В настоящее время создание практически любых металлоконструкций связано с использованием сварки как основного технологического процесса. Сварные стыки различных элементов конструкций практически всегда обладают структурной, химической и механической неоднородностью. Взаимодействие отдельных зон протекает сложным образом, и прочность сварного соединения, как правило, не совпадает с прочностью какой-либо прослойки. Несмотря на огромное количество статей и работ, посвященных описанию дефектообразования и процессам их развития в разнородных сварных соединениях разной природы, теория этого процесса до конца не разработана. При этом особенно актуален вопрос дефектообразования на начальной стадии процесса разрушения - на микро- и наноуровнях. Согласно представлениям физической мезомеханики считается, что в кристаллической решетке деформационные дефекты (дислокации) зарождаются на микро-концентраторах напряжений. Наиболее интенсивно этот процесс развивается в поверхностных слоях нагруженного твердого тела. Новые подходы и возможности их решения связаны с разработкой расчетно-экспериментальных методов механики деформирования и разрушения и теории надежности механических систем.
Принципиально новый уровень в исследованиях и контроле структурного и деформированного состояния металлических материалов открывается при объединении методов сканирующей зондовой микроскопии и наноиндентирования в единую систему неразрушающего контроля с одновременной регистрацией комплекса механических характеристик материала в процессе вдавливания индентора и механических испытаний.
Исходя из анализа современного состояния исследований в данной области, была сформулирована следующая цель - разработка методики испытаний для изучения особенности зарождения и развития разрушения на нано- и микроуровне в сварных конструкциях из феррито-перлитных сталей. Для достижения этой цели предложен метод, совмещающий следующие испытания:
- Испытание сварных образцов при статическом нагружении на универсальной машине UH-1000kNI (Shimadzu, Япония).
- Измерение микротвердости и микропрочностных характеристик по зонам сварного соединения с использованием динамического супермикротведомера DUH-211S (Shimadzu, Япония).
- Исследование рельефа и морфологии поверхности на оптическом микроскопе и атомно - силовом микроскопе SPM-9600 (Shimadzu, Япония).
Основные этапы проведения исследования:
- Подготовка образцов. Образцы свариваются. Сварка проводится с двух сторон. Из образцов вырезаются плоские образцы согласно ГОСТ 1497-84. Поверхность образца в зоне сварного соединения шлифуется, полируется и протравливается для определения макрозон сварного соединения. В зоне термического влияния наносится надрез глубиной 0,5 мм.
- Затем по зонам разрушения проводятся замеры микротвердости.
- Образцы подвергаются статическому нагружению с шагом деформации 10%.
- Далее из деформированных образцов вырезаются микрообразцы размерами 15х15х7 мм. Образцы исследуется на атомно-силовом микроскопе, с получением информации о топологии и морфологии деформируемой поверхности образца.
- Обработка экспериментальных данных с помощью пакета MatLaв.
Данная методика была опробированна для образцов сварных соединений из сталей ферритоперлитного класса (ст.3 и 09Г2) при выполнении работ в рамках проекта РНП 2.09.10 «Исследование нано- и микромеханизмов разрушения сварных соединений при совместном действии двухчастотного нагружения и низкой температуры» аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)".
Для подготовки магистров со знанием современных методов прочностных испытаний и исследования структуры материалов авторами подготовлено учебное пособие « Новые физические методы исследования сварных соединений. Методы сканирующей зондовой микроскопии и наноиндентометрии». В пособии представлен лекционный материал, методические рекомендации по выполнению лабораторных работ, тесты контроля знаний основ теории и система оценки качества выполнения исследований.
К каждой теме прилагается презентация, выполненная в Microsoft Office Power Point 2007, что позволяет наглядно представить теоретические вопросы и обеспечить глубокое усвоение материала студентами.