Разработка теоретических и технологических принципов изготовления бериллиевых фольг для рентгеновской техники с повышенными эксплуатационными свойствами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.05, доктор наук Мишин Василий Викторович

• Мишин Василий Викторович
• доктор наук
• 2020

Оглавление диссертации доктор наук Мишин Василий Викторович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Проблема применения бериллия в качестве материала рентгеновской техники

1.1. Современные альтернативные материалы для изготовления окон для рентгеновской техники

1.2. Использование бериллия в качестве материала для рентгеновской техники. Ключевые проблемы и перспективы их решения

1.3. Способы получения бериллиевых фольг. Основные особенности и недостатки

1.4. Проблема пластической деформации бериллия и формирования высокого уровня физико-механических свойств фольг

1.5. Механизмы пластической деформации бериллия

1.5.1. Деформация поликристаллического бериллия

1.6. Заключение по главе

ГЛАВА 2. Материалы и методы исследований

2.1. Материалы для исследований

2.2. Растровая электронная микроскопия

2.3. Просвечивающая электронная микроскопия

2.4. Рентгенографический анализ

2.5. Оборудование для прокатки и термической обработки. Методика физического моделирования

2.6. Математическое моделирование процессов пластической деформации и разрушения бериллия

2.7. Методика определения механических свойств

2.8. Испытания для проверки вакуумной плотности фольг

ГЛАВА 3. Исследование эволюции структуры, текстуры и механических свойств бериллиевых фольг в процессе горячей и холодной пластической деформации в сочетании с высоковакуумными отжигами

3.1. Выбор оптимальной формы образцов для определения механических свойств бериллиевых фольг

3.2. Структура и механические свойства бериллиевых фольг подвергнутых горячей прокатке в металлическом контейнере по различным технологиям. Концепция формирования высокого уровня физико-механических свойств

3.3. Экспериментальные исследования эволюции кристаллографической текстуры и структуры при холодной прокатке и высоковакуумном отжиге

3.4. Экспериментальные и численные исследования напряженно-деформированного состояния и разрушения бериллия при холодной прокатке

3.4.1. Анализ напряженно-деформированного состояния в бериллии при холодной прокатке фольг

3.4.2. Экспериментальные исследования влияния кристаллографической текстуры на формообразование и разрушение бериллия при холодной прокатке

3.4.3. Исследование неоднородности структуры и текстуры по толщине бериллиевых фольг при помощи методов EBSD анализа

3.5. Структура и механические свойства бериллиевых фольг, полученных по технологии многостадийной холодной прокатки в сочетании с высоковакуумными отжигами

3.6. Заключение по главе

ГЛАВА 4. Разработка комплексного подхода к оценке вероятности разрушения бериллия при пластической деформации

4.1. Обзор основных подходов к прогнозированию разрушения материалов

4.2. Выбор критерия для оценки разрушения бериллия при пластической деформации

4.3. Методика определения предельных значений критериев разрушения

4.4. Исследование влияния схемы напряженно-деформированного состояния на предельные значения критерия Кокрофта-Латама

4.5. Определение температурной зависимости предельных значений модифицированного критерия Кокрофта-Латама для исследуемых сортов бериллия

4.6. Экспериментальное и численное исследование разрушения бериллия при теплой и горячей прокатке

4.6.1. Теплая прокатка бериллия на холодных валках

4.6.2. Теплая прокатка бериллия в контейнере

4.7. Прогнозирование разрушения бериллия при горячей прокатке с учетом объемной доли релаксированных напряжений

4.8. Заключение по главе

ГЛАВА 5. Исследование деформации и разрушения бериллиевых фольг при эксплуатации в детекторах рентгеновского излучения

5.1. Экспериментальные исследования деформации и разрушения бериллиевых фольг при статическом нагружении внешним давлением

5.2. Численное исследование статического нагружения бериллиевых фольг внешним давлением

5.3. Выбор критерия и определение его предельных значений для описания разрушения бериллиевых фольг при испытаниях внешним давлением

5. 4. Методика прогнозирования разрушения бериллиевых фольг при циклическом нагружении

5. 5. Численное исследование циклического нагружения бериллиевых фольг внешним давлением

5. 6. Испытания фольг на статический изгиб

5.7. Опытно-промышленное тестирование полученных бериллиевых фольг, полученных по разработанным технологиям

5.8. Заключение по главе

Основные выводы и результаты работы

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Акт внедрения результатов работы

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Акт внедрения результатов работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка теоретических и технологических принципов изготовления бериллиевых фольг для рентгеновской техники с повышенными эксплуатационными свойствами»

ВВЕДЕНИЕ

Бериллий, благодаря высокой прозрачности для рентгеновского излучения, механической прочности, а также коррозионной стойкости, является одним из самых востребованных материалов для рентгеновского приборостроения [1]. Тонкие бериллиевые фольги (так называемые «бериллиевые окна») широко используются при производстве наиболее распространенных современных детекторов рентгеновского излучения (Si-Pin, SDD и FAST SDD детекторы и др.). Аналитические характеристики и надежность работы детекторов напрямую зависят от физико-механических свойств, толщины и активной площади (апертуры) бериллиевого окна.

Главной проблемой применения бериллия в качестве материала для окон рентгеновской техники является его хрупкость и низкая технологичность. Хрупкость бериллия значительно усложняет процесс получения тонких бериллиевых фольг и вынуждает производителей детекторов использовать относительно толстые фольги с меньшей активной площадью. Это существенно ухудшает чувствительность детекторов, особенно в области мягкого рентгеновского излучения. Кроме этого, хрупкость бериллия значительно затрудняет эксплуатацию рентгеновских окон, т.к. хрупкий металл плохо выдерживает циклические нагрузки и разрушается при малейшем внешнем воздействии. Разрушение бериллиевого окна приводит к выходу детектора из строя, что влечет остановку всего рентгеновского прибора.

Современные тенденции развития производства рентгеновской техники направлены на снижение толщины рентгеновского окна и одновременное повышение активной площади поверхности детекторов [1-3]. При этом получение тонких бериллиевых фольг является настолько сложной задачей, что существует только один мировой производитель - Materion (США), способный обеспечить потребителей качественной продукцией. На сегодняшний день в России нет промышленного производства бериллиевых фольг

толщиной 5-30 мкм, обладающих требуемым уровнем свойств и пригодных для использования в рентгеновской технике.

Для производства тонких бериллиевых фольг традиционно применяются способы вакуумного испарения с последующим осаждением, вакуумного или ионно-плазменного напыления металла на специальные подложки (иногда в сочетании с прокаткой). Однако фольги, полученные этими способами, имеют существенные недостатки: низкая прочность и пластичность, отсутствие требуемого уровня вакуумной плотности, ограниченные размеры получаемых фольг, наличие внутренних дефектов в виде полостей.

Относительно небольшого повышения прочностных и пластических свойств бериллиевых фольг можно достичь при использовании контролируемых режимов теплой и горячей пластической деформации металла в контейнере. Однако горячая и теплая деформация бериллия имеют ряд ограничений, в первую очередь невозможность получения вакуумноплотных фольг толщиной менее 50 мкм [4]. Исключением может быть теплая прокатка на подогреваемых валках, однако данный способ является небезопасным вследствие токсичности бериллия при повышенных температурах, а также характеризуется сложностью дополнительного технологического оборудования для подогрева валков. Тем не менее, способы горячей и теплой деформации в контейнере можно использовать при производстве относительно толстых бериллиевых фольг (толщиной более 100 мкм), а также для получения промежуточных подкатов для дальнейшей пластической деформации.

Перспективным способом обеспечения требуемых характеристик тонких бериллиевых фольг (высоких физико-механических свойств и показателей вакуумной плотности, отсутствие поверхностных и внутренних дефектов, заданная шероховатость поверхности) является холодная прокатка (ХП) в сочетании с высоковакуумными отжигами (ВО). В то же время, ХП является наиболее сложным и трудоемким процессом в связи с тем, что поликристаллический бериллий обладает крайне низкой пластичностью при комнатной температуре.

Однако исследования деформации монокристаллов бериллия показали, что высокие значения физико-механических свойств при комнатной температуре могут быть достигнуты при формировании определенных кристаллографических ориентаций относительно направления нагружения, при которых деформация осуществляется по вторичным, небазисным системам скольжения (СС), основная из которых - призматическая [4-6]. Это подтверждает важность развития теоретических и прикладных исследований в данном направлении.

Таким образом, использование холодной пластической деформации в сочетании с ВО дает возможность управления структурным и текстурным состояниями поликристаллического бериллия, поскольку за счет активации вторичных систем скольжения возможно повысить физико-механические свойства материала, что открывает принципиально новые перспективы получения тонких (толщиной 8-30 мкм) и сверхтонких (толщиной <5 мкм) вакуумноплотных фольг, обладающих высокими физико-механическим свойствами.

Следует отметить, что при разработке и реализации температурно-деформационных условий формирования заданного структурного состояния бериллия необходимо учитывать возможность его разрушения как при получении, так и при последующей эксплуатации фольг для рентгеновской техники. Следовательно, важно также разработать комплексный подход к оценке вероятности разрушения бериллия, который в отечественной и зарубежной литературе в настоящее время отсутствует.

Цель и задачи диссертационного исследования

Цель работы: разработка технологий производства тонких и сверхтонких бериллиевых фольг для рентгеновской техники на основе развития научных основ управления структурным состоянием, обеспечивающим повышенный уровень физико-механических свойств.

Задачи работы:

1. Выявление основных структурных и технологических факторов, определяющих физико-механические, технологические и эксплуатационные свойства бериллиевых фольг. Установление взаимосвязи микроструктуры и кристаллографической текстуры бериллиевых фольг с их физико-механическими свойствами.

2. Определение закономерностей формирования структуры и физико-механических свойств бериллия на стадиях горячей и холодной пластической деформации, а также высоковакуумной термической обработки в технологиях получения фольг для рентгеновской техники.

3. Разработка комплексного подхода к оценке вероятности разрушения бериллия при пластической деформации на основе методов физического и математического (компьютерного) моделирования для повышения эксплуатационных характеристик рентгеновской техники. Разработка методики определения предельных значений критериев разрушения для случаев пластической деформации бериллия при получении и эксплуатации фольг.

4. Разработка и верификация математической модели процесса холодной прокатки тонких бериллиевых фольг с учетом упрочнения металла, упругой деформации прокатываемой фольги и валков, а также трения на поверхности контакта. Оценка влияния технологических параметров холодной прокатки на формирование структуры и кристаллографической текстуры в готовых бериллиевых фольгах.

5. Исследование процессов деформации и разрушения бериллиевых фольг при статическом и циклическом нагружениях внешним давлением в условиях эксплуатации окон в детекторах рентгеновского излучения.

6. Разработка и верификация модели прогнозирования разрушения бериллиевых фольг при эксплуатации в детекторах рентгеновского излучения с учетом их физико-механических свойств и наличия дефектов.

7. Опытное тестирование пропускной способности для рентгеновского излучения, а также оценка работоспособности тонких и сверхтонких бериллиевых фольг (толщиной 5-30 мкм), полученных по разработанным технологиям при работе в детекторах рентгеновского излучения.

Научная новизна работы

1. Установлено, что при горячей прокатке в контейнере в бериллиевых фольгах формируется расщепленная базисная текстура {0001} <10-10>, приводящая к существенной анизотропии и снижению прочностных и пластических свойств.

2. Показано, что повышенный уровень физико-механических свойств бериллиевых фольг и их плоскостную изотропию можно обеспечить за счет формирования острой текстуры волокна <0001> (fiber texture), которая обеспечивает активацию призматической системы скольжения {10-10} <11-20> при нагружении.

3. Показано, что основным механизмом деформации бериллия при холодной прокатке является скольжение по базисной {0001} <11-20> системе скольжения вне зависимости от выбранного маршрута холодной прокатки относительно исходной кристаллографической текстуры заготовок. За счет базисного скольжения и неравномерности распределения сдвиговых напряжений ixy и сдвиговых деформаций yxy в очаге деформации, в поверхностных слоях бериллиевых фольг после холодной прокатки и высоковакуумных отжигов формируется острая текстура волокна <0001> (fiber texture), в центральных слоях - расщепленная базисная текстура {0001} <10-10> (split basal texture).

4. Показано, что предел пластической деформации бериллия при холодной прокатке (т.н. «предел выкатываемости тонких фольг») в значительной степени определяется текстурным состоянием образцов. Чем выше доля кристаллитов, плоскость базиса которых ориентирована параллельно плоскости прокатки фольг, тем меньше способность бериллия к пластической деформации.

5. Разработан комплексный подход, позволяющий описать разрушение бериллия в процессе горячей, теплой и холодной пластической деформации при получении и эксплуатации фольг различной толщины. Разработана методика определения предельных значений критериев разрушения для случаев пластической деформации бериллия.

6. Установлено, что основной причиной разрушения тонких рентгеновских окон при их работе в детекторах рентгеновского излучения в условиях циклического и статического нагружения является накопление пластической деформации в бериллии. Причиной накопления деформации при циклическом нагружении фольг является природное свойство бериллия, а именно относительно низкий коэффициент Пуассона.

7. Разработаны научные принципы прогнозирования долговечности работы бериллиевых окон при эксплуатации с учетом геометрических параметров окна, физико-механических свойств материала, а также условий эксплуатации.

8. Обнаружено наличие площадки текучести на диаграмме растяжения бериллиевых фольг, полученных при помощи холодной прокатки и высоковакуумных отжигов. Показано, что наличие площадки текучести обусловлено экспериментально наблюдаемой локализацией пластической деформации, сопровождаемой образованием и развитием полос Чернова-Людерса в бериллии. Данный эффект, впервые экспериментально обнаруженный в бериллиевых фольгах, является перспективным для дальнейшего изучения его природы с целью дополнительного повышения физико-механических свойств бериллия при статических и циклических нагружениях.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанные технологии неразрушающей горячей прокатки бериллия в металлическом контейнере. Закономерности формирования структуры и физико-механических свойств бериллиевых фольг при горячей прокатке.

2. Результаты анализа эволюции структуры и физико-механических свойств бериллия при холодной прокатке и высоковакуумных отжигах. Закономерности

влияния исходной кристаллографической текстуры и структуры бериллия на характер формообразования бериллиевых фольг при холодной прокатке. Разработанная технология многостадийной холодной прокатки в сочетании с высоковакуумными отжигами.

3. Механизм деформации бериллия и характер напряженно-деформированного состояния при холодной прокатке бериллиевых фольг. Оценка влияния технологических параметров прокатки на конечную структуру и кристаллографическую текстуру бериллиевых фольг.

4. Условия активации призматического скольжения, обеспечивающего повышенный уровень физико-механических свойств бериллиевых фольг.

5. Результаты численного и экспериментального исследования процессов разрушения бериллия при пластической деформации. Комплексный подход к описанию разрушения бериллия в процессе горячей, теплой и холодной пластической деформации. Разработанная методика определения предельных значений критериев разрушения.

6. Результаты анализа причин разрушения тонких бериллиевых фольг при эксплуатации в детекторах рентгеновского излучения. Методика оценки долговечности работы тонких бериллиевых фольг в детекторах рентгеновского излучения.

Теоретическая значимость работы

Теоретическая значимость работы заключается в установлении механизмов повышения уровня физико-механических свойств тонких бериллиевых фольг.

Установлены механизмы холодной пластической деформации бериллия при изготовлении и эксплуатации бериллиевых фольг. Выявлено определяющее влияние текстурного состояния бериллиевых фольг на физико-механические свойства. Показано, что главным механизмом повышения физико-механических и эксплуатационных свойств бериллиевых фольг является активация призматической системы скольжения {10-10} <11-20> за счет создания заданного текстурного и структурного состояний.

Практическая значимость работы

Разработаны технологии производства тонких (толщиной 8-30 мкм) и сверхтонких бериллиевых фольг (толщиной <5мкм), обеспечивающие достижение повышенного уровня их физико-механических и эксплуатационных свойств, соответствующего требованиям, предъявляемым к материалам, применяемым для изготовления современной и перспективной рентгеновской техники.

Изготовленные фольги обладают уровнем натекания по гелию не более 10-10 мбарл/с, высоким качеством поверхности, отсутствием поверхностных и внутренних дефектов. Использование тонких бериллиевых фольг толщиной 5-30 мкм, полученных по разработанным технологиям, позволило существенно улучшить аналитические характеристики рентгенофлуоресцентных спектрометров в области обнаружения легких элементов (Акт внедрения результатов, ПРИЛОЖЕНИЕ А).

Кроме этого, применение бериллиевых фольг толщиной 5 мкм позволило значительно расширить возможности установки для отработки методов нагрева и оптимизации сценариев удержания высокотемпературной плазмы (ТОКОМАК ГЛОБУС-М2 и ТУМАН-3М) (Акт внедрения результатов, ПРИЛОЖЕНИЕ Б).

Финансовая поддержка работы

Работа выполнена при финансовой поддержке Грантов Президента РФ (соглашения МК-4354.2015.8 и МК-1402.2017.8); Гранта Санкт-Петербурга в сфере научной и научно-технической деятельности (2016), а также Федеральной Целевой Программы № 14.B37.21.1101.

Степень достоверности полученных результатов

Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается за счет комплексного использования современных методов научных исследований. Для исследования структуры бериллия использованы методы дифракции обратно рассеянных электронов (ЕББЭ), растровой и электронной просвечивающей

микроскопии (РЭМ, ПЭМ), а также рентгеноструктурного анализа (XRD). Для исследования механических свойств бериллия и физического моделирования процессов его пластической обработки использовано сертифицированное и аттестованное оборудование (Instron, Gleeble-3800). Для математического моделирования процессов пластической обработки использованы лицензированные программные комплексы Deform и ABAQUS, реализующие метод конечных элементов.

Публикации и апробация работы

По результатам диссертационной работы опубликованы 30 статей, в том числе: 16 статей в рецензируемых научно-технических журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикаций основных научных результатов диссертаций, представленных на соискание ученой степени доктора наук и 14 статей - в трудах научно-технических конференций, а также получено 3 патента РФ на изобретение.

Результаты работы доложены и обсуждены на российских и международных конференциях: New Materials and Technologies In Mechanical Engineering (СПб, 2019 г.); Нанотехнологии в современном производстве функциональных материалов и перспективы их развития (СПб, 2018 г.); Уральская школа молодых металловедов (Екатеринбург, 2018 г). XX, XI, XII Международные научно-технические конференции «Современные металлические материалы и технологии» (СПб, 2011, 2013, 2015 г.); «Нанотехнологии функциональных материалов (СПб, 2016 г.); 23-я международная конференция METAL 2014 (Брно, 2014 г.); международный форум «Инженерные системы» (Москва, 2013, 2015, 2016, 2017 г.); научно-техническая конференция «Материалы ядерной техники» (Звенигород, 2014).

ГЛАВА 1. Проблема применения бериллия в качестве материала

рентгеновской техники

В данной части работы рассмотрены современные материалы для изготовления окон детекторов рентгеновского излучения, отмечены их ключевые особенности и недостатки. Рассмотрены проблемы применения бериллия в качестве материала для рентгеновской техники и пути их решения. Представлены основные способы получения тонких бериллиевых фольг. Выполнен обзор литературы, посвященный проблемам пластической деформации бериллия, влияния текстуры и структуры бериллия на его механические свойства при получении бериллиевых фольг методами пластической деформации.

1.1. Современные альтернативные материалы для изготовления окон для

рентгеновской техники

Вопросы обнаружения и идентификации рентгеновских лучей занимают важное место в различных областях науки и техники (физика элементарных частиц, ядерная физика, медицина, металловедение, промышленный контроль качества и т.д.). Для измерения потока, пространственного распределения, спектра и других свойств рентгеновского излучения используются специальные приборы - детекторы рентгеновского излучения, предназначенные для преобразования энергии ионизирующего излучения в другой вид энергии, удобный для регистрации и измерения. Детектор является обязательным элементом любого рентгеновского прибора. Существуют различные типы детекторов, основанные на различных физических принципах -электрохимические реакции, ионизация газа, фотоэлектрический эффект, сцинтилляция [7-9].

В течение последних 20 - 30 лет шло бурное развитие рентгеновских детекторов, обусловленное ростом технологических возможностей микроэлектроники, лазерной техники, физики твёрдого тела. На сегодняшний день наиболее современными являются полупроводниковые детекторы (Si, Si-Pin,

Silicon Drift Detector (SDD)) и твердотельные детекторы (микрокалориметрические (криогенные) детекторы, детекторы на туннельных переходах). Наиболее распространенными из них являются полупроводниковые детекторы Si-Pin и SDD. Конструкция современного SDD-детектора представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Конструкция современного SDD детектора

Важной составной частью детектора является рентгеновское окно, которое должно пропустить рентгеновское излучение, одновременно сохраняя высокий вакуум в корпусе детектора (например, для работы ЖО-детектора внутри его корпуса необходимо обеспечить высокий вакуум с остаточным давлением не более 10-5 - 10-6 Па).

Важными параметрами работы детектора рентгеновского излучения являются его эффективность регистрации и чувствительность [7]. При одинаковой эффективности регистрации чувствительность детектора тем выше, чем больше площадь поверхности детектора (т.н. «активная площадь» или апертура рентгеновского окна) и меньше толщина входного окна.

Малая толщина рентгеновского окна крайне важна для предотвращения чрезмерного поглощения рентгеновского излучения. Это связано с тем, что

интенсивность рентгеновского излучения, прошедшего через тонкую пленку вещества, подчиняется экспоненциальному закону убывания от начального значения из-за фотоэффекта, комптоновского рассеяния и образования электронных пар [10]. Пропускание рентгеновских лучей через рентгеновское окно может быть описано зависимостью [11] :

1 ..... (1.1)

Т = — =

Iо

где 10 - интенсивность входящего (первичного) излучения; I - интенсивность излучения, прошедшего через рентгеновское окно; ц - массовый коэффициент поглощения (массовый коэффициент ослабления излучения), характеризующий материал окна, м2/кг;

-5

р - плотность материала окна, кг/м ; X - толщина окна (дистанция поглощения), м.

Из формулы (1.1) следует условие обеспечения максимального эффекта пропускания излучения. Для этого рентгеновское окно должно быть настолько тонким, насколько это возможно. Также из формулы (1.1) следует, что наилучшим образом для изготовления рентгеновских окон подходят материалы с малой плотностью.

Эффективность регистрации, т.е. отношение количества зарегистрированных сигналов к количеству частиц (у-квантов), падающих на детектор, определяется как [7]:

е = (' (12)

где:

J8 - частота зарегистрированных импульсов от излучения; р - плотность потока излучения, падающего на детектор; 5 - площадь чувствительной поверхности детектора.

Чувствительность детектора - это отношение количества зарегистри-рованных сигналов Je к плотности потока частиц р (у-квантов):

Je

4 = —. (1.3)

Чувствительность детектора ц связана с его эффективностью е соотношением:

Ц = еБ. (1.4)

Как следует из формулы (1.4), чувствительность детектора увеличивается с увеличением активной площади поверхности.

Чем большее количество квантов прошло через детектор, тем большую скорость их счета можно достигнуть. Высокая скорость счёта позволяет собрать более точную статистику за определённый временной интервал, поэтому производители рентгеновской техники стремятся повысить площадь чувстви -тельной поверхности детектора за счет увеличения площади рентгеновских окон [2,12]. Например, современный SDD-детектор компании Amptek (США), имеющий активную площадь в 25 мм2, способен регистрировать приблизительно 500 000 импульсов в секунду, а SDD-детектор Amptek (США),

Л

имеющий активную площадь в 70 мм - более 2 000 000 импульсов в секунду

[3].

Современная рентгеновская техника требует применения рентгеновских окон с хорошей передачей для рентгеновских фотонов как с низкой, так и с высокой энергией (т.н. мягкое и жесткое рентгеновское излучение). Жесткое рентгеновское излучение обладает наибольшей частотой излучения и энергией фотона, а также значительной проницающей способностью и характеризуется длиной волны мене 0,2 нм. Мягкое рентгеновское излучение сильно поглощается веществом, характеризуется наименьшей частотой излучения и энергией фотона и длиной волны более 0,2 нм [13].

Входные окна детекторов рентгеновского излучения должны удовлетворять нескольким требованиям. Во-первых, эффективное пропускание рентгеновского излучения может быть достигнуто только за счет использования в качестве

рентгеновских окон относительно тонких фольг (мембран, пленок), предотвращающих чрезмерное поглощение излучения [11].

Во-вторых, для сохранения высокого вакуума в корпусе детектора, рентгеновское окно должно обладать вакуумной плотностью (вакуумной герметичностью), а также сохранять вакуумную плотность при внешнем воздействии статического и циклического характера, возникающего в процессе эксплуатации детекторов.

Чем тоньше окно и чем выше его активная площадь, тем больше напряжения, возникающие в нем при прочих равных условиях. Повышение напряжений до некоторых критических значений может вызвать разрушение рентгеновского окна, что приведет к выходу детектора из строя вследствие потери вакуума в его корпусе.

Помимо нагружения внешним давлением, вызывающим в нем механические напряжения, рентгеновское окно может подвергаться воздействию высоких и низких температур, вибраций, ударам, контакту с агрессивными средами, вызывающими коррозию, а также непосредственно воздействию жесткого рентгеновского излучения, способного вызывать деградацию и последующее разрушение материала окна.

В некоторых случаях, когда площадь рентгеновского окна недостаточна, и не может быть увеличена из-за его недостаточной механической прочности, множество детекторов объединяют в единый кластер с увеличенной активной площадью. Следует отметить, что при одинаковой активной площади единичного окна и кластера, изготовление и эксплуатация кластера может быть значительно сложнее и дороже, чем детектора с одним рентгеновским окном, смонтированным в одном корпусе.

Таким образом, идеальное рентгеновское окно должно быть одновременно очень тонким и при этом механически прочным и вакуумно плотным, коррозионностойким, выдерживать воздействие пониженных и повышенных температур.

В настоящее время для изготовления рентгеновских окон в детекторах используются различные материалы.

Алмазные пленки. Синтетические алмазные пленки (рис. 1.2) используются в

качестве ультратонких рентгеновских окон, поскольку обладают вакуумной плотностью, коррозионной стойкостью, нетоксичны и способны выдерживать высокие температуры [15-17]. Кроме того, алмазные окна способны выдерживать жесткое рентгеновское излучение в синхротронах и других высокоэнергетических установках, что делает их едва ли не единственной альтернативой бериллиевым окнам для данных устройств [18].

Применение алмазных пленок (мембран) в детекторах мягкого рентгеновского излучения эффективно при их толщине менее 1 мкм [19], при этом требует обязательное использования опорной сетки (армирования) [20], что в некоторых случаях вызывает чрезмерное поглощение рентгеновских лучей материалом армирования.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Мишин Василий Викторович, 2020 год

- -

0,0 0,2 0,4 0,6 0,1

1,0 1,2 1,4 1,6

Рис.4.42. Кривые пластического течения дистиллированного бериллия при семикратном нагружении, полученные на комплексе Gleeble-3800 [102], пауза между стадиями деформирования 600 с при температурах: а - 800 °С; б - 870 °С

По рис. 4.42, б видно, что деформация бериллия при Т=870 °С не приводит к накоплению упрочнения при нагружениях, предел текучести металла при каждой деформации имеет приблизительно одинаковые значения, подтверждая характер рассчитанных значений модифицированного критерия Кокрофта-Латама с учетом объемной доли релаксированного металла (рис. 4.41) и факт отсутствия разрушения бериллия (рис. 4.43, б).

Рис. 4.43. Результаты физического моделирования семикратной деформации сжатием бериллия при различных температурах на комплексе Gleeble-3800: а - Т=800 °С; б -

Т=870 °С

На рис. 4.44 представлены результаты использования предложенной формулы (4.20) при расчетах трещинообразования бериллия при горячей прокатке.

При горячей прокатке в контейнере областью возможного разрушения бериллия, как и в случае с теплой прокаткой в контейнере, является кромочная область заготовки. Выполненное численное моделирование горячей прокатки бериллия в контейнере в пакете Deform-3D с использованием формулы (4.20) позволили рассчитать значения модифицированного критерия Кокрофта-Латама с учетом объемной доли релаксированного металла (рис. 4.44). Рассматривали случай прокатки дисков из бериллия с начальной толщиной 5 мм и диаметром 50 мм. Толщина стенок контейнера составляла 5 мм. Относительное обжатие в каждом проходе составляло 15 %.

По результатам расчетов, представленных на рис. 4.44, а-б видно, что прокатка бериллия при температурах 700-800 °С приводит к монотонному росту критерия разрушения, даже несмотря на длительное время междеформационной паузы, достигающей 1800 с. Данный факт говорит о высокой вероятности разрушения металла через несколько проходов, что наблюдаетя при опытных прокатках (рис. 4.44, г).

В отличие от этого, при прокатке при температуре 870 °С с временем паузы между деформациями 120 с, в этом случае интенсивно протекающие процессы разупрочнения практически не приводят к росту значений критерия. Несмотря на то, что при температуре 870 °С уровень предельных значений критерия несколько ниже чем при температурах 700-800 °С, разрушение бериллия при опытных прокатках не происходит (рис. 4.44, г).

Рис. 4.44. Рассчитанные значения модифицированного критерия Кокрофта-Латама для

области возможного разрушения бериллия при горячей прокатке в металлическом контейнере при различных температурах и времени паузы между проходами (i): а - Т = 700 °С; б - Т = 800 °С; в - Т = 900 °С; - результаты опытных прокаток дистиллированного бериллия в металлическом контейнере при различных температурах, время паузы между

проходами 600 с

Применение предложенного подхода для оценки разрушения бериллия при прессовании. Предложенный подход был успешно использован при анализе

разрушения бериллия при изготовлении прецизионных линз для фокусировки рентгеновского излучения.

Преломляющие линзы для фокусировки рентгеновского излучения широко используются в устройствах, предназначенных для рентгеновского анализа, микротомографии, рентгеновской микроскопии и др. Долгое время фокусировка рентгеновских лучей являлась невозможной из-за сложностей в их преломлении. Только в 1996 году А. А. Снигиревым и др. удалось экспериментально показать, что фокусировка рентгеновского излучения при помощи линз возможна, если радиус кривизны линз составляет менее 500 мкм и линзы собираются в последовательную сборку [150-152]. Рентгеновские линзы изготавливаются из легких материалов с малым атомным номером, таких как литий, бор, углерод, магний, алюминий, поликарбонат и др. Наиболее простыми в изготовлении являются линзы из алюминия [153], которые, тем не менее, значительно поглощают рентгеновское излучение. За счет низкого коэффициента поглощения рентгеновского излучения предпочтительным материалом для изготовления линз является бериллий [154].

В основном для фокусировки используют линзы простой формы -цилиндрические или параболические [153]. На рис. 4.45 представлено схематическое изображение линзы и их последующая сборка в единый узел.

а) б)

Рис. 4.45. Схематическое изображение рентгеновской линзы (а) и их последовательная

сборка(б)[154]

Одним из способов изготовления линз является механическая обработка заготовок бериллия (точение, шлифование, доводка и др.). Однако данные методы механической обработки приводит к большому расходу дорогостоящего

бериллия, достигающего 60-70 %. Таким образом, эффективной технологией получения данных линз является прессование. В работе [153] для получения параболических линз из поликарбоната прессованием при 130 °С предложен инструмент, фотография которого представлена на рис. 4.46. Данная форма инструмента была взята за основу при моделировании деформации бериллия при получении линз.

_ Параболы

Рис. 4.46. Фотография инструмента для прессования параболических линз из поликарбоната[153]

Важной составной частью сборки является держатель линзы (обойма). Наиболее эффективно получение линзы и держателя за одну технологическую операцию. Кроме этого, схема прессования линзы в обойме из пластичного металла, обеспечивает наиболее благоприятные условия деформации, сводящих к минимуму действие растягивающих напряжений.

Очевидно, что при прессовании линз вероятность разрушения бериллия, а также заданная точность размеров будут зависеть от упругих свойств материала инструмента, температурно-деформационных режимов обработки, а также геометрических параметров обоймы.

Для исследования влияния параметров технологического процесса прессования на вероятность разрушения бериллия была разработана компьютерная модель прессования бериллиевых линз в пакете Ве1отт-2В. При моделировании деформируемый бериллий считали упругопластической средой с упрочнением. Модель среды матрицы считали жесткой, а модель среды

пуансонов - упругой. Упругие свойства пуансонов и бериллия задавали модулем упругости и коэффициентом Пуассона. Коэффициент Пуассона для бериллия принимали равным 0,02 [99]. Кривые пластического течения бериллия были заданы согласно рис. 4.5, а температурная зависимость модуля упругости для бериллия - согласно данным [69].

Моделирование выполняли применительно к параболическим линз, наиболее часто используемым в синхротронной технике [150]. Были приняты следующие параметры исходных заготовок для прессования параболических линз: диски диаметром 4 мм и толщиной 1,1 мм; для прессования линейной линзы: диски диаметром 8 мм и толщиной 1 мм.

Рис. 4.47 Схема прессования параболической бериллиевой линзы в обойме из никеля с использованием закрытой матрицы: 1 - матрица; 2 - держатель линзы (обойма); 3 -пуансоны; 4 - бериллиевый диск (заготвка)

Выполненный анализ НДС для различных температур деформации позволил установить, что максимальные значения критерия модифицированного Кокрофта-Латама наблюдаются в области наплывов (в области соприкосновения с инструментом) (см. рис. 4.48, а). Именно в этих местах сосредоточены максимальные значения деформаций (рис. 4.48, б-в), а также действуют тангенциальные растягивающие напряжения а© (рис. 4.49, а).

3

4

ъ

X

Рис. 4.48. Поля значений модифицированного критерия Кокрофта-Латама (а), сдвиговых деформаций (б) и интенсивности деформаций (в) для различных стадий

прессования бериллия при Т=400 °С

Анализ распределения напряжений на заключительных стадиях прессования показывает (рис. 4.49), что благодаря использованию никелевой обоймы в очаге деформации достигается благоприятная схема деформации с преобладающим действием сжимающих напряжений <к (рис. 4.49, б) и <зг (рис. 4.49, в).

Рис. 4.49. Поля распределения напряжений на финальной стадии прессования бериллиевой линзы: а - тангенциальные напряжения о@; б радиальные напряжения ок; в -

осевые напряжения-ог Для обеспечения заданной точности перемычки линзы выполнен анализ упругой деформации инструмента в зависимости от модуля Юнга материала, из которого он изготовлен (рис. 4.50). Полученная зависимость представлена на рис. 4.51. На рис. 4.51 также представлена зависимость влияния модуля Юнга материала инструмента на значения критерия Кокрофта-Латама для области возможного разрушения.

Рис. 4.50. Поля распределения накопленной интенсивности деформации в бериллии на финальной стадии прессования параболической линзы, а также поля распределения упругих деформаций в инструменте (в); А - пуансоны; В -бериллиевая заготовка

Рис. 4.51 Зависимости влияния модуля Юнга материала пуансонов на значения критерия Кокрофта-Латама в области наплывов и упругую

деформацию центральной части пуансона (область 1, рис. 4.50) при прессовании бериллия

По рис. 4.51 видно, что уменьшение модуля упругости инструмента приводит к снижению значений критерия разрушения и росту величины абсолютной деформации центральной части пуансона. При этом величина упругого восстановления формы после снятия нагрузки в центральной части линзы составляет от 2 до 25 мкм при толщине перемычки линзы 3 мм.

Результаты выполненного компьютерного моделирования легли в основу разработки экспериментальной оснастки и режимов прессования бериллиевых линз, обеспечивающих отсутствие разрушения бериллия и необходимую точность геометрии линзы. В АО «ВНИИНМ» по разработанным режимам получены бериллиевые линзы высокого качества (рис. 4.52).

Рис. 4.52. Бериллиевые линзы, полученные в АО «ВНИИНМ»

4.8. Заключение по главе

Выполненный анализ различных подходов к разрушению материалов показал, что наиболее эффективным из них является подход, основанный на сочетании численного (конечно-элементного) и физического моделирования процессов пластической деформации и разрушения бериллия.

Выполненный в данной главе анализ различных критериев разрушения в сопоставлении с экспериментальными данными показал, что наиболее простым, но в то же время эффективным и достоверно отражающим картину разрушения бериллия при монотонной пластической деформации является модифицированный критерий Кокрофта-Латама. При помощи сопоставления результатов расчетов с экспериментальными данными показано, что предельные значения модифицированного критерия разрушения Кокрофта-Латама не зависят

205

от схемы напряженно-деформированного состояния и определяются только свойствами материала. Для определения предельного значения критерия предложена методика, основанная на сопоставлении данных физического и численного моделирования процессов пластической деформации с учетом схемы напряженно-деформированного состояния, а также процесса образования и развития трещин.

При помощи предложенной методики получена температурная зависимость предельных значений модифицированного критерия Кокрофта-Латама для исследуемых в работе сортов бериллия.

Предложен подход, обеспечивающий учет влияния релаксации напряжений на значения критерия разрушения при многопроходной деформации с учетом зависимостей объемной доли релаксированного металла от времени междеформационной паузы и температуры деформации, полученных экспериментально на комплексе Gleeble-3800.

Эффективность предложенного подхода подтверждена на примерах многопроходной горячей и теплой прокатки, а также прессования рентгеновских линз из бериллия.

ГЛАВА 5. Исследование деформации и разрушения бериллиевых фольг при эксплуатации в детекторах рентгеновского излучения

В Главе 1 было показано, что для работы детектора в его камере должен быть создан высокий вакуум, вследствие чего бериллиевое окно неизбежно подвергается нагружению внешним атмосферным давлением. Нагружение, в зависимости от типа детектора и характера его эксплуатации, может носить как статический, так и циклический характер. При относительно малой толщине и большой активной площади бериллиевое окно может значительно деформироваться при нагружении внешним давлением, что способно вызвать его разрушение и привести к выходу детектора из строя.

Очевидно, что напряженно-деформированное состояние фольг и, как следствие, вероятность их разрушения, будут определяться физико-механическими свойствами бериллия, а также геометрическими параметрами рентгеновских окон.

Таким образом, разработка и верификация моделей прогнозирования разрушения бериллиевых фольг при их эксплуатации в детекторах рентгеновского излучения является важной задачей. При этом в обязательном порядке должны учитываться физико-механические свойства фольг и наличие в них возможных дефектов.

5.1. Экспериментальные исследования деформации и разрушения бериллиевых фольг при статическом нагружении внешним давлением

Хорошо известно, что методы, обычно используемые для измерения механических свойств на полноразмерных образцах, непосредственно не применимы к тонким фольгам [155]. К примеру, механические свойства тонких фольг (толщина которых в 100 и более раз меньше ширины образца) при испытаниях на растяжение могут значительно отличаться от механических свойств, полученных при испытаниях полноразмерных образцов из того же

материала. Это хорошо известное явление, как правило, называется в литературе «масштабным фактором» [156,157].

При испытаниях фольг на статическое растяжение может быть получена оценка механических свойств материала, однако растяжением фольг можно достичь лишь относительно небольших степеней деформации [158]. Этот факт препятствует определению показателя упрочнения материала и предельной деформации до разрушения. Бериллий является хрупким материалом, поэтому сведения об уровне пластичности и предельных деформациях крайне важны для оценки надежности и долговечности работы бериллиевых окон в детекторах рентгеновского излучения.

Для устранения указанного недостатка для тестирования тонких фольг широко используется специальная методика исследований - нагружение внешним давлением («bulge test»). Такой вид испытаний считается одним из самых достоверных методов определения механических свойств тонких фольг, поэтому широко используется при тестировании алюминия [159], меди [158], стали [160], германия [161] и других материалов. Применительно к бериллию данная методика также является весьма эффективной, поскольку максимально соответствует условиям эксплуатации бериллиевого окна в детекторе рентгеновского излучения.

Общая схема испытаний в представлена на рис. 5.1 [161].

В ходе испытания образец фольги фиксируют на оснастке и подвергают воздействию давления газа или жидкости. Уровень механических свойств фольги оценивается по величине максимального прогиба фольги от исходного положения, измеренного при помощи специальных CCD камер [159], лазерных интерферометров [155,162], либо другими способами. Схема напряженно-деформированного состояния при данном типе нагружения позволяет достичь

Рис. 5.1. Общая схема испытаний фольги радиусом а и толщиной к на нагружение внешним давлением величиной Р [161]

значительно больших величин деформации фольг по сравнению с испытаниями на растяжение. Так, в работе [159] был произведен сравнительный анализ методов нагружения внешним давлением и растяжением алюминиевых фольг толщиной 25-500 мкм. Напряжения течения для нагружения внешним давлением в работе [159] определены по соотношению теории мембран:

рЯ

о -

2t

(5.1)

где

p - приложенное внешнее давление; R - максимальный прогиб в центре фольги; t - толщина образца.

Деформации фольги были измерены при помощи оптической аналитической системы, оснащенной CCD камерами.

а) б)

Рис. 5.2. Сравнение кривых пластического течения, полученных в работе [159] при помощи нагружения внешним давлением и испытаний на растяжение: а - толщина фольги 200 мкм: б - толщина фольги 25 мкм

На рис. 5.2 представлено сравнение кривых пластического течения, полученных растяжением и нагружением внешним давлением. Хорошо видно, что предельные деформации в момент разрушения существенно различаются. При помощи нагружения внешним давлением можно получить кривые пластического течения в диапазоне деформаций, приблизительно в 2,5 раза превышающем диапазон деформаций при испытаниях на растяжение (рис. 5.3).

§ 0.6

а

I 0.5

&н

& 0.4

(D

Al 99.5, annealed

□ tensile test □ b"lne

Ц 0-2

I 0.1

П

I ,u n n

25 50 100 200 500

Толщина, мкм Рис. 5.3. Значения деформаций в момент разрушения для испытаний на внешнее давление и статическое растяжение [159]

Исследования, выполненные в работе [159], представляют большой практический интерес для определения физико-механических свойств тонких бериллиевых фольг. Тем не менее, для определения точных значений накопленной деформации в фольге, помимо экспериментальных измерений прогибов требуются дополнительные расчеты НДС фольги при помощи метода конечных элементов.

Экспериментальные исследования деформации тонких бериллиевых фольг при статическом нагружении внешним давлением выполняли при помощи специально разработанной оснастки, схема которой представлена на рис. 5.4, а.

Бериллиевые фольги вклеивали в металлические рамки в виде дисков с отверстием. Рамки с вклеенными фольгами фиксировали в корпусе оснастки при помощи зажимной части. Нагружение осуществляли сжатым гелием при скорости нарастания давления 0,2 атм/с, уровень давления измеряли при помощи манометра (конструкция по EN 562).

Для экспериментального измерения деформаций (прогибов) фольг, необходимых для верификации конечно-элементной модели, после достижения заданного давления, испытываемые образцы заливали эпоксидной смолой (рис. 5.4, б). После окончательного отверждения смолы давление в системе сбрасывали до атмосферного, а затем измеряли максимальное значение прогиба фольги при

помощи часового микрометра, установленного на специальном штативе (точность измерения ±1 мкм).

б)

Рис. 5.4. Схема оснастки для проведения испытаний образцов тонкой бериллиевой фольги внешним давлением (а) и схема, иллюстрирующая фиксацию бериллиевой фольги при нагружении внешним давлением при помощи эпоксидной смолы (б)

При экспериментальном определении давлений в момент разрушения тонких бериллиевых фольг использовали специальную камеру для предотвращения разлета частиц бериллия в атмосферу.

Как показано в Главе 3, бериллиевые фольги в зависимости от технологии производства могут иметь различные физико-механические свойства. Для исследования деформации и разрушения при нагружении внешним давлением использовали тонкие бериллиевые фольги, изготовленные по разработанной технологии холодной прокатки в сочетании с высоковакуумным отжигом. Такая технология обеспечила высокие физико-механических свойства: а0.2 = 360 МПа; ав = 410 МПа; 5=6% (режим 3, технический бериллий, см. рис. 3.62, Глава 3). Дополнительно были исследованы фольги, имеющие меньший уровень механических свойств свойств : а0.2 = 200 МПа; ав = 320 МПа; 5=3,5% (режим 1, дистиллированный бериллий, см. рис. 3.61, Глава 3). Кроме этого, также испытывали фольги, не подвергнутые операции отжига после холодной прокатки. Такие фольги обладали следующим комплексом свойств: а02 = 550 МПа; ав = 550 МПа; 5=0,08% (см. рис. 3.25, Глава 3).

На рис. 5.5 представлены фотографии, иллюстрирующие характер деформации бериллиевых фольг различной толщины после нагружения внешним давлением и фиксации деформированной фольги (нагруженной внешним давлением) при помощи эпоксидной смолы.

а)

в)

б)

г)

Рис. 5.5. Образцы бериллиевых фольг после испытаний на статическое нагружение внешним давлением, зафиксированные эпоксидной смолой для замера прогибов: а -толщина фольги 23 мкм, давление 6 атм; б - толщина фольги 16 мкм, давление 6 атм; в -толщина фольги 5 мкм, давление 3 атм; г - толщина фольги 100 мкм, давление 6 атм

Результаты испытаний образцов бериллиевых фольг в различном состоянии и замеров прогибов представлены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Параметры и результаты испытаний бериллиевых фольг на статическое

нагружение внешним давлением

Толщина фольг, мкм Апертура, мм Давление, атм Предел текучести (00.2), МПа Измеренные значения максимального прогиба фольг, мкм

15 6,3 4 360 190 - 200

15 6,3 6 360 250 - 270

16 5 6 360 165 - 170

22,5 5 6 360 90 - 100

23 7 6 360 220 - 250

23 10 6 360 335 - 340

100 7 6 200 70 - 90

Выполненные экспериментальные исследования позволили установить максимальные прогибы образцов фольг, вызванные воздействием внешнего давления. Полученные данные, а также результаты испытаний фольг на растяжение (см. Главу 3), были использованы для разработки и верификации численных моделей деформации и разрушения бериллиевых фольг при различных условиях нагружения (статического и циклического).

Для анализа разрушения были изготовлены и использованы тонкие фольги толщиной 5-9 мкм, поскольку фольги, имеющие большую толщину (при апертуре 5 - 10 мм) не удалось довести до разрушения при давлении вплоть до 6 атм, а большее давление в экспериментальной установке обеспечить не представлялось возможным

Экспериментальное нагружение тонких бериллиевых фольг до разрушения также было выполнено с использованием разработанной оснастки (рис. 5.4). Результаты показали, что при статическом нагружении полученных по разработанным технологиям окон с апертурой 5-10 мм (стандартные размеры большинства современных детекторов) [3,46], внешнее давление в момент разрушения составило 4-6 атмосфер. Это в несколько раз больше требуемых значений, которые составляют 1-1,2 атм, (табл. 5.2)

Таким образом, разработанные технологии позволяют существенно снизить толщину и увеличить апертуру окон в современных детекторах рентгеновского излучения.

Таблица 5.2 - Параметры и результаты испытаний тонких бериллиевых фольг на статическое

нагружение внешним давлением до разрушения

Толщина фольг, мкм Апертура окна, мм Предел текучести (о0,2), МПа Средние значения давления при разрушении окон, атм Требуемый уровень давления при разрушении, атм

9 10 550 4,0 1-1,2

8,5 5 200 6,2 1-1,2

5 7 360 4,1 1-1,2

На рис. 5.6 представлены фотографии, иллюстрирующие характер разрушения окон при нагружении внешним давлением.

а) б)

Рис. 5.6. Результаты испытаний по нагружению бериллиевых окон внешним давлением до разрушения: а - толщина фольги 9 мкм, апертура 10 мм, разрушение при 5 атм; б - толщина фольги 8,5 мкм, апертура 5 мм, разрушение при 6 атм; в - толщина фольги 5 мкм, апертура 7 мм, разрушение при 4 атм; г - РЭМ-изображение поверхности разрушения фольги толщиной

5 мкм

5.2. Численное исследование статического нагружения бериллиевых фольг

внешним давлением

Задачу о расчете деформации и прогнозировании разрушения тонких бериллиевых фольг при нагружении внешним давлением решали в ABAQUS. Для сравнения результатов расчетов дополнительно использовали аналитическое решение задачи о больших прогибах мембран.

В качестве граничных условий моделирования задавали жесткую заделку

точек расчетной сетки, принадлежащих области фиксирования окна (пайка или вклейка, рис. 5.7). Внешнее давление при моделировании прикладывали только к узлам, соответствующим области апертуры (области внешнего воздействия).

Поскольку при нагружении внешним давлением для определенных геометрических конфигурациях

бериллиевых окон возможен переход упругой деформации в пластическую, для сравнительного анализа использовали две модели материала - упругую и упруго-пластическую. Для упругой модели свойства материала задавали модулем упругости Е = 290 ГПа и коэффициентом Пуассона V = 0,02 [99]. Для упруго-пластической модели, помимо упругих свойств, дополнительно задавали предел текучести и кривые пластического течения бериллия (рис. 5.8). Следует отметить, что при нагружении внешним давлением и при испытаниях на растяжение наблюдается сходство в кривых пластического течения (см. рис. 5.2, а) [159]. Поэтому для описания реологических свойств материала были использованы зависимости напряжений от деформации, полученные при помощи испытаний на статическое растяжение бериллиевых фольг в различном состоянии (см. Главу 3).

/

Рис. 5.7. Схема крепления бериллиевых фольг к корпусу детектора рентгеновского излучения (1 - бериллиевая фольга, 2 -область пайки, 3 - корпус детектора)

Кривые течения были экстраполированы в область больших деформаций по степенному закону упрочнения.

0,0 0 Л 0,2 0,3 0,4

£

Рис. 5.8. Кривые пластического течения, принятые при моделировании нагружения тонких фольг в ABAQUS

Для анализа деформации фольг толщиной более 50 мкм использовали трехмерную постановку с условиями симметрии. Для решения задачи в трехмерной постановке применяли два типа элементов - гексагональные элементы C3D8R и тетрагональные C3D10M (рис. 5.9).

Решение задачи о деформации тонких бериллиевых фольг толщиной менее 50 мкм в трехмерной постановке сопряжено со значительными вычислительными трудностями, связанными с созданием и последующим искажением сетки конечных элементов. Анализ деформации фольг толщиной менее 50 мкм выполняли с использованием двумерной осесимметричной постановки с использованием элементов SAX1 с 15 точками интеграции по толщине элемента.

Рис. 5.9. Форма бериллиевого окна толщиной 200 мкм с апертурой 5 мм после нагружения давлением в 2 атмосферы, рассчитанная в ABAQUS с использованием элементов C3D8R (а)

и C3D10M (б)

В двумерной осесимметричной постановке с использованием конечноэлементной сетки из 500 элементов SAX1 рассчитывали деформацию бериллиевых окон толщиной 5- 25 мкм с апертурами 5-10 мм, нагружаемых давлением 1-7 атм.

Аналитическое решение для определения величины отклонения при больших прогибах фольг и мембран круглой формы представлено в работе [163]. Решение основано на известном уравнении для определения величины малого прогиба круглой пластины при нагружении равномерно приложенным давлением [164]:

w(r) =

Ра4

64Б

1 -

г г

а

(5.2)

где

w - величина прогиба, м;

г - радиальная координата, м;

а - радиус пластины, м;

Р - приложенное давление, Па.

Б - жесткость пластины на изгиб, Па-м .

В уравнение (1) входит значение жесткости пластины на изгиб Б, которая определяется по формуле:

Б = 2 (5.3)

12(1 -у2) У 7

2

где

Е - модуль Юнга материала пластины, Па; V - коэффициент Пуассона материала пластины; И - толщина пластины, м.

Для определения величины отклонения w при больших прогибах заделанной по периметру круглой пластины уравнение (1) используется в виде:

где

= /

1 -

( г_ ^

I а )

/ = 3 -У-3 -//-У

а3 /

а = 14

/ =

4И2 -3аЛ£Д-У) (1 + у)(23 - 9У)

-7 Ра4 И1 80(1 - у)(23 - 9у)

(5.4)

(5.5)

(5.6)

(5.7)

(5.8)

2

Уравнения (5.4) - (5.8) позволяют учесть влияние напряженного состояния пластины и ее начальной деформации (параметр вх в уравнении (5.7)) на величину отклонения w при больших прогибах.

На рис. 5.10 представлены расчетные профили фольг, полученные по аналитическим зависимостям в сравнении с профилями фольг, рассчитанными в ЛБАрИБ с использованием упругой модели среды материала. Значения максимальных прогибов достаточно близки для всех толщин и апертур бериллиевых окон, причем аналитические зависимости показывают несколько завышенные величины прогибов, что выражается в более резком нарастании вертикального перемещения. Следует отметить, что профили бериллиевых фольг после нагружения внешним давлением, рассчитанные в ЛБАрИБ, более близки реальным, чем профили, рассчитанные аналитическими методами.

а)

220

200

5 180

5 160

0) 140

^

I 120

Ф

3" юо

а> 80

а) о. 60

0! с 40

20

0

. , , , . , , , , , , - Линии - АВАОиЗ .......

Точки - Аналитическое решение

........ 2 '

Ч -3"

° 3" -4

/УСХЗ«*^ -5"

///С? .■ //Ал0 ¿к \\ ■ 5

У Vе —■ с\\

/ "■лЛ

/уОм

),0 0,5 1.0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 Диаметральное расстояние, мм

5,0

Рис. 5.10. Профили бериллиевых фольг толщиной 8 мкм при нагружении внешним давлением 1 атм (1), 2 атм (2), 3 атм (3), 5 атм (4), 7 атм (5), рассчитанные по аналитическим зависимостям (5.4) - (5.8) и в ABAQUS с использованием упругой модели

среды для апертур окон: а - 5 мм; б - 10 мм

На рис. 5.11 представлено сравнение профилей фольг, рассчитанных в ABAQUS с использованием упругой и упруго-пластической модели среды материала. Видно, что при невысоких значениях давления нагружения (1-3 атмосферы) профили фольг практически совпадают, однако с ростом давления максимальные перемещения начинают отличаться значительно.

Рис. 5.11. Профили бериллиевых фольг толщиной 8 мкм при нагружении внешним давлением 1 атм (1), 2 атм (2), 3 атм (3), 5 атм (4), 7 атм (5), рассчитанные в ABAQUS с использованием упругой и упруго-пластической модели среды (предел текучести бериллия о02=360МПа): а - толщина фольг 25 мкм, апертура 10 мм; б - толщина фольг 12 мкм,

апертура 7 мм

Различия связаны с моментом перехода упругой деформации в пластическую. На рис. 5.12 представлены рассчитанные поля значений перемещений, напряжений и деформаций фольги при нагружении внешним давлением. Видно, что максимальные значения интенсивности напряжений и деформаций сосредоточены в узкой области окна, непосредственно граничащей с местом крепления (рис. 5.12, б-в).

а)

б)

в)

Рис. 5.12. Рассчитанные в ЛБЛОИБ с использованием упругой-пластической модели среды поля перемещений (а), интенсивности напряжений (б) и накопленной деформации (в) для фольги толщиной 8 мкм с апертурой 10 мм, нагружаемой давлением 5 атм (предел

текучести бериллия о0.2=360МПа)

Представленный на рис. 5.12 характер локализации напряжений и деформаций также наблюдается в работе [165] при конечно-элементном моделировании нагружения тонких графеновых пленок (рис. 5.13).

а)

б)

Strain Intensity (%)

Рис. 5.13. Результаты конечно-элементного моделирования нагружения тонких пленок из графена диаметром 1 мм и толщиной 1 мкм 1-й атмосферой давления [165]: а -интенсивность деформаций ег-; б - интенсивность напряжений по Мизесу

С возрастанием давления различие между упругим решением и решением в упруго-пластической постановке значительно возрастают. Чем больше апертура нагружаемой фольги, тем более развита пластическая деформация и тем сильнее различия в результатах аналитического и конечноэлементного расчета (рис. 5.14).

Сравнение экспериментальных и рассчитанных значений максимального прогиба бериллиевых фольг при статическом нагружении внешним давлением представлено в табл. 5.3.

б)

0,0 0,5 1.0 1,5 2,0 Радиальное расстояние, мм

Рис. 5.14. Сравнение рассчитанных различными методами профилей фольг толщиной 8

мкм и апертурой 5 мм при нагружении внешним давлением 2 атм (а) и 6 атм (б)

Из табл. 5.3 видно, что расчеты в АБАрИБ с использованием упруго-пластической модели среды материала показывают близкие к экспериментально измеренным данным значением прогибов, что позволяет судить о достоверности разработанной конечно-элементной модели в ЛБАрИБ.

Аналитическое решение и решение в ЛБАрИБ с использованием упругой модели среды материала дают несколько заниженные результаты по величине максимального прогиба фольг. Таким образом, расчеты напряженно-деформированного состояния и разрушения бериллиевых фольг при их нагружении внешним давлением необходимо осуществлять с использованием упруго-пластической модели среды.

Таблица 5.3 - Сравнение рассчитанных и экспериментальных значений максимальных прогибов в бериллиевых фольгах, нагружаемых внешним давлением

й Максимальные значенич прогиба,

мкм Измеренные значения максимального прогиба фольги, мкм

Толщина фольги, мкм Апертура, мм Давление, атм Предел текучести (о0.2), М Аналитическое решение АБАОШ с упругой моделью среды, мкм АБАОШ с упруго-пластической моделью среды, мкм

15 6.3 4 360 164 150 190 190 - 200

15 6,3 6 360 182 169 276 250 - 270

16 5 6 360 131 121 164 165 - 170

22,5 5 6 360 114 106 122 90 - 100

23 7 6 360 182 167 225 220 - 250

23 10 6 360 254 236 369 335 - 340

100 7 6 200 52 40 55 70 - 90

Величины накопленной интенсивности деформации 8;, рассчитанные в ЛБАрИБ с использованием упруго-пластической модели среды, для экспериментальных данных нагружения представлены в табл. 5.4. Расчеты показывают, что при нагружении внешним давлением, в бериллиевых фольгах могут накапливаться очень значительные для бериллия пластические деформации

величиной до 10-15% (табл. 5.4), при этом признаков разрушения не наблюдается (см. фото рис. 5.5).

Таблица 5.4 - Рассчитанные в АВЛОИБ значения интенсивности деформации в бериллиевых фольгах, нагружаемых внешним давлением

Толщина фольг, мкм Апертура, мм Давление, атм Предел текучести (00.2), МПа Интенсивность деформации, рассчитанная в АВАОШ с упруго-пластической моделью среды

15 6,3 4 360 0,088

15 6,3 6 360 0,154

16 5 6 360 0,101

22,5 5 6 360 0,083

23 7 6 360 0,117

23 10 6 360 0,155

100 7 6 200 0,016

На рис. 5.15 представлен сравнительный анализ максимального прогиба фольги и интенсивности накопленной пластической деформации для различных пределов текучести бериллия при нагружении фольг толщиной 8 и 25 мкм. По рис. 5.15 видно, что при больших толщинах фольг и малых величинах приложенного давления нагружения (< 1 атм) разница между прогибами фольг практически отсутствует. При больших величинах давления нагружения повышение значений предела текучести существенно снижает величину прогиба (различие в прогибах может достигать 500 мкм для фольг толщиной 8 мкм).

При нагружении фольг из бериллия толщиной 25 мкм с пределом текучести о02=450 МПа и более, фольги практически не испытывают пластической деформации при давлениях нагружения до 2 атм при апертуре 7 мм. В то время в фольгах толщиной 8 мкм, изготовленных из бериллия с пределом текучести о02=200 МПа, уже при давлении 2 атм уровень пластической деформации в месте локализации достигает величины 81= 0,1 (рис. 5.16).

Таким образом, при помощи управления структурным состоянием и физико-механическими свойствами бериллия, открываются широкие возможности по оптимизации величины прогиба и уровня накопленной пластической деформации рентгеновского окна при его заданной толщине и активной площади.

Рис. 5.15. Зависимости максимальных значений перемещения фольги иу от величины приложенного давления для различного предела текучести бериллия: а - апертура 7 мм, толщина 8 мкм; б - апертура 7 мм, толщина 25 мкм

Рис. 5.16. Зависимости максимальных значений интенсивности деформаций 81 от величины приложенного давления для различного предела текучести бериллия: а - апертура 7 мм, толщина 8 мкм; б - апертура 7 мм, толщина 25 мкм

5.3. Выбор критерия и определение его предельных значений для описания разрушения бериллиевых фольг при испытаниях внешним давлением

Исходя из того, что процесс нагружения тонких бериллиевых фольг сопровождается ярко выраженной локализацией пластической деформации и растягивающих напряжений в области возможного разрушения (области крепления окна, см. рис. 5.7), для прогнозирования разрушения возможно использование энергетических критериев, одним из которых является встроенный в ABAQUS [166,167] феноменологический критерий Ductile Damage Model, близкий по своей сути к критериям, рассмотренным в Главе 4. Согласно данному критерию, разрушение происходит при выполнении условия:

dz.

® = = 1, (5.9)

ult

где ю - параметр поврежденности бериллия; s, - интенсивность пластической деформации; suit - интенсивность пластической деформации в момент разрушения (предельное значение критерия).

Используя экспериментальные данные о разрушении бериллиевых фольг при статическом нагружении внешним давлением, можно рассчитать предельное значение критерия (sult) в момент разрушения бериллиевых окон для фольг с различными значениями физико-механических свойств. На рис. 5.17-5.19 представлены некоторые результаты конечно-элементного моделирования статического нагружения бериллиевых фольг внешним давлением.

Рис. 5.17. Рассчитанные значения перемещений и (а), накопленной интенсивности пластической деформации в/ (б), главного напряжения а1 (в) и интенсивности напряжений (в) при нагружении окна толщиной 9 мкм и апертурой 10 мм давлением 4 атм

Рис. 5.18. Рассчитанные значения перемещений и (а), накопленной интенсивности пластической деформации в/ (б), главного напряжения ах (в) и интенсивности напряжений (в) при нагружении окна толщиной 5 мкм и апертурой 7 мм давлением 4

Рис. 5.19. Рассчитанные значения перемещений Их (а), накопленной интенсивности пластической деформации 8,- (б), главного напряжения ах (в) и интенсивности напряжений (в) при нагружении окна толщиной 8,5 мкм и апертурой 5 мм давлением 6 атм

На рис. 5.20 представлены предельные значения критерия (5.9) для фольг с различным уровнем физико-механических свойств, рассчитанные по при помощи метода конечных элементов по данным опытного тестирования.

Рис. 5.20. Предельные значения критерия (5.9) для фольг с различным уровнем физико-механических свойств, рассчитанные в АВАриЗ по данным опытного тестирования на нагружение внешним давлением до разрушения

Полученные данные о предельных значениях критерия (5.9) можно использовать для прогнозирования вероятности разрушения бериллиевых окон различных геометрических конфигураций. На рис. 5.21 представлены результаты расчета значений накопленной интенсивности деформации в! для области возможного разрушения при нагружении бериллиевых окон с различной апертурой и толщиной в сопоставлении с предельным значением виц = 0,15.

Рис. 5.21. Зависимость максимальных значений интенсивности деформаций в! от внешнего давления: а - 5 мм; б - 7 мм; в - 10 мм (ао,2=360 МПа; ав=410 МПа; 5 = 3 %)

По рис. 5.21 видно, что бериллиевые фольги толщиной 5 мкм, имеющие повышенный уровень физико-механических свойств, способны без разрушения выдержать давление в 5, 4 и 3 атмосферы при апертуре 5, 7 и 10 мм соответственно.

Таким образом, выполненный комплекс экспериментальных исследований в сочетании с численным моделированием позволили установить, что разрушение

бериллиевых окон при нагружении внешним давлением происходит в области крепления (области пайки) из-за локализации пластической деформации и значительных растягивающих напряжений в данной области.

Выполненные испытания на статическое нагружение внешним давлением тонких бериллиевых фольг (толщиной 5-10 мкм) до разрушения в сочетании с конечно-элементным моделированием позволили определить уровни предельных значений выбранного критерия разрушения (5.9) для различных структурных состояния бериллия.

5. 4. Методика прогнозирования разрушения бериллиевых фольг при

циклическом нагружении

Эксплуатация некоторых типов детекторов рентгеновского излучения предусматривает множество циклов набора вакуума и последующего напуска атмосферы в корпус детектора. Таким образом, нагружение может носить не только статический, но и циклический характер. На протяжении срока службы бериллиевое окно может испытывать до нескольких тысяч нагружений. Исходя из этого, исследования процессов циклического нагружения тонких бериллиевых фольг в условиях работы в детекторах рентгеновского излучения, направленные на прогнозирование стойкости окон, являются актуальными.

Как правило, для оценки работоспособности бериллиевых окон применяют натурные циклические испытания [168], при которых окно должно выдержать большое количество циклов нагружения (до 10 000).

Для проведения испытаний на циклическое нагружение внешним давлением в систему оснастки (рис. 5.4, а) были встроены управляемый при помощи контроллера электромагнитный клапан А331-1С2. Использование контроллера позволило осуществлять циклическое нагружение в автоматическом режиме. Цикл одного нагружения состоял из напуска газа при заданном давлении, выдержку 1 с и последующую разгрузку до атмосферного давления. Количество циклов при испытаниях достигало нескольких тысяч. Следует подчеркнуть, что при экспериментальных циклических нагружениях давление в системе возрастало

практически мгновенно. Это является максимально «жесткими» условиями тестирования, в отличие от методики тестирования фольг и пленок, изготовленных из альтернативных материалов, где цикл нагружения и цикл разгрузки длятся несколько секунд [33,165].

5. 5. Численное исследование циклического нагружения бериллиевых фольг

внешним давлением

Задача о деформации образцов фольги при циклическом нагружении внешним давлением также была решена в АБАриБ в двумерной осесимметричной постановке с использованием конечноэлементной сетки из 500 элементов БАХ1 с 15 точками интеграции по толщине элемента. Нагружение задавали давлением величиной 1 и 1,2 атмосферы, приложенным к области апертуры и изменяющимся по закону, представленному на рис. 5.22.

1,0 0,8 га 0,6

Е с^

си 0,4

0,2 0,0

Рис. 5.22. Схема циклического нагружения бериллиевых фольг при моделировании

Исследовали циклическое нагружение круглых бериллиевых окон толщиной 5, 8, 12, 15, 25 и 30 мкм с апертурой 2, 5, 7, 10 и 15 мм. Реологические свойства материала соответствовали кривой для бериллия с пределом текучести а02=360 МПа (рис. 5.8).

В результате выполненных расчетов были получены поля распределения напряжений, перемещений и деформаций в бериллиевых окнах различных геометрических конфигураций (рис. 5.23), а также установлен характер изменения

указанных параметров с течением времени при нарастании количества циклов нагружения.

Как видно из рис. 5.23, по аналогии результатами анализа статического нагружения, максимальные значения интенсивности напряжений и деформаций наблюдаются в узкой области окна, непосредственно граничащей с заделкой (рис. 5.23, а, б). В этой же области действуют максимальные растягивающие напряжения (рис. 5.23, в). Наибольшее вертикальное перемещение наблюдается в центре бериллиевого диска (рис. 5.23, г).

Рис. 5.23. Поля распределения интенсивности напряжений о; (а), интенсивности накопленной пластической деформации в; (б), максимального главного напряжения о1 (в) и вертикального перемещения и (г) для бериллиевого окна диаметром 9.2 мм с апертурой 7 мм и толщиной 8 мкм после 1500 циклов нагружения внешним давлением 1 атм Таким образом, как и при статическом нагружении, критической областью, где наиболее вероятно разрушение бериллия, является область окна непосредственно на границе заделкой.

На рис. 5.24 представлен график изменения вертикального перемещения для центра фольги. Видно, что перемещение в центре диска иг изменяется циклично, в соответствии с законом приложенного внешнего давления, принимая

максимальное значение Umax в момент набора вакуума и минимальное значение Umin в момент напуска атмосферы. Следует отметить, что в момент времени, когда разница между внешним и внутренним давлением равна нулю, центральная область диска не возвращается в исходное нулевое положение, что говорит о пластической деформации бериллия в области, граничащей с заделкой (рис. 5.23, б).

Рис. 5.24. Зависимость величины вертикального перемещения для центральной точки

бериллиевого окна с апертурой 10 мм и толщиной 5 мкм от количества циклов нагружения внешним давлением р = 1 атм: а - общая зависимость для 2000 циклов; б -

увеличенный начальный участок

По мере увеличения количества циклов нагружения, значения интенсивности накопленной деформации 8! в критической области окна сначала резко возрастают, а затем стабилизируются и остаются практически неизменными (рис. 5.25). Выполненные расчеты показывают, что такая картина наблюдается для всех исследованных типоразмеров окон - значения деформации 8! в критической области перестают расти после нескольких десятков и сотен циклов нагружения, в зависимости от толщин фольг. Применительно к тонким фольгам (толщиной 5-12 мкм) использование более 1500 циклов нагружения при тестировании может быть признано чрезмерным.

Например, при циклическом нагружении фольг толщиной 5 мкм стабилизация значений 8! происходит при достижении 1000 циклов нагружения, а при толщине фольг 30 мкм при 4 циклах нагружения (см. рис. 5.25).

0,12

30 мкм-25 мкм-15 мкм

12 мкм-8 мкм-5 мкм

0,10

0,08

со

0,06

0,04

0,02

0,00

0

500 1000 1500 2000

Количество циклов

Рис. 5.25. Зависимость значений интенсивности накопленной пластической деформации 81 в области возможного разрушения от количества циклов нагружения бериллиевых окон

Детальные исследования показали, что причиной накопления деформации при циклическом нагружении фольг являются упругие свойства бериллия, а именно относительно низкий коэффициент Пуассона, равный 0,02. Для наглядности, на рис. 5.26 представлены зависимости, полученные по результатам моделирования циклического нагружения бериллиевых фольг толщиной 5 мкм с различными значениями коэффициента Пуассона (остальные параметры моделирования остались не изменились). По рис. 5.26, б видно, что рост значений 81 в области возможного разрушения происходит на стадии нагружения окна. На стадии разгрузки, при падении давления в системе, значения 8[ остаются постоянными. Причем, чем меньше значения к-та Пуассона и, тем более высокие значения 8[ достигаются в каждом цикле нагружения. При решении задачи с и=0,32 при циклическом нагружении деформация 8[ практически не накапливается.

различной толщины и апертурой 10 мм давлением 1 атм

Рис. 5.26. Влияние значения коэффициента Пуассона и на характер нарастания интенсивности накопленной пластической деформации 8i в области возможного разрушения при циклическом нагружении (толщина окна 5 мкм, апертура 10 мм,

давление 1 атм)

Эффект влияния коэффициента Пуассона на характер формообразования и деформации тонких мембран при статическом нагружения рассмотрен в работе [169]. Исследовано влияние отрицательных и положительных значений коэффициента Пуассона на зависимости перемещений и напряжений во время нагружения мембран. Однако в работе [169] не учитывается вклад пластической деформации, т.к. задача решена только в упругой постановке, поэтому характер локализации 81 не учитывается. Следовательно, такая постановка не отражает всех особенностей нагружения тонких бериллиевых фольг.

На рис. 5.27 представлены результаты анализа влияния коэффициента Пуассона на профили бериллиевых окон. Расчеты были выполнены при помощи аналитических зависимостей и конечно-элементного моделирования в ABAQUS. Видно, что относительно малое значение коэффициента Пуассона (и=0,02) приводит к дополнительному упругому увеличению активной площади окна и, как следствие, к росту уровня интенсивности напряжений в фольге. Это, в свою очередь вызывает дополнительный прирост пластической деформации за цикл нагружения, что отчетливо наблюдается на рис. 5.25-5.26.

0 1 2 3 4 5 Радиальное расстояние, мм

Рис. 5.27. Аналитическое и численное решение задачи о упругом прогибе окна толщиной 5 мкм и апертурой 10 мм при нагружении давлением 1 атм с модулем Юнга Е=290 ГПа и различными значениями к-та Пуассона

На рис. 5.28-5.29 представлены результаты расчетов зависимостей величины максимального прогиба и2 в центре окна и максимальные значений интенсивности накопленной деформации в критической области от толщины фольг, их апертуры и уровня приложенного давления. Расчеты показывают (рис. 5.28-5.29), что в зависимости от апертуры и толщины фольг значения и2 и могут как значительно увеличиваться при нарастании количества циклов нагружения, так и практически не отличаться от нуля на всем протяжении циклического нагружения.

Следует отметить, что прогиб фольг после статического и циклического нагружения (после разгрузки) приблизительно одинаковый, однако величина накопленной интенсивности деформации в области разрушения может отличаться значительно. Так, при нагружении окна толщиной 8 мкм с апертурой 7 мм прогиб в центре диска составляет 135 мкм (рис. 5.28) для циклического нагружения и 130 мкм для статического нагружения (рис. 5.15). При этом интенсивность накопленной деформации для циклического нагружения составляет 81=0,05 (рис. 5.29), для статического 81=0,025 (рис. 5.21).

Рис. 5.28. Зависимости влияния толщины фольг и апертуры на значения максимального прогиба И2 бериллиевых окон после 1500 циклов нагружения внешним давлением: а - 1 атм; б - 1,2 атм

Рис. 5.29. Зависимости влияния толщины фольг и апертуры на значения интенсивности накопленной пластической деформации 81 в критической области бериллиевых окон после 1500 циклов нагружения внешним давлением: а - 1 атм; б - 1,2 атм

Таким образом, накопление пластической деформации в сочетании с низкой пластичностью бериллия способствует разрушению окон в условиях циклического нагружения. Вероятность разрушения бериллиевого окна может быть уменьшена либо за счет увеличения толщины фольг (при постоянных значениях апертуры), либо за счет повышения прочности и пластичности бериллия.

5. 6. Испытания фольг на статический изгиб

Данный тип испытаний является наиболее простым в плане подготовки образцов и выполнения испытаний. Несмотря на простоту, сочетание

экспериментальных исследований и численного моделирования дает возможность оценки уровня предельных деформаций в момент разрушения для тонких и сверхтонких бериллиевых фольг (толщиной 5-25 мкм), значения которых можно использовать для оценки работоспособности окна в детекторе.

Испытание на изгиб тонких пленок с последующим определением прочностных характеристик при помощи численного моделирования представлено в работе [170].

В данной работе испытания на изгиб выполняли для фольг толщиной 5-250 мкм. При испытаниях, для надежного фиксирования образцов фольг и воспроизводимости экспериментов были использованы зажимные рамки. После сборки оснастки осуществляли изгиб образцов до момента разрушения (момента образования первых трещин) с фиксацией угла изгиба в момент разрушения при помощи угломера. Максимально возможный угол изгиба для данной схемы испытаний не превышал 180°. Схема испытаний бериллиевых фольг на статический изгиб представлена на рис. 5.30, а.

Значения накопленной деформации в области разрушения определяли при помощи конечно-элементного моделирования процесса изгиба фольг в пакете Ве1Ьгт-2В.

90°

2

Рис. 5.30. Схемы испытаний тонких бериллиевых фольг на изгиб (а): 1 -бериллиевая фольга; 2 - зажимные рамки

Выполненный конечно-элементный анализ показал, что при изгибе фольг максимальные значения интенсивности пластической деформации локализуются в области загиба (рис. 5.31, а). Главные растягивающие напряжения а1 действуют с внешней стороны изгибаемого образца (рис. 5.31, б), в этой же области происходит разрушение образцов при испытаниях. Таким образом, схема напряженно-деформированного состояния при изгибе близка к схеме, наблюдаемой при испытаниях образцов фольг внешним давлением.

а) б)

Strain - Effective (mm/mm) Stress - Max principal (MPa)

Рис. 5.31. Рассчитанные в поля интенсивности накопленной деформации 81 (а) и максимального главного напряжения а1 (б) при изгибе бериллиевой фольги толщиной 8 мкм

На рис. 5.32 представлены рассчитанные поля распределения интенсивности деформации в зоне возможного разрушения при изгибе образцов в зависимости от толщины фольг и угла загиба. По рис. 5.32 видно, что при одинаковом угле изгиба образцов, уровень накопленной деформации в месте возможного разрушения различается - чем больше толщина фольг, тем выше значение накопленной деформации. Данный эффект обусловлен соотношением размера радиуса изгиба к толщине фольг.

Рис. 5.32. Поля распределения значений интенсивности пластической деформации 8i при

изгибе фольг различной толщины

В табл. 5.5 представлены результаты определения значений 8i в области

возможного разрушения при испытаниях тонких фольг на изгиб в сочетании с

конечно-элементным моделированием. Оценку разрушения проводили при

помощи визуального наблюдения, а также с использованием РЭМ. При

испытаниях фольг толщиной 5-8 мкм не удалось достичь разрушающих

деформаций s„/r при изгибе вплоть до 180°.

На рис. 5.33 представлены результаты,

иллюстрирующие ярко выраженную

локализацию деформации при изгибе

бериллиевого диска диаметром 12 мм и

толщиной 8мкм до угла в 180° в двух

перпендикулярных направлениях.

Бериллий, использованный для

изготовления диска, имел относительно

высокий уровень прочностных и Рис. 5.33. Результаты изгиба

пластических свойств (о0,2 =360 МПа; ав =

бериллиевого диска толщиной 8 мкм с

410 МПа; 5=6%). Последующее измерение

ярко выраженной локализацией 7 J г

деформации вакуумной плотности показало отсутствие

разрушения. Натекание по гелию для фольги не превышало требуемого уровня,

11 ^ равного 10" Па м /с.

Таким образом, для определения предельных значений деформаций в момент разрушения фольг толщиной менее 8 мкм с высоким уровнем физико-механических свойств предпочтительно использовать тесты на статическое нагружение окон (см. п. 5.1.).

Таблица 5.5 - Результаты испытаний бериллиевых фольг на изгиб и результаты расчета значений интенсивности накопленной деформации 81 в месте разрушения

Толщина фольг, мкм 5 8 25 25

Механические свойства/ наличие дефектов о0,2 =360 МПа; ов = 410 МПа; 5=3% о0,2 =360 МПа; ов = 410 МПа; 5=3% о0,2 =360 МПа; ов = 410 МПа; 5=3% С поверхностными дефектами/ мех. св. н/д

Угол изгиба 180° 180° 180° 40°

Показатель разрушения Разрушения нет Разрушения нет Разрушение есть (микро трещины) Разрушение есть (макро трещины)

Оценка стадии образования трещин Визуально/РЭМ Визуально/РЭМ Визуально/РЭМ Визуально

Рассчитанные значения 81 0,1 0,21 0,29 0,13

На рис. 5.34 представлены результаты анализа поверхности фольги толщиной 25 мкм после испытаний изгибом в месте локализации пластической деформации 81. По рис. 5.34 видно, что в данной области наблюдаются следы характерные скольжения (см. п. 3.3), свидетельствующие о развитых процессах пластической деформации бериллия (рассчитанная 81=0,29), однако также присутствуют микротрещины, являющиеся результатом действия растягивающих напряжений (рис. 5.34, б).

а) б)

Рис. 5.34. Фотография образца бериллиевой фольги толщиной 25 мкм после изгиба (а) и анализ поверхности в области изгиба при помощи РЭМ (б)

На рис. 5.35 представлена фотография поверхности образца бериллиевой фольги, полученная на РЭМ. Хорошо видны типичные поверхностные дефекты фольг. Данные дефекты представляют собой раскатанные поверхностные слои бериллия, отслоившиеся от основной части металла. Внешне фольга покрыта мелкими чешуйками, что и обуславливает название данного типа дефектов -дефект типа чешуя.

Рис. 5.35. Фотографии поверхностных дефектов типа «чешуя»: а - внешний вид дефекта на поверхности фольги; б - изображение дефекта, полученное при увеличении х900

Причиной образования данных дефектов, которые по своей сути представляют собой раскатанные трещины, является хрупкое разрушение

241

бериллия на стадии прокатки. Наличие подобных дефектов в бериллиевой фольге резко повышает ее хрупкость и снижает вакуумную плотность.

На рис. 5.36 представлены результаты изгиба бериллиевой фольги толщиной 25 мкм при наличии дефекта типа «чешуя». Видно, что наличие данного дефекта в области действия растягивающих напряжений при изгибе фольги приводит к образованию макротрещин, размер которых может составлять до 300 мкм (рис. 5.36, б).

а) б)

Рис. 5.36. Фотография разрушения бериллиевой фольги, имеющей дефект типа «чешуя»

изгибом на 60° (а) и РЭМ-изображение (б)

На рис. 5.37 представлены зависимости влияния угла изгиба тонких фольг различной толщины на значения накопленной интенсивности деформации в месте возможного разрушения 8^ которые необходимы для определения уровней предельных значений критерия разрушения (5.9) исходя из экспериментальных данных. На рис. 5.37 также представлены предельные значения критерия 8м1г для различного состояния бериллиевых фольг, определенные при помощи испытаний на изгиб по схеме (рис. 5.30).

а ,