрерывный автоматический анализ химического состава интересующего участка шлифа, можно достоверно оценить полную поврежден- ность материала, в том числе и за счет микроразрыхления матрицы.. На фиг,1 показана часть шлифа в центре продольного сечения образца из мартенситностареющей стали, равновесно растянутого до деформации, соответствующей моменту слияния пор и микротрещин в макротрещину; на фиг.2 приведены результаты непрерывного анализа химического состава локального участка шлифа образца из этой стали по некоторым основным элементам (Ге, Сг, Й, А); на фиг,3 - аналогичные результаты для другого участка шлифа (по Ге, Сг, М); на фиг,4 - места точечного анализа химического состава металла.Способ осуществляли следующим образом. Корсетный образец с радиусом Р 20 из мартенситноста реющей стали (Яр=870 МПа, ст,=1090 МПа, диаметр минимального сечения образца 8 мм) испытывали на растяжение в условиях равновесного деформирования на установке (6).В момент, соответствующий образованию макротрещины, естественным образом возникшей в материале при нагружении (образование макротрещины при испытаниях на растяжение в условиях равновесного деформирования однозначно связано с переломом на полной диаграмме деформирования в особой точке К (6 образец разгружали и разрезали электроискровым способом в продольном направлении таким образом, чтобы плоскость среза после шли фовки и полировки совпадала с осевым сечением.После этого шлиф (фиг.1) исследовалина микроскопе ЕМ 902 (Германия), снабженном специальной системой для анализа изо бражений ВАЯ.С помощью этой системы можно проводить количественные подсчеты поврежден- ности в любой заданной области шлифа и строить гистограммы распределения пор по 15 размерам, форме, расположению и т.д,Автоматический подсчет указанных выше параметров поврежденности осуществляется непосредственно с экрана принимающего устройства микроскопа ЕМ 902 (раз мер экрана по диагонали 41 см), и поэтомуимеются ограничения по степени увеличения шлифа исследуемого материала,В данном случае увеличение не превы шало 400, Подсчитанная поврежденность 25 исследуемого участка шлифа А с размерами0,5 х 1 мм (см, участок А на фиг.1) оЪ=0,118.Естественно, она не включает в себя площадь, занимаемую микро- и субмикропорами (при таком увеличении шлифа не хватает 30 разрешающей способности для их выявления и фиксации).Для подсчета поврежденности по предлагаемому способу использовали рентгеновский микроанализатор суперпроб 35 "СХА" с пятном пучка от 2 мкм и выше.Непрерывный построчечный анализ химического состава стали в исследуемой об-, ласти шлифа (фиг.2 и 3) по основным элементам Ге, М, Сг, А (процентное соотно шение которых в матрице неповрежденнойстали составляло соответственно 76,34, 9,11; 10,02; 0,08) позволил уточнить величину полной поврежденности материала, При этом оказалось, что для предлагаемого спо соба вообще не имеет принципиальногозначения размер пор, все определяется величиной пятна пучка сканирующего прибора.Кажущееся суммарное уменьшение ко личества железа (Ге) в исследуемой областисоставило 9,47; никеля (Ю) - 1,14; хрома (Сг) - 1 24%Тогда полная поврежденность исследуемого участка шлифа, определяемая по величине кажущегося уменьшения процентного содержания железа, никеля, хрома,равна соответственно:Ъ - Я 76,34 - 66,87 40,9 Ъ 76,34ан -- -- -гп- -- 0,1254;- Ж. Ю - 1002 878 - 01237 Ро 10,025Учитывая незначительное количество алюминия в матрице стали, расчет поврежденности по этому элементу не проводился.Таким образом, среднее значение пол. 10 ной поврежденности материала, определяемое по изменению процентного содержания основных элементов, составило:Иге + ВМ +Шсг 3 0,1240 + 0,1251 + 0,1237Отсюда вдоб = м- ио 0,1242- 0,118=0,0062.При необходимости, задавая по специальной программе размеры, форму и расположение макропор, которые не следуетпринимать во внимание при подсчете поврежденности, можно автоматически получать на исследуемом участке шлифаповрежденность, обусловленную только за 30счет разрыхления матрицы (адо 6).В отдельных случаях, в частности приисследовании более тонких эффектов, например, кинетики разрушения перемычекмежду макропорами, может оказаться полезной информация о локальной поврежденности матрицы материала.Тогда для определения поврежденности по предлагаемому способу следует применять точечный анализ (с интересующим 40нас пятном) пучка химического состава материала.Детальные исследования изменения химического состава мартенситноста реющейстали в перемычках между макропорами в 45момент образования макротрещины (см.фиг.4, где точками 1-9 обозначены участки,в которых проводился точечный анализ химического состава материала с пятном пучка 2 мкм) позволили воссоздать полную 50физическую картину образования трещин вэтих перемычках за счет роста субмикропористости,Для примерз: процентное содержаниежелеза в исследованных точках 1-9 резнялось соответственно 72,81; 73;59; 75,22;67,32; 69,52; 69,11; 64,61; 49,29; 73,26. Тогда поврежденность материала в этих локальных зонах за счет микроразрыхления матрицы равна соответственно: 0,0462 0,036; 0,0146; 0,118; 0,0893; 0,0947; 0,1536;0,3543; 0,0403.Предлагаемый способ, в отличие от прототипа, расширяет информацию о поврежденности материала и .повышает достоверность за счет учета микроразрыхления матрицы, Установление закономерностей микрораз рыхления матрицы материала при нагружении вблизи кончиков трещин и отдельных макропор, а также в перемычках между макропорами (наряду с количественным определением площади макропор в материале, их видом и закономерностями распределения) будет способствовать созданию физически обоснованной теории упругопластического разрушения материалов, адекватно описывающей процессы накопления повреждений, срезания перемычек между статистически распределенными порами и образования макротрещины с учетом, в частности, температуры и вида напряженного состоя ния.Предлагаемый способ позволяет достоверно определять микроразрыхление матрицы материала непосредственно на шлифах образцов материала, поэтому он может быть использован в качестве экспресс-метода оценки поврежденности материала при проведении различного рода экспертиз разрушенных деталей и конструкций. Он может также служить для контроля состояния материала в процессе эксплуатации в тех случаях, когда заведомо извесно, что в материале образуются только микро- и субмикропоры (радиационная поврежденность, поврежденность при ползучести конструкции и т.д.).Формула изобретения Способ оценки поврежденности деформируемого материала, включающий измерение площади макропор в процессе деформации, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения информации и достоверности способа, дополнительно до и после деформации проводят дисперсионный анализ химического состава материала по основным химическим элементам, измеряют изменение процентного содержания этих элементов, по которому судят о поврежденности матрицы, з поврежденность материала определяют как сумму поврежденности за счет образования пор и поврежденности материала.1786388 и1 иМф х ЮО О едактор Т.Курко ектор О.Юрковецка Тираж Подписноественного комитета по изобретениям и открытиям при ГКН 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 изводственно-издател ьский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина,аказ 243 ВНИИПИ Г Риоставитель А.Лебедевехред М.Моргентал Р"