Введение к работе
І. I.I. Актуальность проблемы
'' В процессах производства и эксплуатации всевозможных объектов техники, при выполнении нвучних иследозаний л анализе аварийных ситуации нередко возникает необходимость оценить склонность материала к хрупкому разрушении при различных темпоратурно-скоростных воздействиях. Применяемые для етих целей испытания на вязкость разрушения весьма трудоемки, дороги, сопряжены с выроз-кей образцов, а иногда просто невозможны (например, если требуется оценить качество сварки или термообработки готового изделия, трешиностойкость малых объемов металла или крупногабаритных объектов, находящихся в эксплуатации). Поэтому серьезное внимание уделяется поискам взаимосвязей между трощиностейкостью и другими, более легко определяемыми характеристиками: свойствами при растя-жениии, твердостью, ударной вязкостью. Среди косвенных методов оценки механических свойств при растяжении наиболее надеиным в настоящее время является измерение твердости. Однако, аналогичных методик для прогнозирования тревиностойкости пока не существует, поскольку зависимости между основными механическими свойствами и вязкостью разрушения изучены недостаточно. Кроме того, технические возможности определения твердости материала различных деталей и конструкций довольно ограничены. Это обусловлено несовершенством существующих методик и оборудования, а зачастую -нехваткой стационарных и портативных твердомеров для осуществления испытаний.
Таким образом, задача оперативного контроля склонности металла-к хрупкому разрушению связана с целым комплексом проблем.
Внимание научных работников и представителей производства ко всем перечисленным вопросам, научно-технические конференций и публикаций последних лет, посвященные названной тематике', свидетельствуют об актуальности темы исследования. Установление новых теоретических и экспериментальных зависимостей между характеристиками, найденными в различных видах механических испытаний, дает в руки инженеров ценный инструмент для прогнозирования служебных свойств материала.
В связи о этим в представленной работе решается крупная
научная проблема создания оперативных методов оценки склонности материалов к хрупкому разрушению на основе измерения твердости при различных температурах и скоростях деформации, имеющая большое народнохозяйственное значепе.
Диссертация выполнена в рамках хоздоговорных и госбюджетных исследований на кафедре деталей машин и ПТУ ВолгГТУ в соответствии о государственной целевой комплексной научно-технической программой "Надежность.' конструкций".
1.2. Цель и основные задачи исследования
Целью работы является создание теоретических основ, а также практических методов и технических средств для оперативной оценки склонности материалов к хрупкому разрушении на основе измерения твердости а широком интервале температур и скоростей деформирования. Для достижения це..л были поставлен-; следующие задачи:
-Вывод теоретических зависимостей для прогнозирования трещиноотойкости по прочностным свойствам или по твердости металла в широком интервале температур и скоростей деформации;
-экспериментальное исследование срязи основных механических свойств, твердости, трещиноотойкости и ударной вязкости сталей при различных температурно-скоростных условиях нагрулеевия;
-разработка методов оценки склонности металла к хрупкому разрушению по его основным механическим свойствам и твердости;
-разработка теоретических основ и методики контроля твердости по Бринеллю путем измерения глубины отпечатка;
-исследование закономерностей контактного деформирования черных и цветных металлов и сплаьов при отатическом и ударном внедрении конических и сферических инденторов в плоские и криролинейные поверхности;
создание способов и портативных приборов для оперативно? оценки механического состояния металла непосредственно в условиях производства, монтажа и експлуатащш объектов техники.
1.3. Методы исследования
В теоретических исследованиях использовались фундаментальные полоаеаия материаловедения, теории упругости .и пластичности,
механики разрушения. Для обработки экспериментальных данных применялись статистические метода. Расчеты выполнены на персональной ЭВМ IBM PC AT. Механические испытания по определению "основных механических свойств при растяжения, ударной вязкооти, твердости выполнены на разрывши машинах ИМ-12А и Р-5, маятниковом копре ІЖ-30А, отечественных стационаріінх твердомерах ТШ-2, ТК-2 и ТП-2 Ивановского завода ЗИП, а также по оригинальным методикам, посредством портативных ударных приборов БПИ-2, ВПИ-ЗК и ВПИ-ІШ конструкции кафедры деталей машин ВолгГТУ (ГОСТ 18661-73 и ГОСТ 28368-90). Динамическое нагружение инденторов производили такко иа коггрп о падающим грузом. Информационно-измерительная техника: двухкоординатныо самописцы, потенциометры, индуктивные датчики перемещений БВ-844 и усилители БВ-662 завода "Калибр".
1.4. Научная новизна
Разработаны научные основы и созданы практические методы оперативного прогнозирования склонности материалов к хрупкому разрушению на основе измерения твердости при различных температурах и скоростях деформации:
-получена новая теоретическая зависимость для расчета интенсивности упругопластических деформаций на фронте трещины, нагруженной по типу нормального отрыва;
-разработаны и исследованы новые критерии разрушения, позволяющие осуществлять прогнозирование трещиностойхости по механическим свойствам и твердости материала в широком интервале температур и скоростей деформации;
-предложен метод оценки хладноломкости сталей по зависимости глубины отпечатка индентора.от температуры испытания;
-установлены новые 'закономерности формирования отпечатков, конических и сферических инденторов при их статическом и ударном внедрении в плоские и криволинейные поверхности;
-разработаны новые динамические и статические методы и технические сродства для оперативной оценки механических свойств материалов и их склонности к хрупкому разрушеїшю по гвердости на плоских и криволинейных поверхностях.
1.5. Положения, выносимые на'защиту
-аналитическое решение для расчета интенсивности упруго-пластических деформаций на фронте трещины нормального отрыва;
-теоретическая зависимость моааду трєщипостойкостью и свойствами металла при растяжении, учитывающая микроскопические параметры разрушения;
термоактивационная физическая модель для прогнозирования трощиностойкооти по прочности или твордооти металла в широком интервале температур и скоростей деформации:
-закономерности соотношений твердости и прочности, а также трещиноетойкости и ударной вязкости сталей о О.Ц.К. кристаллической решеткой при различных теммпературах;
-способы оценки трещиноетойкости и ударной вязкости сталей пс прочности и твердости в широком интервале температур:
-методика определила твердости ГО по глубине отпечатка;
-способ оценки критических температур хрупкости сталей по глубине отпечатка сферического индентора;
-установленные закономерности формирования отпечатков конических, пирамидальных и сферических инленторов при их стаї-іческем и ударном внедрении в плоские и криволинейные поверхности образцов из черных и цветных металлов и сплавов;
созданные динамические методы измерения твердости сталей чугунов, цветных металлов и сплавов;
-портативный прибор для оперативной оценки механического состояния металла по твердости непосредственно в условиях производства, ыонтака и експлуатацш объектов техники;
-способы измерения твердости на криволинейных поверхностях.
1.6. Лоотовэрность научных положений, рекомендаций ;: выводов
Достоверность и оооснованность научных положений, рекомендаций и выводов диссертации подтверждена экспериментами автора, его расчетами по опубликованным данным многих отечественных и зарубежных исследователей, а также результатами длительного использования на производстве ряда предложенных методов.
1.7. Практическая ценность и реализация результатов работы
Разработанные критерии разрушения, установленные соот-зошения мекду различными механическими характеристиками в широком темпоратуряо-скоростном диапазоне, а такав созданные методы и технические средства для оперативной оценки служебных свойств металла расширяют область применения неразрушашего и автоматизированного контроля качества конструкционных материалов. Снижаются продолжительность, трудоемкость и металлоемкость испытаний, сокращаются енергозатрати. Применимость экспресс-методов непосредственно в условиях производства, монтаяа и эксплуатации объектов техники расширяет возможности своевременной диагностики качества' металла и сшжэет опасность возникновения экстремальных ситуаций. Предложенные в работе методик:! тайке находят применение при экспертизе причин аварий и катастроф.
Результаты работы использованы в научных исследованиях и внедрены в ряде отраслей промышленности.
В научных исследованиях предлоаенные методы и технические средства использовались для:
разработки метода оценки склонности к хрупкому разрушению металла газопроводов в условиях их монтажа и вксплуатащш при низких температурах (ПО "Сургуттрансгаз", г. Сургут);
оценки склонности металла к хрупкому разрушению при различных температурах (НЛО "Машиностроитель", г. Москва).
измерения твердости по Виккерсу на деталях с криволинейными поверхностями (ПО "Баррикады", г. Волгоград):
разработки метода контроля твердости металла элементов энергооборудования (прэдприятие "Эстонэнергоремонт", г. Нарва);
разработки метода контроля качества термообработки внутренних поверхностей крупногабаритных стальных изделий (ПО "Баррикады", г. Волгоград);
разработки метода контроля качества чугунных изделий (КМЗ, г. Куива Екатеринбургской обл.; Стерлитамакокий станкозавод);
Проводился неразрушакций контроль качества металла на промышленных предприятиях:
ПО "Бухарапефтегаз", ПЭО "Киевэнерго", "Донбассэнерго", 'Мосэнергоремонт", "Саратовонерго", "Ленэнэрго", и др.
Под руководством автора выполнен государственный заказ по производству и поставке 170 промышленным предприятиям крупной партии ударных твердомеров BIffi-HR (360 шт), цредлокешшх в дашюй работе.
При непосредотвеїшом участии * зтора создан ГОСТ 22975-78 на определение твердости по Супер-Роквеллу (раздел, регламентирующий измнереїшя на криволинейных поверхностях).
Результаты настоящей работы были положены в основу ГОСТ 28868-90 "Металлы и сплавы цветные. Измерение твердости мотодом ударного отпечатка". Проект указанного стандарта подготовлен автором диссертации. ГОСТ введен с 1.01.1992 г.
Ряд результатов опубликован в монографии "Современное состояние измерения твердости на криволинейных поворхност.'-л" (М., ВНИИКИ, 1984).
Предложенные автором методы использовали в отраслевых рукоьодящих технических материалах, регламектпруущих проведение безобразцовых испытаний металла в теплоэкоргетике.
Разработки автора демонстрировались на ВДНХ СССР и удостоены бронзовой медали выставки.
Результаты работы используются при чтении лекционных курсов и выполнении лабораторных работ на .сафедрах деталей машин и материаловедения ВолгГТУ.
Учтенный экономический эффект от использования результатов работы на 15 промышлб. :шх предприятиях, подтвержденный актами внедрения, составил 1 млн. 369 тыс. руб. в ценах 1990 г.
1.8. Апробация работы
Результаты работы докладывались и получили одобрение на: -научно-технической конференции "Исследование и контроль механических свойств материалов неразрушавдими методами" (Волгоград, 1972 г.);
" -елегодных научно-тбХнических конференциях ВолгГТУ по итогам научно-исследовательских работ (Волгоград, 1970-1994 г.г.);
-XIV и ЭТШ коллоквиумах центральных заводских лабораторий (Москва, 1972 г. и Днепропетровск, 1976 г.);
-научно-технической конференции "Проблема надеіаооиі машин"
{Минея. 1973 г.)?
-научно-практической конференции "Косвенные методы. оценки свойств материалов" (Ворошиловградская ГРЭС, 1976 г.){
-всесоюзном семинаре "Совершенствовашо сварочных работ при изготовлении и монтаже оборудования тепловых и атомных электростанций" (Москва, 1977 г.){
-научно-технических семинарах "Вопросы проектировать, прочности и долговечности деталей машин" (Волгоград, 1977 и 1980 г.г.);
-научно-технической конференции "Экономия металлов в промишл?:етости и строительстве" (Волгоград, 1978 r.)j
-П научно-технической конференции "Совершенствование эксплуатации и ремонта корпусов судов" (Калининград, 1981 г.)}
-международной научно-техкической -конференции "Основное механическое испытание металлов (ЧССР, Острава, 1988 г.);
-всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства определения твердости материалов и изделий" (Иваново, 1990 г.);
-мекрегионалышх научно-технических конференциях "Ресурсосберегающие метода и средства экспресс-контроля и диагностики структурно-механического состояния . материалов" (Пенза, 1990 и
1992 r.r.)v
-всесоюзном научно-техническом совещании "Повышение надежности и долговечности металла енергооборудования ТЭС (Славянская ГРЭС, 1990 г.);
-Ш всесоюзном симпозиуме по механике разрушения "Трешино-стойкость материалов и элементов конструкций" (Житомир, 1990 г).
-сц-ошаре отделения механики деформирования и разрушения ШАШ РАЙ* (Москва, 1994 г.)
1.9* Публикации
Дисортация обобщает исследования автора за период о 1970 по
1993 г.г. Основное содержание диссертации опубликовано в 30
научных статьях, 3 авторских свидетельствах на изобретения и
монографии, а также отражено в 25 отчетах по хоздоговорным и
госбюджетным научно-исследовательским работам.
1.10. Структура и объем диссертации
