Введение к работе
Актуальность темы
Одной из актуальных задач эксплуатации металлических конструкций является задача надежной оценки их ресурса. Наиболее перспективные разработки в этом направлении относятся не к обнаружению макротрещин, которые могут быть выявлены методами традиционной дефектоскопии, а к исследованиям состояния материалов при их упругопластическом и циклическом деформировании на ранних стадиях разрушения задолго до образования макротрещин.
Классические методы предсказания долговечности при помощи полуэмпирических формул основываются на уравнениях механики. Однако, в уравнениях механики не учитывается то, что в процессе силового нагружения помимо накопления повреждений и образования несплошностей в легированных нержавеющих сталях аустенитного класса активно изменяется фазовый состав, существенно влияющий на скорость накопления повреждений и деградацию элементов конструкций. В некоторых случаях эти изменения происходят с первых циклов нагружения, например, при разрушении в области малоцикловой усталости, в широком диапазоне рабочих температур - низких, комнатных и при сотнях градусов Цельсия. Как правило, выделение дополнительных фаз сопровождается изменениями физических свойств материалов - упругих, прочностных и других характеристик, в т.ч. и акустических.
В общем случае, деградацию металлов характеризуют как опасное изменение в структуре, физических свойствах или внешнем виде материала.
Для оценки поврежденности при силовом нагружении широкое распространение получил акустический метод, позволяющий фиксировать необратимые изменения физических свойств материала конструкций. Структурно-чувствительные акустические параметры позволяют обнаруживать деградацию материала до образования макротрещины. Другим физическим методом, дающим возможность прямого исследования процесса разрушения материала на поверхности изделия, является металлографический метод. Современные переносные металлографические комплексы позволяют проводить оценку состояния материала непосредственно на элементе конструкции.
На сегодняшний день имеется множество работ, посвященных влиянию микродефектов на характеристики распространения упругих волн, однако влияние фазовых превращений в метастабильных коррозионно-стойких аустенитных сталях мало изучено. Задача проведения исследований процесса деградации с помощью использования данных акустического и оптического методов контроля, а также разработка методов оценки поврежденности, наработки без разрушения материала конструкций на базе этих измерений в настоящее время приобретает большое значение.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка метода определения деградации метастабильных сталей при их статическом и циклическом деформировании по данным акустических и металлографических исследований. Для реализации этой цели необходимо решение следующих задач:
-
Провести исследования влияния регулярного и блочного режимов циклического нагружения на упругие и акустические характеристики метастабильньгх сталей.
-
Определить параметр деградации исследуемых сталей, разработать алгоритм количественной оценки деградации по данным акустических измерений.
-
Выявить связь наработки и поврежденности исследуемых метастабильньгх сталей с параметром деградации.
-
Исследовать связь режимов нагружения с изменением акустических характеристик и характеристик микропластичности.
-
Исследовать влияние процесса упрочнения метастабильньгх сталей на акустические характеристики при статическом деформировании. Разработать алгоритм оценки величины упрочнения по данным акустических измерений.
-
Провести апробацию разработанного метода оценки деградации на силовом элементе конструкций.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
На основании выявленных закономерностей влияния малоциклового усталостного разрушения на упругие и акустические характеристики сталей аустенитного класса определен параметр деградации, отражающий фазовые превращения и накопление структурной поврежденности исследуемых сталей.
-
Обоснован критерий предельного состояния циклического нагружения метастабильньгх сталей на основе оценки критического значения параметра деградации, соответствующего появлению макротрещины.
-
Разработан алгоритм определения поврежденности и наработки исследуемых материалов при упругопластическом циклическом деформировании с помощью оценки величины деградации материала ультразвуковым методом.
-
Разработан алгоритм оценки величины упрочнения при упругопластическом деформировании по данным акустических измерений.
Положения, выносимые на защиту:
-
Результаты экспериментального исследования влияния статического и усталостного разрушения на упругие и акустические характеристики сталей аустенитного класса.
-
Алгоритм оценки наработки, поврежденности на ранней стадии разрушения метастабильньгх сталей с помощью параметра деградации.
-
Алгоритм оценки величины упрочнения при статическом деформировании метастабильньгх сталей по данным акустических измерений.
-
Результаты апробации разработанного метода оценки поврежденности на силовом элементе конструкции при его усталостном разрушении.
Личный вклад автора состоит в анализе литературных источников, проведении акустических и металлографических исследований, интерпретации полученных результатов, создании алгоритма оценки деградации материалов с помощью акустического методов.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением современных методов исследования свойств подвергаемых разрушению конструкционных сталей, подтверждена значительным объемом экспериментальных
данных, обсуждением полученных результатов на научно-технических конференциях, верификацией результатов на силовом элементе конструкций.
Теоретическая и практическая значимость работы
Теоретическая значимость заключается в выявлении закономерности изменения упругих и акустических характеристик сталей с активным изменением фазового состава и структурной поврежденности, происходящих в процессе усталостного разрушения и упругопластического деформирования.
Экспериментальное определение параметра деградации и его количественной оценки на базе акустических измерений в процессе исчерпания ресурса материала позволит оценивать величину наработки, поврежденности метастабильных сталей, широко используемых в атомной, химической и других отраслях промышленности, при усталостном нагружении.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на XLVII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности», 1-5 июля 2008 г., г. Нижний Новгород; 18-й Всероссийской конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и техническая диагностика» 29 сентября - 3 октября 2008 г., г. Н.Новгород; 7-ом Международном Симпозиуме по неразрушающему контролю в гражданском строительстве «NDTCE'09» 30 июня - 3 июля 2009 г., Франция, г. Нант; 10-ой Европейской конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике, 7-11 июня 2010г., г. Москва; XXII сессии РАО, 15-17 июня 2010 г., г. Москва; X Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. Н.Новгород, 24-30 августа 2011 г.; XIX Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике, г.Самара, 6-8 сентября 2011г.; ежегодных Нижегородских сессиях молодых учёных (технические науки) 2008-2011 гг.
Работа докладывалась на семинаре ИПМ РАН, Н.Новгород, 2 ноября 2013 г.;
В завершенном виде работа докладывалась на семинаре кафедры «Динамика, прочность машин и сопротивление материалов» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева под руководством Засл. деят науки РФ, проф. В.М. Волкова.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 6 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, в списке литературы приведены 14 наиболее значимых работ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объём диссертации составляет 130 страниц, диссертация содержит 77 рисунков, 4 таблицы. Список цитируемой литературы состоит из 114 наименований.
