Приборы и техника эксперимента, 2023, № 3, стр. 121-124

ВВЕДЕНИЕ

Тонкие аморфные микропровода являются перспективным материалом для проектирования на их основе датчиков деформации. Данные материалы проявляют прямую корреляцию магнитных свойств и доменной магнитной структуры с механическими напряжениями (как остаточными, возникающими в результате изготовления, так и внешними). Из литературы известно, что бистабильное перемагничивание, эффект гигантского магнитного импеданса и явление ферромагнитного резонанса в микропроводах строго коррелируют с их напряженно-деформированным состоянием [1–4]. Несмотря на широкие перспективы применения таких материалов в качестве датчиков деформации, практически отсутствует информация о прочности микропроводов при воздействии динамических нагрузок, что является критичным параметром таких устройств. Это может быть обусловлено как высокой прочностью аморфных материалов в целом (единицы гигапаскаль) [5], так и сложностью проведения усталостных испытаний тонких проволок. Большинство существующих методик усталостных испытаний таких объектов предусматривает исследование проволок диаметром порядка единиц и десятых долей миллиметра в соответствии с ГОСТ 25.502-79 [6]. Однако диаметр тонких аморфных микропроводов составляет единицы или десятки микрон. Кроме того, интерес представляет проведение многоцикловых усталостных испытаний на растяжение микропроводов, покрытых стеклянной изоляцией. В таком виде, в частности, изготавливаются микропровода методом Улитовского–Тейлора, имеющие широкое распространение. По этим причинам многие существующие методики усталостных испытаний [7] могут быть применены лишь с модификациями, учитывающими малый диаметр исследуемых объектов.

Целью данной работы являлась разработка простого и эффективного метода усталостных испытаний тонких микропроводов в стеклянной изоляции с учетом ГОСТ 25.502-79.

ЭКСПЕРИМЕНТ И ОБСУЖДЕНИЕ

Циклические испытания на растяжение/сжатие были выполнены в соответствии с ГОСТ 25.502-79 и проводились на пяти уровнях нагрузки, начиная с напряжения, соответствующего 0.95 предела прочности материала. Предел прочности материала определялся путем приложения статической растягивающей нагрузки, при которой исследуемый образец разрушался. Определение предела прочности осуществлялось на пяти одинаковых образцах с дальнейшим усреднением результата. Испытания проводились с частотой 1 Гц на трех образцах на точку для каждого деформированного состояния. База испытаний составляла 10⁷ циклов. В качестве тестовых образцов использовали микропровода состава Fe_77.5Si_7.5B₁₅ диаметром 16.5 мкм, покрытые стеклянной оболочкой толщиной 3.2 мкм. Длина микропровода составляла 4 см.

Для проведения усталостных испытаний была разработана экспериментальная установка, схема и общий вид которой представлены на рис. 1.

Согласно рис. 1, микропровод крепится между двумя винтовыми фиксаторами в подвешенном состоянии. Каждый фиксатор включает в себя винт, гайку и круглую шайбу. Микропровод зажимается между шайбой и металлической рамой установки. Внутренние части шайбы и рамы покрыты ПВХ пленкой для минимизации повреждения микропровода при зажиме. Масса нижнего фиксатора пренебрежимо мала в сравнении с пределом прочности исследуемых микропроводов и соответствует нагрузке 40 МПа (предел прочности микропроводов находился на уровне 2.1–2.2 ГПа). Согласно рис. 1б, ниже всех верхних фиксаторов размещены направляющие, препятствующие колебанию исследуемого образца в горизонтальном направлении и его кручению. К нижнему фиксатору крепится капроновая нить, пропущенная через отверстие в крестообразной насадке сервопривода. К другому концу капроновой нити крепится груз как добавочная нагрузка к массе фиксатора.

При вращении вала сервопривода по часовой стрелке из положения 180° в положение 135° ограничитель снимает нагрузку с микропровода. Заметим, что в текущей конфигурации установки, даже в момент снятия растягивающей нагрузки, на микропровод действует напряжение 40 МПа, вызванное силой тяжести от нижнего фиксатора. Использование более жесткой нити 5 (см. рис. 1а) может обеспечить полное снятие нагрузки с микропровода за счет подъема нижнего фиксатора и жесткости самой нити. Дальнейшее движение сервопривода против часовой стрелки приводит к повторному приложению нагрузки. В момент, когда нагрузка прикладывается к микропроводу, оси нити и микропровода совпадают.

При снятии нагрузки наблюдалось незначительное отклонение оси нити (на 1°–2°), ось микропровода оставалась неподвижной. Микроконтроллер осуществлял счет каждого акта приложения и снятия нагрузки и выводил количество циклов нагрузки/разгрузки на lcd-дисплей. На рис. 1б также видны пары проводов с разъемом (“femaleˮ) и штекером (“maleˮ), закрепленные слева от винтовых фиксаторов. В случае обрыва микропровода между верхним и нижним фиксаторами нижний фиксатор оказывался в свободном состоянии и размыкал контакт между проводами. Это приводило к прекращению счета числа циклов нагрузки на разрушенном микропроводе и остановке соответствующего сервопривода. Значение числа циклов для разрушенного микропровода сохранялось на lcd-дисплее. Частоту и базу испытаний можно при необходимости варьировать программно. Общее время проведения усталостных испытаний составляло 2.5 месяца.

В силу того что испытанию подвергались микропровода в стеклянной оболочке, величина напряжений, приходящихся на металлическую часть провода, оценивалась в соответствии с [8]:

где σ_ж – напряжения в металлической части провода; m – масса груза; g – ускорение свободного падения; S_ж – площадь поперечного сечения металлической части провода; S_ст – площадь поперечного сечения стеклянной оболочки; E_ст и E_ж – модули Юнга стеклянной и металлической частей провода соответственно. Модуль Юнга металлической части микропровода принят равным 154 ГПа. Модуль Юнга стеклянной оболочки состава Pyrex составляет 64 ГПа [9].

На рис. 2 приведена зависимость растягивающих напряжений от числа циклов нагрузки/разгрузки до разрушения.

Согласно рис. 2, при приложении нагрузки до 700 МПа наблюдается значительная устойчивость микропроводов к многоцикловому воздействию нагрузки/разгрузки (сотни тысяч и миллионы циклов). При приближении нагрузок к напряжению разрушения (около 2 ГПа) наблюдается порядка 1000 циклов нагрузки/разгрузки до наступления разрушения. Величина ошибки измерения напряжений в металлической части микропровода составляет не более 50 МПа. Величина ошибки измерения числа циклов нагрузки/разгрузки составляет около 720.

Микропровода, подвергнутые разрушению при многоцикловой нагрузке/разгрузке, исследовались методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на микроскопе Zeiss Supra 50VP. На рис. 3 представлено характерное СЭМ-изображение микропровода после разрушения.

На рис. 3 показано изображение той части микропровода, которая была зажата фиксатором в процессе нагружения. Стеклянная оболочка после разрушения микропровода оставалась целой и была удалена непосредственно перед съемкой изображения для определения диаметра провода и толщины оболочки. Изменение уровня растягивающих напряжений (от 40 до 2000 МПа) не приводило к разрушению стеклянной оболочки на проводе, закрепленном под фиксаторами. Во всех случаях разрушение происходило вблизи центральной части микропровода. На рис. 4 представлено характерное изображение места разрушения микропровода.

Согласно рис. 4, разрушение происходило под углом ≈45° к оси микропровода и приложенной растягивающей нагрузке. При этом стеклянная оболочка претерпевала разрушение лишь в области разрушения металлической части провода.

ВЫВОДЫ

Таким образом, если рассматривать микропровод в стеклянной изоляции в качестве чувствительного элемента датчика деформации, то устойчивым режимом циклического приложения/снятия растягивающей нагрузки можно считать интервал напряжений от 0 до 700 МПа. Важно отметить, что такой режим деформирования микропровода соответствует его долговечному использованию. В диапазоне от 700 до 1100 МПа исследованный в рамках данной работы микропровод может выдержать сотни тысяч циклов нагружения/разгрузки, прежде чем будет разрушен.

Разработанный в рамках данной работы метод циклического деформирования микропроводов может быть использован не только для тонких аморфных проволок, но и кристаллических проволок, а также для проволок большего диаметра. Реализованный метод прост в исполнении и легко масштабируется для одновременного испытания трех и более проволок, что позволяет ускорить получение результатов многоцикловой деформации.