Прочность как один из базовых критериев предельного состояния материалов и её определение методами акустомикроскопической дефектоскопии Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 539.3

ПРОЧНОСТЬ КАК ОДИН ИЗ БАЗОВЫХ КРИТЕРИЕВ ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ

МАТЕРИАЛОВ И ЕЁ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТОДАМИ АКУСТОМИКРОСКОПИЧЕСКОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ

© А.И. Кустов, И.А. Мигель11 Воронежский государственный педагогический университет, г. Воронеж, Россия ^Военный авиационный инженерный университет, г. Воронеж, Россия, е-таП: akvor@yandex.ru

Ключевые слова: определение прочности, базовый критерий предельного состояния, методы акустомикроскопиче-ской дефектоскопии, К(2)-кривые, визуализация.

В работе представлены результаты исследования параметров предельного состояния материалов методами аку-стомикроскопической дефектоскопии.

Задача оценки состояний твердых тел, предшествующих их разрушению, всегда актуальна. Решение этой задачи эффективно осуществляется в последние 20 лет методами акустомикроскопической дефектоскопии.

В данной работе объектами изучения были стали, подвергнутые различным внешним воздействиям. Для них рассчитывались значения физических свойств с помощью сканирующего акустического микроскопа (САМ). В работах [1, 2] было продемонстрировано, что режим визуализации с относительным сканированием поверхности образца и акустической линзы позволяет получить акустическое изображение структуры объекта. При этом, изменяя расстояние (Я) линза-поверхность объекта, можно формировать изображения на различной глубине. Снимки позволяют надежно рассчитывать размеры отдельных зерен, оценивать их форму. Известно, что эти параметры в значительной степени определяют прочностные свойства металлических материалов. При этом по изменению размера зерна, в соответствии с законом Холла-Петча, ст02 = ст0 + + к й^т , можно рассчитать, например, ст0,2. Оценка степени деформации, в т. ч. ее значительных локальных изменений, производилась по трансформации формы отдельных зерен, что просто и надежно с применением акустической визуализации.

Другим базовым методом акустической микроскопии является метод И^-кривых [3]. Он позволяет рассчитывать значения скоростей акустических волн (например, поверхностных ил) с точностью до 0,2 %. Деформация металла, возникновение упругих неоднородностей или микротрещин - всё это проявляется в трансформации характерной зависимости выходного сигнала преобразователя V от расстояния 1 до линзы. Сканируя поверхность образца при ее перемещении в лху-плоскости в режиме ^1)-кривых, получали профили зависимостей от координат, т. е. определяли значения в конкретных, пространственно ограниченных областях (размеры которых изменяли путем задания масштаба).

С помощью САМ исследовали зависимость ст0,2 от температур отжига для стали 18ХГТ. Полученная кривая демонстрирует повышение прочностных свойств при снижении ґотп. Данная закономерность связана, прежде всего, с фактом измельчения аустенитного зерна в процессе поверхностной закалки. Используя результаты стандартных расчётов значений ст0,2, хотя бы для двух точек, применяли метод ^1)-кривых, который позволяет определять размер зерна материала по значениям скорости ПАВ. На рис. 1 и 2 представлены результаты исследований размера зерна в зависимости от величины скорости ПАВ (ил) в образцах. Разработанная методика обеспечивает экспрессный расчет который подтверждается данными акустической визуализации.

Одной из целей нашей работы было определение прочностных характеристик, их дисперсии в пределах области контроля. В качестве критерия прочности был выбран условный предел текучести а02. Прочность оценивалась как в режиме визуализации, так и по VI-кривым. Первый метод предполагал визуальное измерение размера зерна материала с параллельной оценкой величины а0,2 стандартными методами. Затем использовалось уравнение Холла-Петча, из которого для различных экспериментальных точек рассчитывались значения а и к. По экспериментальной кривой определяли а0,2 для выбранных значений Полученная экспериментальная кривая представлена на рис. 3.

у = 3236,Эх",,ов

3150 3100 3050 3000

Рис. 1. Вариант аппроксимации зависимости скорости поверхностных акустических волн (ид) от размера зерна стали 18ХГТ

с13-1'2., мм-1'2

Ur., М/С

3200

3150

3100

3050

3000

—y-= -D,43WXi R2 = 0,7 + 3153,1 593

10

15

20

25

20/^ Aor., М/с

10

-10

-20

2/ 2,13 2,66, *Т6б^ 85 ^►з,-

«П 9

0,16 0,4$ 5 I 1 5 > 2 5 5 3 5 <

\0,68 1,1'

Рис. 2. Классический вариант изменения скорости ПАВ (\^) от размера зерна стали 18ХГТ

X10 /мкм)

Рис. 4. Дисперсия ur в стали 18ХГТ с (ёэ) 1/2 ~ 7

.,МПа

1400

1200

1000

800

600

У = 26,369x + 648,26

R2 = 0,9( )73

10

15

20

А ^ «3

25

Рис. 3. Зависимость предела текучести от размера зерна стали 18ХГТ

Другой акустомикроскопический метод заключался в измерении величин ик, расчете модулей Е и О. Оценка значений предела прочности проводилась в соответ-

в

ствии с известным выражением а о 2 = --------------.

0,2 10 2 • п • п

Сравнение полученных зависимостей позволяет сделать вывод о том, что, измеряя ил, можно просто и надежно оценивать значения СТо,2. И, наконец, САМ позволяет оценивать предельность состояния материала по величине дисперсии физических величин, например, по скорости ПАВ.

На рис. 4 представлен пример дисперсии uR для стали 18ХГТ с (d3)'1/2~7. Изменение величины дисперсии в установленном интервале значений обеспечивает работоспособность материала. Выход за граничные значения дисперсии сигнализирует о достижении материалом предельного состояния.

Проведенное нами статистически значимое количество экспериментов доказывает, что методы АМД позволяют эффективно оценивать степень предельности состояния материала.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кустов А.И. // Физика и химия стекла. 1998. Т. 24. № 6. С. 817824.

2. Kustov A.I. // Hydrogen Materials Science and Chemistry of Car bon Nanomaterials: Proceedings of VIII Inter. Conf. Science Series, II. Physics and Chemistry / ed. Dm. Schur. 2004. V. 72. P. 203-215.

3. Kustov A.I., Migel I.A. // Strength and fracture of materials and constructions: Materials of the V Inter. Scient. Conf. Orenburg, 2008. V. 1. P. 200-206.

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Kustov A.I., Migel I.A. The search of strength as one of the base criterion of limit state of materials with acoustomicroscope defectoscopy methods

In this work the results of investigation of limit state parameters with acoustomicroscopy methods are demonstrated.

Key words: the search of strength the base criterion of limit state acoustomicroscope defectoscopy methods V(Z)-curves visualization.