Испытания при низких скоростях деформации (SSRT)

Испытание на низкую скорость деформации (SSRT) — это метод, используемый для определения пороговых значений напряжений и восприимчивости к коррозионному растрескиванию под напряжением путем приложения постоянной скорости удлинения к материалам, особенно в таких средах, как атомная и аэрокосмическая промышленность. Подробно описанный в стандарте ASTM G129 «Стандартная практика испытаний на низкую скорость деформации для оценки восприимчивости металлических материалов к растрескиванию, вызванному воздействием окружающей среды», это быстрый метод оценки материалов, который оценивает восприимчивость к коррозионному растрескиванию под напряжением или водородному охрупчиванию путем приложения очень низкой скорости удлинения (обычно до 100 нм) к образцу в определенной среде. Этот метод позволяет ранжировать характеристики материалов в коррозионных средах путем ускорения разрушения по сравнению с традиционными методами испытаний.

Испытания с низкой скоростью растяжения подразумевают механические испытания, проводимые при намеренно низких скоростях деформации, значительно меньших, чем при обычных испытаниях на растяжение (в которых обычно используются высокие скорости деформации). Эти испытания необходимы в материаловедении и технике по двум основным причинам:

• Цель исследования — оценить поведение материалов в условиях медленной нагрузки, имитирующей реальные условия эксплуатации (например, ползучесть или длительные статические нагрузки).
• Цель исследования – оценить восприимчивость к растрескиванию, вызванному воздействием окружающей среды, например, к коррозионному растрескиванию под напряжением и водородному охрупчиванию.

Наиболее распространенным методом является испытание на растяжение с низкой скоростью деформации (SSRT), также известное как испытание на растяжение с постоянной скоростью деформации. В этом испытании гладкий образец растягивается с постоянной низкой скоростью деформации, находясь в определенной среде (абразив, высокая температура или газ). Типичные скорости деформации варьируются от ^10⁻⁸ до ^10⁻³ с⁻¹ ^{, а распространенные значения для исследований коррозионного растрескивания под напряжением составляют около 10⁻⁵} до ^10⁻⁷ с⁻¹ ^. Низкая скорость позволяет воздействию факторов окружающей среды (например, коррозии, диффузии водорода или деградации пассивной пленки) повлиять на образование и распространение трещин, эффекты, которые могут быть незаметны при более быстрых испытаниях.

Материалы чувствительны к скорости деформации: их прочность, пластичность и характер разрушения могут значительно изменяться в зависимости от скорости деформации.

• При высоких скоростях деформации (например, при ударах или столкновениях) многие металлы и полимеры становятся прочнее, но и более хрупкими.
• При низких скоростях деформации преобладают вязкостные или зависящие от времени эффекты. Например, ползучесть металлов при высоких температурах или усиление воздействия окружающей среды в абразивных средах. Например, пластилин сильно растягивается при медленном растяжении, но рвется при быстром растяжении.

В ходе испытаний на растяжение низкоуглеродистой стали при низких скоростях деформации исследователи наблюдали различия в пределе текучести, пределе прочности и равномерном удлинении в зависимости от выбранной скорости деформации в низком диапазоне. Даже нестандартные конструкции образцов позволяют получить воспроизводимые результаты для этих свойств.

Низкие скорости деформации для полимеров и композитов помогают имитировать условия длительной эксплуатации (например, медленный нагрев приборной панели автомобиля), в то время как высокие скорости необходимы для моделирования столкновений.

Испытание на медленную скорость деформации обычно включает следующие этапы:

• Стандартный образец для испытаний на растяжение (плоский или иногда с надрезом) устанавливается на испытательную машину с точным и медленным управлением траверсой.
• Образец подвергается воздействию соответствующей среды (например, соленой воды, высокотемпературной воды в ядерных моделях, газа, содержащего сероводород, для применения в нефтедобыче, или воздуха в качестве эталонного образца).
• Его непрерывно растягивают с постоянной низкой скоростью до тех пор, пока он не порвется.
• Основные критерии следующие:
  • время отказа
  • продление срока службы
  • Уменьшение площади поперечного сечения (показатель пластичности)
  • Максимальное напряжение
  • Фрактография после испытаний (использование сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) для сравнения ямок пластического разрушения, хрупкого расщепления, межзеренного или внутризеренного растрескивания).

Как правило, испытания проводятся как в агрессивной среде, так и в инертной эталонной среде для сравнения (например, воздухе или аргоне). Значительное снижение пластичности в среде указывает на восприимчивость к коррозионному растрескиванию под напряжением или водородному охрупчиванию.

Испытание с осциллирующей медленной скоростью деформации — это вариант, при котором защитные пассивные пленки многократно разрушаются путем добавления небольших циклов нагрузки вблизи предела текучести, что делает его более агрессивным методом оценки долговременной прочности таких сплавов, как нержавеющая сталь или никелевые сплавы.

Стандарты, регулирующие испытания на прочность при медленном растяжении, следующие:

• ASTM G129: Общая процедура испытаний при низкой скорости деформации.
• ISO 7539-7: Испытание на коррозионное растрескивание под напряжением с использованием низкой скорости деформации.
• NACE TM0198: Для коррозионностойких сплавов в кислых средах.

Основные области применения метода испытаний с низкой скоростью деформации следующие:

• Коррозионное растрескивание под напряжением и водородное охрупчивание: широко применяется в нефтегазовой отрасли (трубопроводы в кислой среде), атомной энергетике (водопроводы высокого давления и нержавеющая сталь, облученная в кипящей воде реактора), аэрокосмической отрасли и химической промышленности. Используется для классификации сплавов, оценки условий окружающей среды (pH, температура, потенциал) и исследования механизмов, участвующих в этом процессе.
• Эффекты облучения: Испытания на медленной скорости деформации облученных материалов выявляют упрочнение, потерю пластичности и образование дислокационных каналов, приводящих к хрупкости.
• Общие характеристики прочности на растяжение: Испытания стали или других металлов при низких скоростях деформации для понимания зависимости поведения от скорости без влияния окружающей среды.
• Инструмент сканирования: его относительная скорость (от часов до дней) по сравнению со статическими испытаниями на нагрузку, которые могут занимать месяцы или годы, делает его превосходным методом для квалификации материалов и механистических исследований.

Например, в ядерных исследованиях испытания с низкой скоростью деформации в имитированной воде реактора с водой под давлением при приблизительно 7,4 х 10⁻⁷ ^{с⁻¹ показали,} что радиационное упрочнение достигает насыщения при давлении около 10 дПа, пластичность снижается при более высоких дозах, а также иногда наблюдается расщепление или межзеренное растрескивание.

Преимущества этого метода заключаются в следующем:

• Ускоренный, но реалистичный метод для динамических испытаний на прочность в условиях абразивного воздействия.
• Простая установка, воспроизводимость и универсальность (плоские/выемчатые образцы, различные среды).
• Он предоставляет четкие количественные показатели (например, коэффициенты пластичности) и фрактографические данные.

Однако этот метод имеет некоторые ограничения:

• Скорость натяжения необходимо тщательно выбирать: слишком низкая или слишком высокая скорость может снизить точность.
• Последствия весьма серьезны: материалы могут не пройти испытания, но при этом демонстрировать удовлетворительные эксплуатационные характеристики (требуется сопоставление с другими испытаниями, такими как полевые данные или механика разрушения).
• Интерпретация может быть сложной: снижение пластичности может быть результатом образования трещин, их распространения или того и другого.
• Этот метод не идеален для всех материалов: некоторые критики предполагают, что он может преувеличивать риски по сравнению со статической нагрузкой.

На протяжении многих лет наша организация, располагающая компетентным и опытным персоналом, понимает потребности своих клиентов, предоставляет им необходимые передовые услуги по тестированию и оказывает помощь в создании, внедрении и совершенствовании систем управления. В рамках этой деятельности мы также предоставляем предприятиям услуги по тестированию с низкой скоростью деформации (SSRT).