способ определения дефектов в металлах
Классы МПК: | G01N3/08 путем приложения растягивающих или сжимающих статических нагрузок G01N3/02 элементы конструкции устройств для исследования прочностных свойств |
Автор(ы): | Бабичев А.П., Бабулевич Н.Е., Гончаров В.Я., Лазарев С.Д., Филиппов В.И., Якимов С.С. |
Патентообладатель(и): | Российский научный центр "Курчатовский институт" |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-02-16 публикация патента:
20.01.2001 |
Изобретение относится к области исследования механических свойств металлов, связанных с образованием дефектов, возникающих при нагружении металлических образцов. Предложен способ, заключающийся в том, что предварительно на поверхность образца, находящегося в воздушной атмосфере, герметично закрепляют одну или несколько заполненных воздухом при нормальном атмосферном давлении камер, внутренняя полость которых открыта к поверхности образца, в каждой из камер помещают газовый сенсор, затем осуществляют нагружение образца в режиме ступенчатого возрастания нагрузки, газовыми сенсорами регистрируют начало выделения элемента вещества образца, в качестве которого выбирают водород, определяют координаты области образования дефектов по местоположению соответствующей сенсору камеры и рассчитывают объем этой области. Данное изобретение позволяет упростить и расширить возможности исследования механических свойств металлов, связанных с образованием дефектов, возникающих при их нагружении. 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2
Формула изобретения
Способ определения дефектов в металлах, заключающийся в том, что образец исследуемого металла механически нагружают и регистрируют начало выделения элемента вещества образца, по которому судят о возникновении дефектов в металле, приводящих к пластической деформации образца, отличающийся тем, что предварительно на поверхность образца, находящегося в атмосфере воздуха, герметично закрепляют одну или несколько заполненных воздухом при нормальном атмосферном давлении камер, внутренняя полость которых открыта к поверхности образца, в каждой из камер помещают газовый сенсор, затем осуществляют нагружение образца в режиме ступенчатого возрастания нагрузки, а в качестве элемента вещества образца выбирают водород, регистрируемый газовым сенсором, и определяют координаты области образования дефектов по местоположению соответствующей сенсору камеры, при этом объем области образования дефектов определяют из соотношения![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162027/945.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162002/183.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162138/961.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162002/183.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162002/183.gif)
где
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162027/945.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162138/961.gif)
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области исследования механических свойств металлов, связанных с образованием дефектов, возникающих при нагружении металлических образцов. Оно может быть использовано для мониторинга прочностных свойств металлоконструкций и изделий и разработки методики прогнозирования их возможного разрушения в процессе эксплуатации. Известен способ исследования механических свойств материала, в котором образец исследуемого материала нагружают в режиме ступенчатого возрастания нагрузки, регистрируют параметры акустической эмиссии на каждой ступени нагружения и по резкому возрастанию сигнала на соседних ступенях нагружения судят о возникновении структурных дефектов исследуемого образца и их расположении в образце. (А.c. N 1193501 МКИ G 01 N 3/00, БИ N 43, 23.11.85г.). Недостатком этого способа является сложность определения пространственного положения дефектов, связанная с учетом направленности акустического сигнала. Этот способ требует проведения амплитудно-спектрального анализа акустического сигнала и зачастую дает только качественную характеристику дефекта. Кроме того, влияние внешних акустических шумов на анализируемый сигнал существенно ограничивает применение способа акустической эмиссии в реальных условиях. Известен также способ исследования прочностных свойств металлов, выбранный за прототип и основанный на детектировании двуокиси углерода, появляющейся на поверхности исследуемого образца при его механическом нагружении. (А.c. N 1326942, МКИ G 01 N 3/00, БИ N 28 30.07.87). Этот способ заключается в том, что образец испытываемого металла растягивают в вакуумной камере, регистрируют момент начала появления двуокиси углерода на поверхности образца, по которому судят о моменте начала пластической деформации образца и образовании в нем структурных дефектов. Недостатком этого способа является необходимость проведения измерений в вакуумной камере, в которую помещается весь образец. Рассмотренный метод не дает возможности определить местоположение области дефектов в образце, требует больших энергетических и временных затрат и может быть применен для ограниченного ряда металлов с большим содержанием углерода. Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является упрощение и расширение возможностей исследования механических свойств металлов, связанных с образованием дефектов, возникающих при их нагружении. Изобретение позволяет установить момент начала образования дефектов в образце, вызывающих его пластическую деформацию, а также местоположение этих дефектов на поверхности исследуемого образца и объем области образовавшихся дефектов. Для решения поставленной задачи предложен способ, заключающийся в том, что образец исследуемого металла механически нагружают и регистрируют начало выделения элементов вещества образца, по которому судят о возникновении дефектов в металле, приводящих к пластической деформации образца. При этом предварительно на поверхность образца, находящегося в атмосфере воздуха, герметично закрепляют одну или несколько заполненных воздухом при нормальном атмосферном давлении камер, внутренняя полость которых открыта к поверхности образца, в каждой из камер помещают газовый сенсор, затем осуществляют нагружение образца в режиме ступенчатого возрастания нагрузки, а в качестве элемента вещества образца выбирают водород, регистрируемый газовым сенсором, и определяют координаты области образования дефектов по местоположению соответствующей сенсору камеры, при этом объем области образования дефектов определяют из соотношения![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162027/945.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162002/183.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162138/961.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162002/183.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162002/183.gif)
где
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162027/945.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162138/961.gif)
V0 - объем области образования дефектов, см3;
Cк - объемная концентрация водорода в камере, измеренная газовым сенсором, безразмерная величина;
Vк - объем камеры, см3. Изменение содержания водорода в воздушной атмосфере вблизи поверхности исследуемого образца происходит благодаря выделению растворенного в металлах водорода при пластической деформации образца. Водород в качестве газообразной примеси содержится практически во всех металлах. Явление выделения водорода из металлов, зависящее от приложенной к образцу нагрузки, открыто в 1976 году (J.A. Donovan, Metallurgical Transactions A, v.7A, p. 1677-1683). Содержание водорода в металлах характеризуется коэффициентом
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162027/945.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162027/945.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162063/8776.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162002/183.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162027/945.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162138/961.gif)
V0Ck/
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162027/945.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162002/183.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162138/961.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162002/183.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162002/183.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162002/183.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162002/183.gif)
Пример 2. Предложенный в изобретении способ определения дефектов в металлах был осуществлен также с использованием других средств для его реализации. Выделяющийся при нагружении металлического образца водород отбирался с использованием побудителя расхода газа (например, типа ПМЭ-1006) с поверхности исследуемого образца и направлялся вместе с потоком воздуха к газовому сенсору. Газоотборник (в простейшем случае-обычная трубка), соединенный с побудителем расхода газа, и газовый сенсор (размещенный в газоотборнике) представляют собой газовый зонд. Момент начала пластической деформации определялся по сигналу газового сенсора, регистрирующего появление водорода в пробе, отобранной газовым зондом. Координаты областей образования дефектов определялись по месту отбора пробы. Объем области образования дефектов V0 был определен из соотношения:
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162027/945.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162002/183.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162138/961.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162002/183.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162002/183.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162066/964.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162002/183.gif)
где
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162027/945.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162138/961.gif)
Сп - объемная концентрация водорода в пробе, измеренная газовым сенсором, безразмерная величина;
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162066/964.gif)
q - скорость отбора пробы (расход анализируемого газа), см3/с. Если характерный размер контролируемой области образца (где осуществляется контроль за образованием дефектов) - L, то условие постоянства концентрации водорода в пробе может быть записано
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162066/964.gif)
где
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162066/964.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162063/8776.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162066/964.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162215/2162215-2t.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162215/2162215-3t.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162063/8776.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162066/964.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162002/183.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162066/964.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162027/945.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162138/961.gif)
V0= Cп
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162002/183.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162066/964.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162002/183.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162027/945.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162002/183.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162138/961.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162002/183.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162002/183.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162002/183.gif)
![способ определения дефектов в металлах, патент № 2162215](/images/patents/309/2162002/183.gif)
Таким образом, предлагаемый способ определения дефектов в металлах существенно упрощает и расширяет возможности исследования механических свойств металлов, связанных с образованием дефектов в образцах при их нагружении.
Класс G01N3/08 путем приложения растягивающих или сжимающих статических нагрузок
Класс G01N3/02 элементы конструкции устройств для исследования прочностных свойств