Кінетика накопичення розсіяних пошкоджень конструкційних матеріалів у процесі напрацювання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка

НаціональнОЇ АкадеміЇ Наук України

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

КІНЕТИКА НАКОПИЧЕННЯ РОЗСІЯНИХ ПОШКОДЖЕНЬ КОНСТРУКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ У ПРОЦЕСІ НАПРАЦЮВАННЯ

01.02.04 - Механіка деформівного твердого тіла

Швець Володимир Петрович

Київ 2010

Анотація

Швець В.П. Кінетика накопичення розсіяних пошкоджень конструкційних матеріалів у процесі напрацювання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04 - механіка деформівного твердого тіла.- Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України, м. Київ, 2010.

Отримано нові результати дослідженнь кінетики накопичення пошкоджень у металевих матеріалах при статичному і циклічному навантаженнях за розсіянням характеристик твердості.

Розроблено пристрій для вимірювання твердості зразків безпосередньо в процесі навантаження. Вдосконалено обладнання відповідно до задач досліджень, що забезпечило необхідну достовірність отримуваних експериментальних результатів. Показано вплив ступеня напруженості матеріалу на твердість і параметри розсіяння її характеристик. Для кількісної оцінки впливу степеня напруженості матеріалу від зовнішньої дії на зареєстровані значення твердості при даному напрацюванні і відповідні значення коефіцієнта m, що характеризують розсіяння і, значить, кореляцію з інтенсивністю накопичених у матеріалі пошкоджень, запропоновано параметри характеризує здатність досліджуваного об'єкта (зразка матеріалу) до перерозподілу напружень у зоні проникнення індентора, його величина залежить від геометрії об'єкта, характеристик пружності і пластичності матеріалу, наявності градієнта напружень та інших чинників; характеризує зміну неоднорідності матеріалу і, як наслідок, ступінь розсіяння твердості за рахунок пружного розкриття наявних дефектів під дією напружень від зовнішньої дії.

Запропоновано новий спосіб оцінки в'язкості руйнування матеріалів за розсіянням характеристик твердості.

Приведено результати дослідження деградації матеріалів у процесі напрацювання в умовах експлуатації. Особливу увагу приділено оцінці стану металу залізничних стрілкових переводів.

Досліджено пошкодженість металу після термічної обробки і в зоні зварного шва. Оцінено якість металу заготовок для витратомірів.

Ключові слова: твердість, однорідність, коефіцієнт гомогенності, розсіяння характеристик твердості, пошкодженість, напруженість, статична міцність.

Аннотация

Швец В.П. Кинетика накопления рассеянных повреждений конструкционных материалов в процессе наработки. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04 - механика деформируемого твердого тела.- Институт проблем прочности им. Г.С. Писаренко НАН Украины, г. Киев, 2010.

Получены новые результаты при исследовании кинетики накопления повреждения в металлических материалах при статическом и циклическом нагружениях по рассеянию характеристик твердости.

Разработано устройство для измерения твердости образцов непосредственно в процессе нагружения. Модернизировано оборудование в соответствии с задачами исследования, что обеспечило необходимую достоверность получаемых экспериментальных результатов. Показано влияние степени напряженности материала на твердость и параметры рассеяния ее характеристик.

Для количественной оценки влияния степени напряженности материала от внешних воздействий на регестрируемые значения твердости при наработке и соответствующие значения коэффициента m, что характеризуют их рассеяние и, следовательно, корреляцию с интенсивностью накопленных в материале повреждений, предложены параметры характеризует способность испытуемого объекта (образца материала) к перераспределению напряжений в зоне внедрения индентора, его величина зависит от геометрии объекта, характеристик упругости и пластичности материала, наличия градиента напряжений и других факторов; характеризует изменение неоднородности материала и, как следствие, степени рассеяния твердости за счет упругого раскрытия имеющихся дефектов под действием напряжений от внешних воздействий.

Предложен новый способ оценки вязкости разрушения материалов по рассеянию характеристик твердости.

Приведены результаты исследования деградации материалов в процессе наработки в условиях эксплуатации. Особое внимание уделяется оценке состояния металла железнодорожных стрелочных переводов.

Исследовано поврежденность металла после термической обработки и в зоне сварного шва. Оценено качество металла заготовок для расходомеров.

Ключевые слова: твердость, однородность, коэффициент гомогенности, рассеяние характеристик твердости, поврежденность, напряженность, статическая прочность.

Abstract

Shvets V.P. Kinetics of the nonlocalized damage accumulation in the material of operated structures in the course of operation. - Manuscript.

Candidate of technical sciences thesis in speciality 01.02.04 - mechanics of a deformable body - G.S. Pisarenko Institute for Problems of Strength, NAS of Ukraine, Kiev, 2010.

New findings of the studies on the kinetics of the damage accumulation in the metal materials by the scatter of hardness characteristics under cyclic and static loading were obtained.

A new device for measuring the hardness of the specimens directly in the process of loading was designed. In compliance with the goals of investigation the device characteristics were improved and it resulted in achieving the required accuracy in the experimental results. The influence of the level of stresses in the material on the hardness and parameter characterizing the scatter in its characteristics is shown. The parameters are proposed to assess quantitatively the influence of the level of stresses in the material that are generated by external forces on the recorded hardness values in the accrued operating time and the corresponding values of coefficient m presenting scatter in their values and thus correlation with the intensity of accumulated damage in the material. The value characterizes the ability of the test specimen (piece of material) to provide stress distribution in the area of the indenter penetration; its value depends on the test specimen geometry, elasticity characteristics, material plasticity, presence of stress gradient and so on. The value д_m characterizes the change in the inhomogeneity of the material and as a result degree of scattering of the hardness values due to the means of elastic propagation of existing flaws under the action of stresses generated by external forces.

A new method for evaluating fracture toughness for the materials by the scattering of the hardness characteristics is proposed.

The results of investigations into the degradation of the material in the course of operation are presented. Special attention is paid to estimation of the metal state in railroad switches.

Damage in the metal after thermal treatment and within the welded joint zone was studied. Assessment of the quality of the metal work pieces for flowmeters was made.

Key words: hardness, homogeneity, homogeneity coefficient, scatter of the hardness characteristics, damage, stress, static strength.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Статистика та аналіз відомих методів контролювання матеріалу за різних степенів пошкодженості показують, що розвиток методів розрахунку параметрів пошкодженості відіграють важливу (якщо не провідну) роль, також є важливим технологічне забезпечення заданих умов повторюваності випробувань зразків при кінетичному процесі накопичення пошкоджень. Під час короткочасного або довготривалого навантаження відбувається руйнування матеріалу, що проявляється у змінах фізико-механічних властивостей та структури на різних масштабних рівнях. До пошкоджуваності матеріалу приводить те, що за різного степеня деформування мають місце розриви міжатомних, міжмолекулярних та інших зв'язків, тобто відбувається багатостадійний процес накопичення розсіяних пошкоджень. Про степінь пошкодження матеріалу судять за різними фізичними параметрами такими як зміна модуля пружності при розтязі і стиску, швидкості проходження звуку, опору електричного струму, твердості та ін.

Дослідження щодо вдосконалення методів неруйнівного контролю кінетики стану матеріалу в процесі напрацювання мають велике практичне значення. Також є актуальним, розвиток і реалізація методу дефектоскопії металу та вибір параметрів, які адекватно характеризують степінь пошкодженості матеріалу. Важливим є питання про деградацію металу, що працює під навантаженням (у напруженому стані), та порівняння з результатами аналогічних вимірів без навантаження. Результати вимірів можуть суттєво відрізнятися у зв`язку з впливом специфіки напруженості матеріалу.

Велике практичне значення мають вивчення і контроль кінетики накопичення пошкоджень у процесі експлуатації конструкції, їх результати можуть бути використані як основа прогнозування роботоздатності ресурсу матеріалу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано у відділі механіки конструкційних матеріалів у рамках НДР 1.3.4.-502 «Разработка научных основ оценки несущей способности высоконагруженных элементов конструкций с учетом текущего повреждения металла» (Постановление Бюро ОМ НАН Украины от 23.12.2004г., протокол №8), відомчої цільової теми Д2 «Дослідження деформування та руйнування сучасних конструкційних матеріалів у широкому діапазоні температур» (Постанова Бюро ВМ НАН України від 12.03.2002р., протокол №2), проекту Р.2.13 «Розробка та впровадження неруйнівного методу контролю стану матеріалу за параметрами розсіяння характеристик твердості» “Цільової відомчої програми ”Ресурс”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є науково-технічний розвиток і реалізація методу дефектоскопії металу в початковому стані та після статичного і циклічного навантажень різної інтенсивності за розсіянням характеристик твердості, а також поширення об'єму використання методу на реальних конструкціях, у тому числі в умовах експлуатації.

Для досягнення мети в роботі поставлено наступні задачі:

Перевірити ефективність використання як критерія пошкодженості параметрів розсіяння характеристик різних механічних властивостей конструкційних матеріалів, у першу чергу пружності і міцності.

Обгрунтувати найбільш ефективну методологію діагностики якості конструкційних матеріалів і процесів накопичення пошкоджень після напрацювання за різних режимів навантаження.

Дослідити якість матеріалів різних класів за степенем їх однорідності топографії щільності розсіяних пошкоджень у звязку з впливом технологічних чинників (обробка тиском, термообробка та ін.).

Вдосконалити на основі нових науково-технічних обгрунтувань сучасне обладнання для діагностики якості матеріалів за параметрами щільності розсіяних пошкоджень і апробувати його на реальних конструкціях, у тому числі в процесі експлуатації.

Розробити нові, захищені патентами, науково-обгрунтовані технології оцінки якості металу діючих конструкцій за критерієм щільності, що містяться в металі розсіяних пошкоджень і процедури підвищення ефективності їх використання при моніторингу залишкового ресурсу.

Об'єкт дослідження - методологія діагностики процесів накопичення розсіяних пошкоджень у конструкційних матеріалах при напрацюванні в різних умовах механічного навантаження.

Предмет дослідження - вдосконалення апаратного забезпечення відповідно до задач, що вирішуються, підвищення достовірності отриманих експериментальних результатів, накопичення даних, необхідних для побудови фізично достовірних алгоритмів оцінки стану матеріалу об'єктів, які знаходяться в експлуатації.

Достовірність отриманих результатів забезпечується за допомогою використання сучасного атестованого експериментального обладнання і спеціально розроблених програм розрахунків експериментальних даних та шляхом порівняння результатів досліджень із такими, що отримані іншими методами.

Наукова новизна одержаних результатів.

· Визначено параметри розсіяння характеристик пружності і міцності алюмінієвого сплаву та вуглецевої сталі при масових випробуваннях в ідентичних умовах статичного деформування.

· Отримано нові експериментальні дані стосовно кінетики накопичення пошкоджень різних класів матеріалів, встановлено, що твердість при рості деформації збільшується незначно, в той час як коефіцієнти гомогенності з ростом деформації помітно зменшуються.

· Досліджено вплив напруженого стану матеріалу на оцінку пошкодження його структури під час експлуатації за параметрами розсіювання характеристик твердості.

· Отримано нові результати дослідження закономірностей деформування та кінетики накопичення пошкоджень у теплостійкій реакторній сталі при високих рівнях напружень в умовах малоциклового навантаження.

· Обґрунтовано методику визначення показників чутливості виміряних значень твердості сталей та степеня їх розсіяння до рівня напруженості матеріалу, що дозволяє уточнити характеристики твердості матеріалів, які визначаються на обладнанні, що працює, при їх технічній діагностиці.

· Вперше теоретично й експериментально обґрунтовано стійку кореляцію між характеристиками в'язкості руйнування матеріалу та статистичними параметрами розсіяння значень його твердості.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані експериментальні результати можуть бути використані при виборі оптимального матеріалу для роботи в заданих умовах, а також для розрахунків залишкового ресурсу.

Виконано ряд практично важливих робіт щодо оцінки стану металу реальних конструкцій після напрацювання (матеріал елементів обладнання атомної енергетики, зварних з'єднань), та при виконанні окремих технологічних операцій (обробка тиском, термічна обробка та ін.).

Результати роботи впроваджено в Відділені Фастівської Дистанції колії Південно-Західної Залізниці при дослідженні кінетики накопичення пошкоджень у стрілкових переводах, а також в ТОВ «Вимірювальні технології» при визначенні степеня однорідності заготовок для витратомірів.

Особистий внесок здобувача. Основні результати, які становлять суть дисертаційної роботи, отримано автором самостійно. Постановку задач, аналіз і трактування результатів, формулювання наукових висновків та рекомендації проведено спільно з науковим керівником. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належать:

статистична обробка отриманих результатів відповідно до оцінки пошкодженості матеріалу по розсіянню характеристик пружності і статичної міцності [1];

проведення експериментів та обробка результатів при випробуваннях реакторних сталей на твердість і тріщиностійкість [2, 3, 8, 10, 14,];

розрахунок параметрів пошкодженості матеріалу за результатами малоциклічних випробувань [4, 12];

проектування і введення в експлуатацію пристрою для випробувань матеріалів на твердість у процесі деформування зразків [18] та проведення експерименту по оцінці впливу напруженості матеріалу при визначенні характеристик твердості [5, 6];

виконано ряд практичних зовнішніх робіт щодо оцінки стану металу реальних конструкцій після напрацювання (матеріал стрілкових переводів, елементів обладнання атомної енергетики, зварних з'єднань, заготовок для витратомірів), а також при виконанні окремих технологічних операцій (обробка тиском, термічна обробка) [11, 13, 15- 17, 19, 20, 22];

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що включені до дисертації, проходили апробацію на наступних міжнародних конференціях: «IV Всеукраїнська науково-технічна конференція молодих учених та спеціалістів “Зварювання та суміжні технології”. - Київ, - 23-25 травня 2007 г.», «Третья международная научно-техническая конференция “Проблемы динамики и прочности в газотурбостроении”. - Киев, - 29-30 мая 2007 г.», «Тhe second Hungarian - Ukrainian joint conference “Safety-reliability and risk of engineering plants and components”. - Kiev, 2007», «Міжнародна науково-технічна конференція пам'яті академіка НАН України В.І. Моссаковського “Актуальні проблеми механіки суцільного середовища і міцності конструкцій”. - Дніпропетровськ. 17-19 жовтня 2007г.», «9-й Международный научно- технический конгресс термистов и металловедов”. -Харьков, 2008г.»

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в 22 друкованих працях, 5 із яких - статті в фахових наукових журналах, 11 - публікації в матеріалах і тезах наукових конференцій, 6 - патенти на винаходи.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність та важливість вибраного напрямку досліджень, сформульовано мету і задачі досліджень, відзначено наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, коротко освітлено загальні характеристики роботи.

У першому розділі проведено огляд літературних джерел за сучасними підходами до оцінки пошкоджуваності металевих матеріалів, вивчення постадійності структурних змін у матеріалі, а також закономірностей кінетики накопичення розсіяних пошкоджень. Проведено аналіз сучасних методів дослідження процесів накопичення пошкоджень, розглянуто моделі (структурні, феноменологічні), які описують ці процеси. Детально розглянуто і обгрунтовано нові ідеї, що покладені в основу методу LM- твердості. Проаналізовано джерела можливих похибок методу, описано способи їхнього впливу. Отримані висновки дозволили сформулювати основну мету та задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі наведено нові результати оцінки пошкодженості матеріалу по розсіянню характеристик пружності і статичної міцності. Дослідження виконано на матеріалах двох класів: малолегованій вуглецевій сталі 40Х і високоміцного алюмінієвого сплаву В95. Із цих матеріалів було виготовлено п'ятикратні круглі зразки типу ІV з діаметром робочої частини 8 мм і початковою довжиною робочої частини 40 мм при дотриманні вимог стандарту (ГОСТ 1497-84), ідентичності технології виготовлення, розмірів і чистоти поверхні робочої частини. Зразки в кількості 28 зразків із кожного матеріалу було виготовлено з двох однакових прутків діаметром 20 мм. Випробування виконано на машині ЦДМУ-10, яка забезпечує жорстке навантаження, що особливо необхідне при визначенні модуля пружності і границі текучості. Отримані для кожної механічної властивості значення відповідних характеристик мають розсіяння, пов'язане з природною неоднорідністю мікроструктури матеріалу, наявністю в ньому початкових і придбаних при деформації різних дефектів (пошкоджень). Після цього було визначено параметри розсіяння характеристик основних механічних властивостей матеріалів (пружності - і міцності - ) в оцінці коефіцієнтом гомогенності, який визначений для кожної властивості по формулі Гумбеля

(1)

де - среднє значення логарифмів, отримане в n - експериментах характеристик -ї властивості, - параметр, що залежить від числа вимірів n.

Аналіз отриманих даних, їх зіставлення між собою і з результатами випробувань початкового матеріалу методом LM - твердості показали, що значення параметрів пошкодженості, знайдені по розсіянню характеристик різних механічних властивостей, не мають між собою не тільки кількісної, але і якісної кореляції. Більш того, відсутня монотонність зростання пошкодженості по мірі розвитку деформацій, тобто при переході від пружної стадії до пластичної, і далі до стану попереднього руйнування, за якого швидкість накопичення пошкодженості в обох матеріалах нижча, ніж на початку пластичної течії. Це пов'язано, очевидно, з тим, що зміна окремих властивостей матеріалу у зв'язку з напрацюванням контролюється не всіма пошкодженнями однаково, тобто кожна група пошкоджень контролює в основному одне або, в кращому разі, декілька властивостей.

Встановлено вищий рівень розсіяння механічних властивостей на початкових стадіях деформації, а ніж при деформаціях, передуючих руйнуванню, що свідчить про стадійність процесу накопичення пошкоджень, особливості яких властиві в основному досліджуваній стадії і мало впливають на характеристики механічних властивостей, визначуваних на подальших стадіях.

Коефіцієнт гомогенності має стійку кореляцію з максимальним значенням щільності ймовірності, причому коефіцієнт кореляції практично однаковий за всіма досліджуваними властивостями обох матеріалів. Це свідчить про можливість використання параметрів кривих щільності розподілу характеристики досліджуваної властивості для оцінки степеня пошкодженості матеріалу.

Об'єктивніші дані про реальну пошкодженість матеріалу можна отримати шляхом випробувань методом LM-твердості, який чутливий до пошкоджень різної природи, і таким чином інтегрально відображає рівень їх наявності на досліджуваній стадії напрацювання.

Дослідження накопичення пошкоджень при статичному деформуванні за різного степеня деформації проводили на різних матеріалах, вуглецевих сталях (сталь Ст.3, Ст.5, 20, 45, 40Х) з гарантованими механічними властивостями і хімічним складом, нержавіючих сталях (типу 12Х18Н9(10Т), спеціального призначення (0Н9, ХВГ). Досліджувалися також сплави на основі алюмінію (Д16, В95, АМг3). При проведенні даних досліджень реалізовувалася програма, що передбачає пластичну деформацію зразків одноосним розтягуванням, і випробувань на твердість у робочій частині зразка (у зоні рівномірної деформації) в початковому стані і при фіксованих рівнях пластичної залишкової деформації _i. Масові вимірювання твердості матеріалу в робочій зоні зразків проводили за допомогою приладу “Computest SC” виробництва фірми ERNST (Швейцарія). Значення твердості HRB визначали за данними 30 відбитків. Потім методом LM- твердості розраховували параметри розсіяння значень твердості - коефіцієнти гомогенності Вейбулла m. Згідно з методом коефіцієнт m відображає стан структури (однорідність) матеріалу. Наприклад, при підвищенні щільності структури розсіяння характеристик твердості зменшується, коефіцієнт m збільшується. На рис.1 показано гістограми зміни твердості і коефіцієнтів гомогенності за різного ступеня деформації.

Рис.1. Зміна твердості і коефіцієнтів гомогенності m від степені деформації.

Із Рис.1 видно, що у всіх випадках твердість матеріалу при підвищені деформації практично не збільшується, в той час як коефіцієнти гомогенності m зі зростанням деформації значно зменшуються. Незважаючи на деякий розкид значень коефіцієнта гомогенності m, що має місце в експерименті, який, мабуть, може бути пояснений неоднорідністю хімічного складу або структури матеріалу зразків, можна констатувати задовільну відтворюваність отриманих даних.

Вивчено вплив ступеня напруженості матеріалу на твердість і параметра розсіяння її характеристик. Досліди проводили на плоских зразках товщиною 10^-2 м і шириною 5Х10^-2 м при одновісному розтязі в режимі повторно- статичного навантаження з витримкою під навантаженням і в розвантаженому стані (до однієї хвилини), яка достатня для виконання необхідного числа вимірювань твердості.

Отриманий банк експериментальних даних дозволив визначити коефіцієнти гомогенності Вейбулла m; що характеризують розсіяння значень твердості сталей і її середнє значення в кожному циклі до і після розвантаження.

Для кількісної оцінки впливу степені напруженості матеріалу від зовнішніх дій на зареєстровані значення твердості при даному напрацюванні і відповідні значення коефіцієнта m, що характеризують розсіяння цих значень, які коррелюють з інтенсивністю накопичених у матеріалі пошкоджень, запропоновано параметри:

; , (2)

де , mр - средня твердість і коефіцієнт гомогенності на досліджуваній стадії деформування при розвантаженому зразку; , mн - якщо зразок під навантаженням, що відповідає тій же стадії.

Параметри мають чіткий фізичний зміст, а саме: - характеризує здатність випробовуваного об'єкта (зразка метеріала) до перерозподілу напружень в зоні проникнення індентора; його величина залежить від геометрії об'єкта, характеристик пружності і пластичності матеріалу, наявності градієнта напружень і інших чинників; - характеризує зміну неоднорідності матеріалу і, як наслідок, степеня розсіяння твердості за рахунок пружного розкриття наявних дефектів під дією напружень від зовнішніх сил.

Рис.2. Залежності твердості (а), коефіцієнта гомогенності (б) і показників (1), (2), чутливості сталі до напруженості матеріалу (в) від степеня деформації зразка сталі 25. (темні точки - під навантаженням, світлі точки - після розвантаження).

На рис. 2 для прикладу представлено результати вимірювань твердості сталі 25, отримані на зразках, що знаходяться під відповідним напруженням (темні точки) і після розвантаження (світлі точки). Приведені дані, а також результати аналогічних випробувань при обмеженому числі циклів навантаження показали, що обмежене число попередніх періодичних розвантажень зразків практично не позначається на характеристиках твердості сталей, показниках m, їх розсіянні значеннях коефіцієнтів і , що відображають степінь чутливості характеристик твердості (абсолютних значень і їх розсіяння) матеріалів до рівня механічних навантажень, що сприймаються матеріалом під час виміру твердості.

Розглянуті результати і їх аналіз свідчать про наявність великих можливостей щодо подальшого вдосконалення методів і засобів випробування матеріалів на твердість та розробки ефективних технологій, що базуються на її використанні. Одним із шляхів розширення сфери застосування методу твердості є підвищення його точності, зокрема за рахунок повного виключення або різних форм обробки результатів випробувань впливу на зареєстровані параметри напруженості досліджуваного матеріалу.

Запропоновано новий спосіб оцінки в'язкості руйнування матеріалів по розсіянню характеристик твердості. Програма експериментів включала випробування реакторних сталей 10ХМФТ, 15Х2МФА, 15Х2НМФА (у початковому стані і після термообробки за двома режимами), 08ХГНМТА, а також конструкційної сталі 20. Визначення характеристик в'язкості руйнування коефіцієнт інтенсивності напружень (КІН) проведено на компактних зразках (В=25мм) по стандартній методиці. Параметри розсіяння характеристик твердості реакторних сталей, при випробуваннях на в'язкість руйнування, визначали методом LM-твердості за даними 30 вимірювань.

Результати випробувань приведено на рис.3. Як видно, отримані за методом LM-твердості значення коефіцієнтів гомогенності m добре корелюють із відповідними значеннями коефіцієнтів тріщиностійкості К_1с. Наявний розкид можна вважати цілком допустимим для такого роду дослідів.

Таким чином, отримані експериментальні дані підтверджують гіпотезу щодо подібності кінетики накопичення пошкоджень у процесі розвитку руйнування матеріалу при випробуваннях на твердість і тріщиностійкість (принаймні стандартних компактних зразків), а також про адекватність відповідних моделей структурних трансформацій в локальних зонах тріщини, що розвивається.

Рис. 3. Кореляція між коефіцієнтами гомогенності та тріщиностійкості сталей 10ХМФТ (окрих.) (), 20 (¦), 15Х2НМФА (терм. обр.I) (^), 15Х2НМФА (терм. обр.II) (Ч), 15Х2НМФА (терм.обр.III) (ж), 08ХГНМТА (),15Х2НМФА(+).

Таким чином встановлений факт кореляції між коефіцієнтами m і К_1с є не випадковим, а цілком закономірним та багатообіцяючим і заслуговує на широке впровадження як доступного і дешевого експрес-методу оцінки тріщиностійкості конструкційних матеріалів. Його новизна і корисність підтверджені патентом[2].

Досліджено процес деформації і кінетики накопичення пошкоджень у теплостійкій сталі 10ГН2МФА під впливом м'якого (віднульового) навантаження при високих рівнях напружень. Сталь двох плавок піддавали термомеханічній обробці, що включає кування при температурі 850…1220^оС, проміжний відпал (тільки заготовки першої плавки) та загартування у воду (температура 890…960^оС), відпуск при температурі 630…680^оС з охолодженням на повітрі. Випробування сталі проводили на машині TF-2 угорського виробництва. Машина була забезпечена спеціальним пристроєм для малоциклового навантаження зразків осьовою силою по трапецеїдальному віднульовому циклу. Частота навантаження в експерименті складала 20 цикл/хв з витримкою зразка під навантаженням і в розвантаженому станах протягом 1с.

Про механічні властивості сталі при статичному одноразовому навантаженні можна судити по діаграмі розтягу сталі на рис.4 суцільна лінія.

Рис. 4. Результати випробувань сталі 10ГН2МФА при статичному (1) і циклічному (2 - N = 3218 цикл., 3 - N = 104 цикл.)

Характеристики короткочасної міцності сталі 480 МПа, 610 МПа. Характер зміни твердості сталі в залежності від напрацювання показано на рис.4 штриховими лініями 1, 2, 3, а циклічні діаграми 2 (N = 3918 цикл., зразок зруйнувався) і 3 (N = 10⁴ циклів) - штрихпунктирними. Як видно, криві HV- при циклічному віднульовому і статичному навантаженнях подібні. Аналогічна картина спостерігається між циклічними діаграмами 2, 3 і діаграмою деформації 1 при статичному розтязі. Подібність вказаних кривих свідчить про можливість їх поєднання шляхом простих переміщень у напрямах координатних осей, тобто про наявність між ними відповідних кореляцій, що дозволяє прогнозувати властивості матеріалу при циклічному віднульовому навантаженні на різні терміни напрацювання за наслідками статичних випробувань. Звертає на себе увагу той факт, що за наявності відміченої вище подібності криві HV при циклічному навантаженні (на рис. 4 штрихові лінії 2 і 3) розташовуються вище за аналогічну криву при статичному розтягуванні (штрихова лінія 1), а відповідні циклічні діаграми (штрихові лінії 2 і 3) - нижче за криву статичного розтягування (суцільна лінія 1).

Це вказує на те, що досліджувана сталь є такою, що циклічно зміцнюється по твердості і циклічно знеміцнюється по характеристиках міцності.

Відмічена неадекватність, що не узгоджується з відомими моделями, відповідно до яких твердість металевих матеріалів, що мають якісно однакові кореляції з характеристиками їх статичної і циклічної міцності, зумовлена, очевидно, відмінністю процесів зміни параметрів структури на мікро- і макро- рівнях, які контролюють твердість і міцність сталі при статичному і малоцикловому навантаженнях.

Рис.5. Залежність коефіцієнта m від накопиченої деформації: (тут і на рис. 6: I - статичний розтяг (, - різні зразки); II - N=3918 цикл., III - N=10⁴ цикл. (?, ¦, , , - різні зразки).

Із рис.4 видно також, що твердість сталі в процесі циклічного навантаження змінюється несуттєво. Як відмічалося раніше більш чутливим до напрацювання є коефіцієнт m гомогенності Вейбулла. Відповідні дані, отримані на основі дослідів і підтверджуючих це, приведено на рис.5, де показано залежності коефіцієнта m від накопичених деформацій при статичному і циклічному навантаженнях. Ці залежності в обох випадках можна вважати, в першому наближенні, лінійними.

Вплив рівня максимального напруження циклу на величину коефіцієнта гомогенності при різних напрацюваннях показано на рис.6. Тут цікаво відзначити, що граничні значення коефіцієнта гомогенності, при яких відбувається руйнування в умовах статичного навантаження (крива I) і при напрацюванні 3980 цикл. (крива II), однакові і рівні половині відповідних значень коефіцієнта гомогенності для сталі в початковому стані. Звертає на себе увагу той факт, що таке ж співвідношення значень коефіцієнтів гомогенності, а отже, і степенів пошкодженості в початковому стані і при руйнуванні в умовах циклічного навантаження мало місце і у трубної сталі 17Г1С.

Рис.6. Залежність коефіцієнта m від рівня прикладених напружень.

У третьому розділі наведено результати дослідження деградації матеріалів у процесі напрацювання в умовах експлуатації, а також при виконанні окремих технологічних операцій.

Контроль якості металу після термообробки проводився на двох виробах - технологічній моделі лопатки газотурбінного двигуна, що має складну геометричну форму (рис.7), і на деталі простої форми - плоскій тензометричній пластині розміром 300мм 100мм 3мм.

А)

Б)

Рис.7. Твердість (а) і пошкодженність (б) матеріалу лопатки

Матеріал моделі лопатки - нікелевий сплав ЧС70ВИ, а тензометричної пластини - листова сталь 65Г. Модель лопатки піддавалась поновлюючій термообробці до твердості 360 HV, а пластина - ізотермічному гартуванню до твердості 54 HRCэ.

Оцінку степеня однорідності металу проводили шляхом визначення характеристик твердості за Віккерсом у відповідність вимогами ГОСТ 2979-75 на різних ділянках поверхні лопатки і пластини. Результати вимірювань твердості металу моделі лопатки показали, що твердість на різних ділянках має практично однакові значення (HV= 362 20 МПа), зокрема на вхідній і вихідній кромках (рис.7,а) Проте, результати обробки набутих значень твердості по параметрах розсіяння свідчать про істотну зміну значень коефіцієнтів гомогенності, що характеризують ступінь однорідності металу. Результати дослідження показали, що ступінь однорідності металу досить низька: коефіцієнти гомогенності істотно змінюються як уздовж, так і упоперек моделі (рис.7,б). Така неоднорідність, що сягає 70%, в оцінці коефіцієнтом гомогенності m, може бути зумовлена порушенням режиму термообробки.

Зразки зі сталі Ст.3 з наплавленням зварного шва піддавали триточковому пульсуючому навантаженню з подальшим вимірюванням твердості в зоні зварювання і пришовній зоні (рис. 8).

Рис.8. Розподіл твердості (а) і коефіцієнта гомогенності (б).

Як видно, твердість металу у зварному шві дещо вища за твердість металу пришовної зони (рис.8,а.). У той же час коефіцієнт гомогенності m металу зварного шва і пришовной зони залежить від координат, що свідчить про пошкодженість різних зон (рис.8,б.).

Найбільш низький показник однорідності в металі, що примикає до зварного шва, який має місце на розтягуючих волокнох в пришовній зоні з боку прикладення навантаження. У центральній частині верхнього і нижнього швів коефіцієнт m має найбільш високі значення; це свідчить про меншу пошкодженість металу. Із рис.8 видно, що більш показовим параметром відносно інформативності і достовірності є характеристика розсіяння значень твердості, отриманих в однакових умовах вимірювань. Таким чином метод LM-твердості може бути ефективно використаний при контролі якості зварних з'єднань, зокрема при експлуатації.

Під час дослідження пошкодженості стрілкового переводу проведено роботи щодо адаптації методу LM-твердості, і виконано його модернізацію стосовно умов роботи металлу стрілкового переводу у процесі експлуатації.

Для оцінки пошкодженості металу елементів стрілкового переводу запропоновано критерій m у вигляді співвідношення різниці коефіцієнтів гомогенності Вейбулла, які визначають у початковому m_поч і поточному m_пот станах металу, до значення в початковому стані m_поч

m = (m_поч - m_пот) / m_поч. (3)

Параметр m показує, наскільки змінився стан металу внаслідок накопичення пошкоджень зі збільшенням напрацювання (млн. тонн брутто проходження рухомого складу).

Низькому рівню пошкодженості металу відповідають малі значення показника m, при рості дефектів значення показника m збільшуються.

Приведені на рис. 9 експериментальні дані дозволяють встановити кінетику накопичення пошкодження в металі стрілкового переводу, оцінити поточний стан в залежності від напрацювання і визначити залишковий ресурс. За граничне значення напрацювання для досліджуваного стрілкового переводу прийнято установлене при експлуатації напрацювання 57,6 млн. тонн брутто, що відповідає максимальному зносу, при якому проводяться роботи по його заміні. При цій нормі напрацювання найбільш пошкодженим елементом стрілкового переводу є гостряк, а найменшу пошкодженість має рамна рейка. Якщо орієнтуватися на умовні граничні значення напрацювання і мати поточні значення твердості матеріалу рейки, то можна визначити залишковий ресурс на основі кривих, що показані на рис.9, приймаючи їх як тарувальні залежності пошкодженості металу стрілковог переводу від напрацювання.

m

Рис.9. Пошкодженість металу рамної рейки і гостряка в оцінці параметром ?m : 1 - рамна рейка; 2 - початкова частина гостряка; 3 - 0,5 м від початку гостряка; 4 - 1 м від початку гостряка.

Висновок

У роботі розвито метод неруйнівного контролю якості матеріалу за параметрами розсіяння характеристик його механічних властивостей. Результатами спеціальних досліджень показана ефективність методу при використанні параметрів розсіяння чисел твердості при масових (25-30) вимірах. Тому основна частина обговорюваних у роботі експериментальних результатів, отриманих методом LM-твердості, корисні пропозиції по вдосконаленню і розширенню його можливостей, що захищені патентами, дозволили отримати нові наукові дані про кінетику структурних трансформацій і міцності конструкційних матеріалів у різних умовах статичного і циклічного навантаження.

Основні результати.

1. Фізично незаперечлива і експериментально узагальнена концепція методу LM-твердості, особливо враховуючи його оновлені варіанти і процедури практичної реалізації (Патенти України №38482, №40200, №42162, №44786, №45112), дає можливість віднести його до найбільш перспективних неруйнівних методів, а характеристики, що визначаються - до адекватно оцінюючих стан структури, в тому числі наявність у матеріалі пошкоджень різної природи.

2. Досліджено ефективність реалізації методу на основі інших механічних властивостей. Проведено апробацію методу на характеристиках пружності () і статичної міцності матеріалів різної природи і структурного стану. Встановлено більш високий темп розсіяння характеристик вказаних властивостей на початкових стадіях деформування, порівняно з деформаціями, близькими до руйнування, що свідчить про стадійність процесу накопичення пошкоджень. Більш обгрунтовані дані можно отримати, використовуючи параметри розсіяння характеристик твердості, як більш чутливих до пошкоджень різної природи, що інтегрально відображає рівень їх наявності на досліджуваній стадії напрацювання.

3. Встановлено якісні і кількісні залежності характеристик твердості матеріалу від степеня його напруженості, заропоновано експериментально обгрунтовані критерії чутливості матеріалу до рівня діючих напружень. Після зняття навантаження твердість матеріалу відновлюється, що свідчить про зворотність процесів, які контролюють зміну твердості і розсіяння її значень для матеріалів в ненавантаженому стані більше, а ніж в навантаженому. Це вказує на доцільність проводити оцінку поточної пошкодженості матеріалу в напруженому стані, яке він відчуває в умовах штатного режиму роботи конструкції, що дозволяє отримати результати, які реально відображають пошкодженість матеріалу при заданому напрацюванні.

4. Нові дані про процеси деформування і накопичення пошкоджень у реакторній сталі при високих рівнях напружень в умовах віднульового малоциклового навантаження показали, що досліджена сталь циклічно зміцнюється за твердістю і циклічно знеміцнюється за характеристиками міцності. Встановлена неадекватність поведінки сталі свідчить про необхідність внесення корективів у відомі моделі, які рекомендуються для визначення характеристик статичної і циклічної міцності матеріалу за його твердістю. Підтверджено високу чутливість коефіциєнта гомогенності Вейбулла до рівня накопичених пошкоджень під час напрацювання в умовах циклічного навантаження. Встановлено практично лінійну залежність цього коефіцієнта від накопиченої деформації як при статичному, так і циклічному навантаженнях.

5. Отримано експериментальні дані, які підтверджують припущення про подібність кінетики накопичення пошкоджень у процесі розвитку руйнування матеріалу при випробуваннях на твердість і тріщиностійкість, а також адекватність відповідних моделей структурних трансформацій в локальних зонах під індентором та в зоні тріщини, що розвивається. Кореляція між коефіцієнтами гомогенності і тріщиностійкості підтверджується результатами випробувань реакторних сталей, що дозволяє використовувати метод LM - твердості як доступний експрес - метод оцінки в'язкості руйнування конструкційних матеріалів (Патент України №13952).

6. Одержані результати та їх обгрунтування дозволили підвищити якість неруйнівного контролю металу за характеристиками розсіяння механічних властивостей (твердості) і виконати ряд практичних важливих робіт щодо оцінки стану металу реальних конструкцій після напрацювання (матеріал стрілкових переводів, елементів обладнання атомної енергетики, зварних з'єднань, заготовок для витратомірів), а також при виконанні окремих технологічних операцій (обробка тиском, термічна обробка та ін.).

7. Розглянуті результати і їх аналіз свідчать про наявність великих резервів щодо подальшого вдосконалення методів випробування матеріалів на твердість та розробки ефективних технологій, що базуються на її використанні. Одним з шляхів розширення сфери використання методу твердості є підвищення його точності, в тому числі за рахунок повного виключення або різних форм врахування при обробці результатів випробувань впливу на параметри, що реєструються, таких факторів, як напруженість досліджуваного матеріалу, втрати на тертя контакуючих поверхонь при індентуванні та ін.

метал твердість напруженість

Перелік наукових праць, опублікованих за темою дисертації

Оценка поврежденности материала по рассеянию характеристик упругости и статической прочности / Лебедев А.А., Маковецкий И.В., Швец В.П. [и др.] // Проблемы прочности. - 2006. - №2. - С. 5-14.

Патент на корисну модель №13952 Україна, МПК (2006) G01 № 3/00, G01 №3/40. Визначення в'язкості руйнування матеріалів. Україна. /А.О. Лебедєв, М.Р. Музика, В.П Швец; заявник і власник Інститут проблем міцності ім.Г.С.Писаренка НАН України. - №u200511079; заявл. 22.11.2005; опубл. 17.04.2006, Бюл. №4.

Лебедев А.А. Метод оценки вязкости разрушения материала по рассеянию характеристик твердости / Лебедев А.А., Музыка Н.Р., Швец В.П. // Проблемы прочности. - 2007. - №6. - С. 5-11.

Исследование процессов деформирования и накопления повреждений в стали 10ГН2МФА при малоцикловом нагружении / Лебедев А.А., Маковецкий И.В., Музыка Н.Р., Швец В.П. // Проблемы прочности. - 2008. - №2. - С. 5-25.

Лебедев А.А. Оценка поврежденности конструкционных сталей по параметрам рассеяния характеристик твердости материалов в нагруженном и разгруженном состояниях / Лебедев А.А., Швец В.П. // Проблемы прочности. - 2008. - №3. - С. 29-37.

Музыка Н.Р. Оценка влияния напряженности материала на его повреждаемость при наработке / Музыка Н.Р., Маковецкий И.В., Швец В.П // Проблемы прочности. - 2008. - №4. - С. 102-107.

Швец В.П. Контроль текущего состояния металла железнодорожных стрелочных переводов / Швец В.П. // Зварювання та суміжні технології: IV Всеукраїнська науково-технічна конференція молодих учених та спеціалістів, 23-25 травня 2007 р. - Київ, 2007. - С. 149.

Лебедев А.А. Оценка вязкости разрушения материала по рассеянию характеристик твердости / Лебедев А.А., Музыка Н.Р., Швец // Проблеми динамикі і міцності в газотурбобудуванні: міжн. наук.-техн. конф., 29-31 травня 2007 р. - Київ, 2007. - С. 109-110.

Shvets V.P. New characteristics of metal degradation in course of operation / Shvets V.P. // Безпека, міцність і ризик промислових підприємств та обладнання: II Угорсько-Українська конференція, 19-21 вересня 2007 р. - Київ, 2007. - С. 42-43.

Лебедев А.А. Взаимосвязь вязкости разрушения материала с рассеянием характеристик твердости / Лебедев А.А., Музыка Н.Р., Швец В.П. // Актуальні проблеми механіки суцільного середовища і міцності конструкцій: міжн. наук.-техн. конференція памяті академіка НАН України В.І. Моссаковського, 17-19 жовтня 2007 р. - Дніпропетровськ, 2007. - С. 198

Lebedev A.A., Material damage assessment by the LM-hardness Metod / A.A. Lebedev, N.R. Myzyka, V.P. Shvets // Metallurgija: 8-th International Simposium of Croatian Metallurgical Sosiety “Materials and Metallurgy” (22-26 June 2008, Sibenik, Croatia). Sibenik, 2008. - Vol. 47. - No.3. - P. 235.

Lebedev A.A. Damege accumulation proces in stell under low-cycly loading / A.A. Lebedev, N.R. Myzyka, V.P. Shvets // Low Cycly Fatigue: 6-th International Conference on Low Cycly Fatigue (8 - 12 September 2008, Berlin, Germany), Berlin, 2008. - P. 33-41.

Лебедев А.А. Контроль качества термической обработки металла методом LM-твердости / Лебедев А.А., Музыка Н.Р., Швец В.П. // Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов: IX Международный научно-технический конгресс термистов и металловедов, - Харьков, 2008. Т. 1. - С. 290-293.

Лебедев А.А. Оценка вязкости разрушения материала по параметрам рассеяния характеристик твердости. / Лебедев А.А., Музыка Н.Р., Швец В.П. // Reability of Materials and Structures: 7-th International Conference - Санкт-Петербург, 2008 - C. 42.

Патент на корисну модель № 38482 Україна, МПК (2006) G01 № 3/00. Спосіб визначення зміни об'єму матеріалу в процесі деформування при статичному розтягу або стиску / А.О. Лебедєв, М.Р. Музика, В.П. Швець; заявник і власник Інститут проблем міцності ім.Г.С.Писаренка НАН України. - №u200810174; заявл. 07.08.2008; опубл. 12.01.2009, Бюл. №1.

Патент на корисну модель № 40200 Україна, МПК (2009) G01 № 3/00, G01 №3/40. Спосіб контролю технічного стану конструкції в процесі експлуатації методом твердості / А.О. Лебедєв, М.Р. Музика, В.П Швец; заявник і власник Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України. - №u200813214; заявл. 14.11.2008; опубл. 25.03.2009, Бюл. №6.

Швец В.П. Контроль поврежденности металла в зоне сварного шва. / Швец В.П., Горбунов Р.И. // Конструкционная прочность материалов и ресурс оборудования АЭС: тезисы докладов международной научно-технической конференции «Ресурс - 2009» (20-22 мая, 2009 г., г. Киев). - Киев, 2009 -С.171-172.

Патент на корисну модель № 42162 Україна, МПК (2009) G01 № 3/00, G01 №3/40. Пристрій для випробування матеріалу на твердість / А.О. Лебедєв, М.Р. Музика, В.П. Швець; заявник і власник Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України. - №u200900600; заявл. 27.01.2009; опубл. 25.06.2009, Бюл. №12.

Лебедев А.А. Метод диагностирования и результаты исследования рассеянных повреждений в термически обработанных металлических материалах / Лебедев А.А., Музыка Н.Р., Швец В.П. // Повреждение материалов при эксплуатации, методы его диагностики и прогнозирования: Труды конф., 21-24 сентября 2009 г., - Тернополь, 2009 - С. 54-59

Лебедев А.А. Контроль качества сварных соединений методом LM-твёрдости / Лебедев А.А., Музыка Н.Р., Швец В.П., Кучер В.Н. // Сварочное производство в машиностроении: перспективы развития-2009: Труды конф., 06-09 октября 2009г., Краматорск, 2009 - С. 46.

Патент на корисну модель № 44786 Україна, МПК (2009) G01 №3/40. Прилад для випробування матеріалу на твердість дряпанням / А.О. Лебедєв, Г.А. Гогоці, М.Р. Музика, В.П. Швець, В.Н. Кучер; заявник і власник Інститут проблем міцності ім.Г.С.Писаренка НАН України. - №u200505317; заявл. 27.05.2009; опубл. 12.10.2009, Бюл. №19.

Патент на корисну модель № 45112 Україна, МПК (2009) G01 №3/40. Спосіб оцінки неоднорідності матеріалу / А.О. Лебедєв, М.Р. Музика, В.П. Швець; заявник і власник Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України. - №u200905316; заявл. 27.05.2009; опубл. 26.10.2009, Бюл. №20.

Размещено на Allbest.ru