Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Структурное моделирование процессов накопления повреждений и трещинообразования
1.1 Иерархия структурных элементов. Структурное моделирование» 17
1.2 Статистические подходы к описанию и моделированию процессов трещинообразования и накопления повреждений 23
1.3 Локальный подход в структурном моделировании 32
1.4 Структурное моделирование на основе концепции накопления повреждений 39
1.5 Физическая природа образования трещин» Метод сканирующей
зондовой микроскопии и мультифрактального анализа 48
Результаты и выводы по первой главе 57
ГЛАВА II. Экпериментальные методы исследования поврежденности материалов
2.1. Методика локальной рентгеновской дифрактометрии и фракто-графии 60
2.2 Локальная дифрактометрия зон интенсивной пластической деформации «in situ» 70
2.3 Рентгеновская фрактография изломов имплант-образцов 77
2.4 Описание оборудования и методики электронной сканирующей микроскопии поверхностей разрушения и деформации малогабаритных образцов при растяжении «in situ» 95
2.5 Результаты и выводы по второй главе 104
ГЛАВА III. Изучение закономерностей процессов накопления повреждений и разрушения
3.1 Методика оптико-телевизионного анализа процессов накопления структурной повреждённое и разрушения образцов из конструкционной стали 106
3.2 Исследование морфологии поверхностей деформации и разрушения методом сканирующей электронной микроскопии і 30
33 Количественный анализ параметров скейлинга и повреждение- сти поверхностей деформирования и разрушения гетерогенных материалов методами мультифрактального анализа изображе ний, полученных сканирующей туннельной микроскопией 142
3,4 Исследование поверхностей деформации малогабаритных образцов, деформируемых «in situ», методами туннельной зондовой микроскопии и мультифрактального анализа І47
Результаты и выводы по третьей главе , 154
ГЛАВА IV. Конечно-элементное моделирование процесса накопления повреждений и замедленного разрушения элементов конструкций под действием водорода .
4.1.Феноменология водородного охрулчивания 156
4.2 Общий подход к решению краевых задач и постановка связной задачи нестационарной диффузии и упругопластичности МКЭ в вариационной постановке
4.3 Решение и анализ одномерной связной задачи диффузии водорода , , 169
4.4 Постановка и решение задачи водородного охрупчивания на основе теории накопления повреждений .„,..., 177
4.5 Расчет времени достижения элементом конструкции предельного уровня поврежденносш 193
Результаты и выводы по четвертой главе 195
ГЛАВА V. Стохастическое моделирование процессов разрушения конструкционных материалов и оценка остаточного ресурса металлоконструкции
5-1 Стохастическая модель образования и роста трещины в вязко-упругом материале Ї96
5.2 Расчет пористости и растрескивания заготовки из алюминиевого сплава 205
53 Методы прогнозирования ресурса конструкций с учетом разработанных моделей и имеющихся норм и правил 210
Результаты и выводы по пятой главе 218
Заключение 219
Основные результаты и выводы по работе 226
Список литературы
- Статистические подходы к описанию и моделированию процессов трещинообразования и накопления повреждений
- Рентгеновская фрактография изломов имплант-образцов
- Исследование морфологии поверхностей деформации и разрушения методом сканирующей электронной микроскопии
- Общий подход к решению краевых задач и постановка связной задачи нестационарной диффузии и упругопластичности МКЭ в вариационной постановке
Введение к работе
Важность разработки структурных моделей накопления повреждений и разрушения, а также оценки предельного состояния материалов и ресурса конструкций на их основе обусловлена известными ограничениями полуэмпирических моделей, не включающих в себя явного описания физических явлений, происходящих в материале [1], Хотя разработка микро и макроскопических подходов позволила добиться определенных успехов, в частности, при моделировании замедленного разрушения и оценке ресурса подверженных водородному охрупчиванию элементов конструкций [2], однако пока трудноосуществим перенос результатов таких исследований на крупногабаритные изделия, в условия, далекие от лабораторных экспериментов как по условиям и базе испытаний, так и по материалу и виду разрушения. Также в рамках применения детерминированных моделей, к которым относится большинство эмпирических нелокальных подходов, становится невозможной оценка допустимого риска при ненулевой вероятности появления редких событий. Иными словами, для решения задач прогнозирования предельного состояния и ресурса реальных материалов и конструкций требуется применение статистических подходов [3, 4].
Принципиальная необходимость учета локальных взаимодействий оставляет по-прежнему актуальной необходимость развития локальных подходов, ограниченных в настоящее время калибровочными теориями, линейной и нелинейной теорией дислокаций. Разработка подхода, основанного на структурном моделировании и теории накопления локальных повреждений, позволяет объединить преимущества локального и нелокального методов.
Структурные модели накопления повреждений и разрушения конструкционных материалов, а также основанные на них методы оценки ресурса металлоконструкций преодолевают известные недостатки полуэмпирических подходов, не включающих в себя явного описания физически явлений, происходящих в материале, и обладают достаточной гибкостью рассмотрения различных уровней структурно-неоднородного материала и конструкции.
При этом становится возможным обоснованно оценивать риск наступления предельного состояния, осуществлять перенос модельных результатов на крупногабаритные конструкции, а также объединять в рамках одной модели описание процессов накопления повреждений и разрушения материала. Объединенные структурные модели также позволяют найти способ переноса экспериментальных данных, полученных для одного из видов иагружения и поведения материала, на другие, а также позволяют объединять экспериментальные данные, относящиеся к различным видам напряженного состояния и внешнего воздействия. В целом разработка структурных моделей повреждения и разрушения — одно из наиболее актуальных направлений механики материалов в XXI веке.
Трудно недооценить важность структурных моделей для обоснованного подхода к объединенному описанию процессов повреждения и разрушения. Все эти процессы в твердом теле связаны с явлениями, происходящими в одних и тех же элементах структуры. Накопление усталостных или коррозионных повреждений происходит в отдельных зернах и на отдельных участках межзеренных границ, зарождение макроскопической трещины является результатом слияния дефектов в местах случайного скопления наиболее поврежденных, или наиболее напряженных, элементов структуры. Рост макроскопической усталостной трещины есть процесс продвижения фронта разрушения через совокупность зерен и их границ, попадающих на фронт трещины. Все эти явления описываются единой структурной моделью. Объединенные структурные модели позволяют найти способ переноса экспериментальных данных, полученных для одного из видов нагружения и поведения материала, на другие, а также объединять экспериментальные данные, относящиеся к различным видам напряженного состояния и внешнего воздействия. В целом разработка структурных моделей повреждения и разрушения — одно из наиболее актуальных направлений механики материалов в XXI веке.
До недавних пор развитие структурных моделей сдерживалось недостатком экспериментальных данных на микро- и субмикроскопическом уровне, и их формальной математической сложностью. В связи с развитием удоб ных экспериментальных средств для исследования микроструктуры материалов высокого разрешения, таких как электронная сканирующая микроскопия, а также статистических математических методов и мощных вычислительных средств, структурный подход в новом тысячелетии претерпел новый этап развития, связанный как с новыми возможностями теоретических исследований процессов разрушения, так и с практической применимостью структурных моделей [5].
Исследования в области повышения хладостойкости конструкционных материалов более 30 лет проводятся в ИФТПС СО РАН, Выявлено, что спецификой хрупкого разрушения металлоконструкций в условиях Севера (в частности, сварных [6, 7]), является образование холодных трещин в наиболее напряженных элементах вследствие накопления усталостных, коррозионных, температурных повреждений, что и становится наиболее распространенной причиной разрушений при низких климатических температурах. Диагностика элементов металлоконструкций в этом случае также сводится к анализу их дефектности и выявлению механизма и закономерностей повреждаемости от различных внешних факторов.
Разнообразие конструктивных форм, размеров, технологий получения, режимов нагружения и температурных условий работы конструкций крайне затрудняет, а в ряде случаев и делает практически невозможной оценку их ресурса только по результатам испытаний лабораторных образцов. В связи с этим для учета характерных отличий элемента конструкции от лабораторного образца перспективным представляется развитие методов статистической механики материалов и деталей машин. Применительно к хрупкой статической прочности и многоцикловой усталости, статистические теории, использующие силовую трактовку процесса разрушения, получили развитие в научных школах А.ГТ.Александрова и СМ. Журкова, В.В.Болотина, С.Д.Волкова, Т.А,Конторовой и Я.И-Френкеля, Н.В.Олейника, Г.СЛисаренко и В.ТЛрощенко, Д.Н.Решетова, СВ. Серенсена и ВИ Когаева, а также в работах В.Вейбулла, И.Фишера, И.Холоммона, А.Фрейденталя, Е.Гумбеля и др.
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ.
При интенсивном освоении минерально-сырьевых ресурсов эксплуатация возводимой инфраструктуры (сооружений, трубопроводного, автомобильного и железнодорожного транспорта) возникает ряд проблем, связанных с безопасностью, и, прежде всего, с техногенным риском. Исключительной особенностью Российской Федерации в последнее десятилетие на рубеже веков оказались не виданные ранее темпы потери технологической безопасности, одним из важнейших показателей которых явилось общее снижение ВВП примерно на 50%. При этом в наиболее важных областях снижение объемов производства достигло 70-90%. В связи с этим для обеспечения технологической безопасности в указанных областях темпы роста в начале ХХГ века должны составить не менее 10-15%,
Одним из путей вывода России из сложившегося системного кризиса, характеризующегося уменьшением уровня безопасности на технических объектах, технологических линиях и производствах, является разработка средств прогноза и предотвращения аварий и катастроф, в частности, техногенного характера, что напрямую связано с разработкой методов оценки и продления ресурса машин и конструкций, в том числе остаточного, для объектов, близких или уже выработавших свой расчетный ресурс. Состояние инфраструктуры, в частности в регионах, удаленных от центра, на Северо-востоке России, в Дальневосточном округе, Республике Саха (Якутия) - представляется крайне опасным.
Соответствующим сложившемуся положению решением является разработка новых методов оценки приближения их предельного состояния, учитывающих всю историю их силового, теплового и коррозионного нагруже-ния, наряду с разработкой и внедрением средств научного мониторинга за техническим состоянием потенциально опасных технических объектов.
Отличающийся характер процессов деформации и разрушения, протекающих на различных структурных уровнях, дефектность и неоднородное строение реального материала, затрудняли до сих пор и построение соответствующих теоретических и численных моделей эволюции поврежденное™ и -достижения предельного состояния в материале. Однако развитие в последние годы современных вычислительных технологий, в том числе статистического моделирования, успехи в области эксперимента, в частности, разработка и широкое применение методов электронной зондовой микроскопии, позволили вплотную подойти к решению задачи численного моделирования процессов образования и роста дефектов в виде трещин в вязкохрупких и уп-ругопластических материалах с высокой степенью достоверности. Особенно перспективным для решения таких задач представляется применение структурного и эволюционного подходов.
Разработка экспериментальных и численных моделей и методов оценки вероятности достижения конструкцией своего предельного состояния также позволит количественно оценивать риск, в особенности техногенный, при проектировании и эксплуатации потенциально опасных технических объектов, и осуществлять научно обоснованный мониторинг их состояния, В условиях низких климатических температур основной характеристикой сопротивления конструкций разрушению является трещиностойкость,
НАПРАВЛЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ. Теоретические и экспериментальные исследования, направленные на развитие теории предельных состояний, вычислительной механики разрушения, статистической и теории замедленного разрушения, локального (микромакроскопического) и эволюционного подходов в механике твердого тела, носят фундаментальный характер.
Теоретические и экспериментальные исследования, касающиеся развития методов зондовой микроскопии и фрактального анализа поверхности деформирования и разрушения материалов, количественной оценки скейлинга и поврежденное™ поверхности, прогнозирования наступления предельного состояния и выработки остаточного ресурса, имеют прикладное значение при оценке безопасности и рисков эксплуатации потенциально опасных промышленных объектов эксплуатирующихся в условиях Севера. t МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИИ. Работа выполнена с использованием комплексных теоретических, экспериментальных и расчетных (численных) методов исследования. Получили развитие экспериментальные и теоретические методы: методика количественной оценки скейлинга поверхности на основе мультифрактального анализа, теория замедленного разрушения металлоконструкций под действием водорода, численные методы решения задачи связной диффузии - упругопластичности и накопления повреждений, оценки предельного состояния и ресурса, методики рентгеновской дифрак-тометрии зон локальной пластической деформации, сканирующей зондовой микроскопии «in situ», ДОСТОВЕРНОСТЬ И ОБОСНОВАННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ, Достоверность и обоснованность полученных в работе научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается корректностью построения и использования предлагаемых математических моделей соответствием полученных предельных расчетов с экспериментальными данными, практическим использованием результатов диссертационной работы при оценке поврежденности и предельного состояния материалов и ресурса металлоконструкций.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ПОЛЕЗНОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ.
Оборудование и методики, созданные в результате выполненных исследований, рекомендованы для использования журналами «Наука производству», «Заводская лаборатория. Диагностика материалов», «Материаловедение». В итоге выполненных исследований разработанные методики оценки остаточного ресурса металлоконструкций и поверхностной поврежденности материалов переданы в институт «Безопасность» при ИМАШ РАН, НИИ «Якутнипроалмаз» АК «АЛРОСА», в Министерство промышленности Республики Саха (Якутия).
Выполненные по тематике диссертации разработки соискателя используются аспирантами ЯНЦ, а также студентами физического факультета ФТИ ЯГУ.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы доложены на научно-технических конференциях - Международных в Москве (1991, 2003), Виннице (1991), Томске (1994, 1996, 1998, 2000, 2001, 2004, 2005), Гамбурге (1996), Новосибирске (2000), Киеве (1998, 2000, 2002, 2003, 2004), Санкт Петербурге (1998, 2000), Париже (1999), Сиднее (2000), Вене (2000), Красноярске (2001), Пензе (2001), Женеве (2003), Донецке (2004, 2005), Якутске (1990, 1995, 1998, 1999, 2000, 2002, 2004, 2005), Алма-Ате (2004), Черноголовке (2004), Турине (2005), Екатеринбурге (2005), Симпозиуме Международного Института Сварки (2000), Евразийском Симпозиуме в Якутске (2000,2002,2004), Всероссийских и региональных конференциях (ежегодно с 1991 года), обсуждены на семинарах и в коллективах лаборатории микро- и макромеханики ИМАШ РАН (1991-1994, 2002), лаборатории дуговой сварки Харбинского Института сварки (1994), лаборатории физической мезомехани-ки ИФПМ СО РАН (1996), лаборатории физики металлургии EPFL (Швейцария, 1998-1999), департамента вычислительных технологий Венского государственного технического университета (Австрия, 2000), лаборатории динамических методов анализа Института механики сплошных сред (Пермь, 2001), на заседаниях комиссии по комплексным проектам отделения механики СО РАН (Новосибирск, 2001, 2002), совещаниях по Программе ОЭММПУ № 13 в Институте проблем механики РАН (Москва, 2004,2005).
Работа выполнялась в отделе прочности и ресурса ИФТПС СО РАН по программе "Механика, научные основы машиностроения" СО РАН (тема 1.11.1.10 /per. 01 960 000 989/ и 2.33., 2.3.6, /per. ГР 01.2.00.107181/, а также при поддержке Интеграционного проекта СО РАН №2 (2000-2002 гг.)а программы Минобразования и Минатома РФ «Интеграция», Программы фундаментальных исследований отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН «Структурная механика материалов и элементов конструкций. Взаимодействие нано- микро- мезо- и макромасштабов при деформировании и разрушении», Программы Президиума РАН «Фундаментальные проблемы физики и химии наноразвитых систем и наноматериалов», грантов РФФИ №№ 96-01-01370, 98-01-03688, 98-02-03714, 00-15-99061-л, 01-01-00161, 03-01-96000, 03-02-96001, ряда Целевых республиканских программ по заказу Министерства промышленности Республики Саха (Якутия) и ГУ по РС(Я) МЧС РФ с 1994 по 2005 гг.
ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации отражено в 120 печатных работах, в том числе в 3-х монографиях, включая одну авторскую и две коллективные, 30 статьях в журналах «Заводская лаборатория» Диагностика материалов», «Физическая мезомеханика», «Материаловедение», «Вычислительные технологии», «Наука производству», «Химическая технология», «Journal de Physique», а также в журнале «Наука и образование», 40 докладах в сборниках международных конференций.
Теоретические и экспериментальные исследования, представленные в диссертационной работе, проведены в лаборатории сварки (1989-1994 гг.), лаборатории физикохимии технологии и механики материалов (1994-1998 гг.) и лаборатории физикохимии и механики вязко-хрупкого перехода (1999-2005 гг.) Института ФТПС СО РАН (г.Якутск). Изучение опыта работ по оценке, обоснованию и продлению остаточного ресурса, исследования методом рентгеновской дифрактометрии производилось в Институте машиноведения РАН (г.Москва), методами оптико-телевизионного анализа смещений при деформации образцов «in situ» - в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН (г.Томск), моделированию комбинированным мето-дом клеточных автоматов - конечных элементов (CAFE) - в Государственном технологическом институте Лозанна (Швейцария),
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 192 наименований. Объем работы 312 страниц машинописного текста, включая 99 рисунков, 13 таблиц и приложения на 66 страницах
Статистические подходы к описанию и моделированию процессов трещинообразования и накопления повреждений
В рамках одной модели становится возможным описать процессы накопления повреждений в структурных элементах от различных неблагоприятных факторов, образование, развитие и объединение микротрещин, вплоть до образования макротрещины и окончательного разрушения материала. Именно таким образом строится объединенная структурная модель накопления повреждений и разрушения. Например, повреждения в виде микроскопических дефектов, - дислокационных скоплении, микропор и микротрещин, -могут накапливаться в таких структурных элементах., как границы зерен, субзерна материала, вплоть до образования макроскопической трещины. В дальнейшем происходит рост макроскопической трещины в конгломерате структурных элементов материала, имеющих также различные уровни поврежденное. Описание этих элементарных процессов в принципе не зависит от вида нагружения материала. Отсюда вытекает такое преимущество объединенных структурных моделей, как возможность переноса экспериментальных данных, полученных для одного класса нагружения, на другие классы, и объединения данных, относящихся к различным классам.
В механике деформируемого твердого тела можно выделить два основных класса вероятностных структурных моделей. Во-первых, это модели, основанные на гипотезе слабого звена, или последовательного соединения структурных элементов (теории Т.А. Конторовой и Я.И. Френкеля [20], хрупкого разрушения В. Вейбулла [21], СВ. Серенсена, В.П. Когаева и Н.А. Махутова [22, 23] и др.). Другой класс моделей - модели пластического типа, например, статистическая теория Н.Н. Афанасьева [24], известные модели накопления рассеянных повреждений, предусматривающие схему параллельного соединения однотипных элементов. Модели каждого класса имеют много общего между собой как с физической, так и с математической точек зрения, в то же время предоставляя достаточную свободу другим структурных моделям в качестве промежуточных.
Прежде чем перейти к описанию статистических подходов к описанию процессов накопления повреждений и разрушения материалов, рассмотрим некоторые статистические особенности распределения дефектов на струк турньтх уровнях согласно рис.1, и соответствующие им предельные состояния. Как известно, достижение предельного состояния одним структурным уровнем дефектов соответствует переходу процесса накопления повреждений на следующий, при этом, получая дополнительную (коллективную) степень свободы, энергоемкость этого процесса падает, В терминах механики разрушения, реализация процессов на более высоких структурных уровнях с меньшим числом дефектов большого размера, приводит к большей концентрации напряжений при том же уровне приложенной нагрузки. Меньший статистический разброс прочностных характеристик при этом обеспечивается малым числом носителей деформации. Таким образом, согласно схеме на рисЛ, мы имеем набор структурных уровней, переходы между которыми означают преодоление потенциальных барьеров, величина которых с увеличением масштаба структурных дефектов падает.
В основе статистических моделей лежит учет влияния неоднородности свойств на закономерности деформирования и разрушения материалов па макроскопическом уровне. Это связано с тем, что большинство существующих статистических теорий прочности основано на гипотезе о строении твердого тела как состоящего из статистически большого количества одинаковых элементов, в то же время достаточно больших по размеру, чтобы в своих масштабах отражать механические свойства материала. Отсюда вытекают и ограничения, присущие таким моделям. В частности, если принять за такой элемент некоторый объем материала с дефектом (трещиной, порой, включением), то он должен быть достаточно большим, по крайней мере, намного больше самого дефекта, чтобы избежать рассмотрения краевых эффектов или границ раздела.
Статистические модели можно разделить на две группы: модели, которые формулируются на основе простого обобщения экспериментальных данных по рассеянию характеристик сопротивления материалов деформировав нию и разрушению, и модели, основанные на определенных гипотезах, учитывающих статистическую изменчивость свойств материалов на микро- и макроскопических уровнях (стохастические модели). Последние являются более обоснованными и дают больше возможностей для прогнозирования влияния неоднородности свойств на закономерности деформирования и разрушения материалов.
Статистические модели эффективны при описании закономерностей разрушения при многоцикловом разрушении, в частности, рассеяние пределов выносливости и числа циклов до разрушения, проявление «эффекта масштаба», более высокие характеристики сопротивления усталостному разрушению в условиях неоднородного напряженного состояния, отличие теоретических и эффективных коэффициентов концентрации напряжении и др.
Статистические теории, основанные на гипотезе слабого звена, предполагают, во-первых, что источником разрушения является наиболее опасный дефект, имеющийся в образце, во-вторых, что характеристики дефектов не изменяются в процессе пагружения, в-третьих, что свойства материала могут быть описаны кривой распределения критических напряжений для дефектов в материале. Для такой кривой по оси абсцисс откладывают величину предела прочности (предела выносливости), которую имел бы образец, если бы источником разрушения был данный дефект, а по оси ординат - соответствующую ему плотность вероятности р( х). Естественно, что в этом случае источником разрушения всего образца будет дефект с минимальным значением критических напряжений по сравнению с другими дефектами, имеющимися в образце. Совокупность перечисленных предположений получила название гипотезы слабого звена потому, что такая модель является аналогом цепи, разрушение которой происходит с разрушением наименее прочного звена. Основные расчетные зависимости в этих теориях получены поэтапно [25].
Рентгеновская фрактография изломов имплант-образцов
Максимальную гибкость при минимальном числе задаваемых параметров обеспечивает рекурсионная зависимость, одна из реализаций которой изображена на рис. 17 (а) (параметр процесса здесь равен 1.111111).
Так, в экологии, биофизике и экономике хорошо известна и широко применяется так называемая "логистическая" кривая (или закон "последовательности" Фейгенбаума). Она характеризуется не только тем» что функция при возрастании аргумента растет сначала по обратной степепнон, а затем по логарифмической зависимости, но и тем, что при определенном значении параметра кривой функция претерпевает "бифуркацию" - становится неоднозначной: при увеличении управляющего параметра сначала двух, затем четырехзначной, и т.д. Соответствующие состояния функции в точках перехода называются бифуркациями удвоения периода. Дальнейший рост управляющего параметра приводит к тому, что предсказать значение функции вскоре становится невозможным, хотя она по прежнему остается "детерминированной" - описывается логистическим уравнением.
Дальнейшая интерпретация и дополнительное количественное обоснование предельных параметров возможно при анализе поверхностей разрушения, а непосредственное использование логистической зависимости дано при численном моделировании в задаче связной диффузии-упругопластичности (глава IV).
Рентгеновская фрактография изломов импл ант-образцов.
С целью выявления зависимости плотности дефектов от уровня пластической деформации исследовались также цилиндрические образцы карандашного типа и типа Имплант. Цилиндрические карандашные образцы подвергались стандартному испытанию по определению характеристик деформирования на разрывной испытательной машине !!Инстрон-1251" (полученные кривые нагрузка-перемещение приведены в приложении), затем производился продольный распил образцов с применением послойного уменьшения толщины снятого слоя и наклепа, для предотвращения дополнительных пластических деформаций; после этого образцы шлифовались, полировались на стандартном оборудовании, в том числе путем электрохимической полировки в 30%-ном растворе хромового ангидрида в ортофосфорной кислоте в течение 1-2 мин (параметры электрохимического травления - ток I 0.2 А, напряжения U=12 В).
При изучении хрупких и усталостных изломов с локализацией деформации в очень тонком поверхностном слое (20-50 мкм) целесообразно использовать относительно мягкое хромовое излучение с длиной волны X = 0,2289 нмэ позволяющее получать данные о структурном состоянии в слоях толщиной 4-8 мкм (для армко-железа формирование дифракционной картины в плоскости отражения {211} происходит в слое толщиной 7.6 мкм).
Непосредственно перед съемкой исследуемая поверхность образцов обрабатывалась спиртом. Для получения эталонных образцов производился отжиг по режиму, соответствующему составу малоуглеродистой низколегированной высокопрочной конструкционной стали (использовалась сталь 14Х2ГМР и аналоги HQ-70 и HQ-80C китайского производства) - 30 минут выдержки при Т=800 С в муфельной печи и охлаждение вместе с печью в течение 6-12 часов. Пластическая деформация в сечении вычислялась по относительному сужению. Были подтверждены данные [68] о пропорциональности плотности дефектов (дислокаций) уширснию рентгеновской дифракционной линии.
Наряд} с исследованиями свариваемости сталей 14Х2ГМР (Россия) электродами BVD RP и BVD 90 (Австрия) и сталей HQ70 и HQ80C (Китай) электродами АНП-2, ЖАНП-4 российского производства изучена возможность оценки предельного состояния поверхностной дефектности при разрушении образцов Имплант с помощью методов неразрушающего рентгено-дифрактометрического анализа.
Как известно, испытания имплант-образцов являются стандартными испытаниями на сопротивляемость образованию холодных трещин при свар ке плавлением. Эти испытания широко применяются при лабораторной оценке свариваемости сталей. Согласно российскому ГОСТ 26388-84 [83] и аналогичному китайскому стандарту GB 9446-88, испытания имплант-образцов относятся к машинному методу испытаний, который предусматривает доведение металла зоны термического влияния или металла шва сварных образцов до образования холодных трещин под действием растягивающих напряжений от постоянной внешней нагрузки.
Исследование морфологии поверхностей деформации и разрушения методом сканирующей электронной микроскопии
Качественные и количественные отличия для нйдаводорожепной ст.14Х2ГМР с концентратором напряжения по сравнению с наводороженной имеют место не только на кривых инапряжснне-де4д рмацмя" (см. рис37, кривые 2 и 3) во в характере изменения поля векторов смещении. Четкой стадийности развития локализации деформация, характерной для наводорожен-яого образца, уже ве наблюдается. Процесс формирования искусственной шейки требует более высокого внешнего приложенною напряжения и проіе-&жт т более короткий промежуток времени. Тем не менее, бен учета количественных и временных отличий, механизм плести адской деформация образцов с нанесенным концентратором напряжения имеет много общего- Анализ показал, что независимо от того, наводорожен или ненаводорожен образец, наличие площадки текучести связано с развитием у головки процесса сильной локализации пластической деформации и дальнейшим распространением вдоль образца полосы Лгодерса. Таким образом, несмотря на наличие искусственного макроконцентратора в виде выреза на краю образца, на определенном этапе нагружеиия роль базового концентратора напряжения временно переходит к захватам испытательной машины.
Рассмотрим эволюцию изменения поля векторов смещений СТ.14Х2ГМР более подробно. Заметные смещения за Дг=10с фиксируются, начиная с условного предела текучести сгол=320МПа. Плотность и длина векторов смещений по мере роста внешнего приложенного напряжения постепенно увеличиваются. К моменту достижения площадки текучести в окрестности концентратора напряжения наблюдается процесс интенсивного накопления пластической деформации. Процесс формирования площадки текучести связан с существенными смещениями точек поверхности. На рис.49, а показано, что часть образца в пределах наблюдаемой площади в течение 5с практически целиком смещается вправо. В следующие 5с смещений в целом площади обзора не наблюдается (6). Затем за такой же промежуток времени опять наблюдается существенное смещение части образца, но теперь уже в противоположную сторону, т.е, влево (е). Отмеченное изменение поля векторов смещений объясняется следующим. Смещение наблюдаемой части образца в целом в правую сторону является результатом зарождения и развития локализованного очага интенсивной пластической деформации у левой головки образца. Отсутствие смещения в целом на рис,49? б можно объяснить тем, что подобный очаг пластической деформации возник уже у правой головки образца- Правомерность такого утверждения основана на факте, что при этом не прекращается интенсивный процесс развития пластической деформации образца в целом со скоростью, обеспечивающей постоянство внешней приложенного напряжения и формирование площадки текучести на кривой "напряжение-деформация". Таким образом, стадийность диаграммы нагружения (рис.37? кривая 3) обнаруживает смену носителей деформации, при этом не только за счет перехода на следующий структурный уровень, но и за счет возникновения коллективных мод деформации. Также наблюдается преодоление соответствующих потенциальных барьеров. В терминах структурно-статистической концепции иерархии дефектности может быть выражено как достижение в локальной области у концентратора напряжений критического уровня накопленных повреждений, или локального предельного состояния нижележащим уровнем дефектов; Переход деформации к коллективным модам также требует преодоление потенциального барьера, при этом меняется макроскопическая диаграмма деформирования всего образца.
Рост скорости пластической деформации по мере приближения к разрушению образца вызывает уменьшение поперечного сечения, внешнее напряжение падает, и образец разрушается поперек в результате образования трещины в зоне локализации пластической деформации - это последний потенциальный барьер, характеризуемый энергией образования свободной поверхности макроскопической трещины.
В силу особой точности при определении высот поверхности, метод сканирующей туннельной микроскопии является наиболее подходящим для количественного исследования поверхностного рельефа изломов и специально подготовленных микроструктур.
Исследования механизма водородного охрупчивапия, выполненные с применением оптической фрактографии и рентгеновской дифрактометрии (Глава II), оптико-телевизионных методов (п.3.1) показали, что наиболее вероятным механизмом замедленного разрушения сталей под действием водо рода является формирование особой иерархической структуры деформации, включающей коллективные моды на макрос-коническом уровне, вследствие увеличения ПОДВИЖНОСТИ дислокаций на . ккроуровне. Реализация отосо механизма возможна только скачкообразным продвижением ь-шкротрещины -за счет дкффушоннО Дйслокационных процессов до достижения ею критической длины, обуславливаемой иерархическим строе-шем структуры депонтов -- носителей деформации, и скачка макротрещины ЕІ неповрежденную область. Однако, в отлитие от мезо- к макроскопического уровня [2], фактических эксзеримеих; лъиых даоиых, евщіегелвствуюЕцих о скачкообразном характере продвижения субми"кромйкротрещные до последнего времени КС
Общий подход к решению краевых задач и постановка связной задачи нестационарной диффузии и упругопластичности МКЭ в вариационной постановке
С помощью методов мультифрактального анализа исследованы характерные участки полученных с помощью туннельной сканирующей микроскопии изображений поверхности деформации образцов с исходной и модифицированной водородом структурой дефектов, рассмотренных в п.3.3 (см. рис. 58-61). Для анализа выбирались наиболее характерные участки изображений поверхности деформации размером 80x80 точек (около 1 1 мкм). Так, подробно изучены участки с ярко выраженным деформационным микрорельефом: характерный участок поверхности с большим значением среднеквадратичной шероховатости, ультрамелкозернистая зона, область со ступенчатой структурой нанометрического размера и ряд других.
Для образца с модифицированной отжигом в атмосфере водорода структурой дефектов в зоне начала концентратора (у края образца) проведены расчеты по двум участкам изображений: - (а) характерная область изображения деформированной поверхности с большим значением среднеквадратичной шероховатости, (б) - участок изображения поверхности со ступенчатой структурой. Полученные параметры сравнены с расчетными данными для участка поверхности в конце концентратора (см. таблицу 3.2).
Здесь параметр D0 - хаусдорфова размерность носителя мультифракта-ла, основная характеристика мультифрактальной поверхности, не несущая, однако, информации об ее статистических свойствах. Однако по ее величине можно примерно представить вид деформированной поверхности. Так, о=2.5 обладают «юные» с геологической точки зрения горы с острыми пиками, Таким образом, поверхность с большим значением D0 имеет большую шероховатость, и наоборот, чем меньше D0, тем более рельеф поверхности является сглаженным.
Как уже говорилось в главе I, параметр D], называемый информационной размерностью, является косвенной характеристикой энтропии изучаемой поверхности. Размерность / называется корреляционной, и характеризует степень коррелированности микроструктур при скейлинге. Важный показа тель К отражает степень скрытой периодичности, - чем больше значение К, тем более регулярной является структура поверхности. Однако более точно упорядоченность структуры рассматриваемой поверхности, вернее, относительную степень ее однородности, характеризует параметр f( x ). В нашем случае этот параметр приблизительно оценен величиной/(40): чем он больше, тем однороднее структура. При этом под однородностью имеется в виду не внешний вид поверхности, а распределение ее точек в евклидовом пространстве, т.е. это статистический показатель.
Произведено сравнение характеристик мультифрактального спектра в зоне долома для образца с исходной и модифицированной отжигом в атмосфере водорода структурой. Изучены три характерных участка поверхности образца в зоне долома: 1) относительно гладкий, 2) ультрамелкозернистый и 3) со ступенчатой структурой (см. табл. 3.3).
По данным таблицы 3.3 явно видно, какой участок деформированной поверхности более шероховат - тот, которому соответствует большее значение А?, а именно, участок со ступенчатой структурой. Прочие размерности также имеют значение, большее по сравнению с «гладким» участком. Степень однородности структуры также выше для указанной области.
Аналогичные расчеты проведены для деформированного образца с исходной структурой, что позволяет провести определенный сравнительный анализ (см. таблицу 3.4).
На основе данных таблицы 3.4 видно, что шероховатость деформированной поверхности образца с исходной структурой дефектов в зоне концентратора и в области долома различается не сильно. Напротив, величина D0 в области долома для образца с модифицированной водородом структурой де-фектов на порядок выше, чем в зоне концентратора.
Количественно характеризующий разупорядоченность микроструктуры показатель К показывает, что структура необработанного водородом образца более хаотична в зоне долома, тогда как для образца с модифицированной водородом структурой, наоборот - зона долома с большой пластической деформацией более упорядочена по сравнению с областью вблизи концентратора.
Оценка степени однородности микроструктуры деформированной поверхности /(40) в случае образца, необработанного водородом, от концентратора к долому меняется незначительно. А для образца с модифицированной
водородом структурой в области концентратора однородность на порядок выше, чем в зоне долома.
То есть характер разрушения образца с исходной структурой в зоне долома более вязкий, чем в области концентратора: шероховатость возрастает от концентратора к долому, как и прочие размерности, и однородность структуры поверхности у долома снижается, а хаотичность - увеличивается.
Образец с модифицированной водородом структурой в области долома разрушается более вязко, чем образец без водорода, об этом свидетельствует скачок значения Do. Однородность структуры поверхности в зоне долома меньше, чем у концентратора, но в то же время микроструктура поверхности в зоне долома становится менее хаотичной, в ней появляется больше периодических составляющих.
Это объясняется особенностями воздействия водорода на структуру деформации дефектного поликристаллического материала. Если на субмик-роуровне водород способствует возникновению и переносу линейных дислокаций, и затрудняет размножение и транспорт винтовых дислокаций, тем самым обуславливая реализацию преимущественно деформации сдвига, то на более высоких структурных уровнях, в модели, такой эффект может быть учтён введением направленного воздействия на тензор деформации - снижение предельного напряжения пластического сдвига и повышение предела напряжения кручения.
