Введение к работе
Актуальность темы. Подавляющее большинство деталей машин и элементов промышленных металлоконструкций работает в условиях наличия макроконцентраторов напряжений. К ним относятся конструктивные и технологические отверстия, разъемные и неразъемные соединения (болтовые, заклепочные, паяные, сварные), эксплуатационные дефекты (вмятины, царапины, места коррозионного повреждения и эрозионного износа), особенности структурного состояния материала, связанные с термической или механической обработкой (прокатка, ковка, штамповка), и др. При нагружении концентраторы напряжений локализуют процессы пластической деформации и нарушения сплошности материала и, в конечном итоге, определяют прочность, надежность, долговечность и ресурс работы конструкций.
Вопросам исследования концентрации напряжений и ее влияния на работоспособность различных конструктивных элементов посвящено большое число работ отечественных и зарубежных авторов. Многолетние исследования в этой области привели к получению комплекса данных о коэффициентах концентрации напряжений, используемых для проведения расчетов на прочность и выбора рациональной формы элементов конструкций. В расчетах на прочность широко применяются результаты, полученные в теории стержней, пластин, оболочек, в теории упругости, пластичности и ползучести, в механике разрушения. Однако, в связи с существенно возросшей в последние десятилетия сложностью современных конструкций, получение вычислительными методами новых данных о роли концентраторов напряжений в нагруженных материалах связано с большими трудностями. Это обусловлено недостаточностью для расчетов интегральных механических характеристик материалов и необходимостью учета различных режимов работы элементов конструкций, реальных свойств материалов, условий нагружения, технологических, эксплуатационных и многих других факторов. Поэтому является актуальным установление новых качественных и количественных экспериментальных закономерностей и реальных механизмов поведения под нагрузкой конструкционных материалов с концентраторами напряжений, создание и развитие новых методов диагностики их состояния и прогнозирования работоспособности.
Традиционно физические механизмы пластического течения и разрушения твердых тел исследуются на микромасштабном уровне путем изучения закономерностей возникновения, движения и самоорганизации основного типа деформационных дефектов - дислокаций. Развитая на этой основе теория дислокаций позволяет объяснить многие закономерности и особенности поведения твердых тел в различных условиях нагружения. В рамках микроскопического описания поведения различного рода дефектов кристаллического строения и их ансамблей в деформируемом твердом теле теория дислокаций достигла больших успехов, однако до сих пор не удалось теоретически рассчитать макроскопические (механические) характеристики кристаллических материалов на основе микромасштабных механизмов их пяатлВч^щ^ядяйНйіЯиі разрушения. В последние годы стало очевидным, что нрпоср'ццдалжвЯЖЛгерехЬд от микро-
к макромасштабному уровню принципиально невозможен. Возникновение в деформируемом твердом теле динамических диссипативных структур обусловливает развитие качественно новых механизмов деформации мезомас-штабного уровня.
Согласно положениям физической мезомеханики материалов, деформируемое твердое тело представляет собой многоуровневую иерархически организованную систему, в которой самосогласованно развиваются процессы потери сдвиговой устойчивости материала на микро-, мезо- и макромасштабных уровнях. Пластическая деформация и разрушение материала являются двумя последовательными стадиями единого процесса эволюции сдвиговых неустой-чивостей различного масштаба, причем разрушение отражает глобальную потерю сдвиговой устойчивости твердого тела на макроуровне. На мезоуровне рассматриваются принципиально новые по отношению к дислокациям носители деформации - трехмерные структурные элементы (мезообъемы), трансля-ционно-ротационное движение которых приводит к формированию в нагруженном материале деформационных диссипативных мезоструктур. Характер последних (тип, размер элементов, кинетика образования и последующего развития) определяет механическое поведение материала под нагрузкой.
В основе системы масштабных уровней микро-, мезо- и макродеформации лежит соответствующая иерархия масштабных уровней концентраторов напряжений. Физическая мезомеханика развивает представления о фундаментальной роли концентраторов напряжений различного масштаба в формировании и эволюции зон локализованного пластического течения и разрушении материалов. По характеру эволюции мезоструктуры в процессе нагружения можно вскрыть принципиально новые фундаментальные механизмы деформации и разрушения материала, а на их основе решить прикладные задачи, связанные с оценкой механического состояния и прогнозированием ресурса работы нагруженных элементов металлоконструкций с концентраторами напряжений (включая диагностику их предельных состояний).
Целью работы является исследование на мезомасштабном уровне механизмов локализации и закономерностей стадийности пластического течения и разрушения металлических поликристаллов с макроконцентраторами напряжений, разработка на основе полученных результатов новых критериев диагностики механического состояния нагруженного материала.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
Используя оптико-телевизионный метод, исследовать мезомасштабные закономерности локализации пластической деформации и разрушения поликристаллических металлов и сплавов с макроконцентраторами напряжений различной конфигурации в условиях статического и циклического нагружения.
На основе анализа эволюции деформационных мезоструктур в процессе нагружения установить стадийность пластического течения и разрушения поликристаллов на мезоуровне.
Изучить процессы мезомасштабной фрагментации поликристаллов и устано-
вить их связь с последующим разрушением материала. 4. Разработать мезомасштабные критерии оценки механического состояния и ресурса работы нагруженных поликристаллов с макроконцентраторами напряжений, включая диагностику состояния предразрушения.
Объект и предмет исследований. Объектом исследований являются поликристаллические пластины из конструкционных сталей и сплавов с макроконцентраторами напряжений различной природы и конфигурации: локальными (отверстия в плоских пластинах), локальными с поверхностями трения (плоские пластины, соединенные внахлест жестким стержнем), протяженными (узкие области переплава), распределенными (предварительная глубокая холодная прокатка). Целью и задачами работы в качестве предмета исследований определены мезомасштабные процессы пластического течения и разрушения, протекающие в поликристаллах в условиях статического и циклического на-гружения, и их связь с механическими и структурными характеристиками материала.
Научная новизна. В работе впервые:
изучены механизмы и установлены закономерности формирования и эволюции некристаллографических деформационных мезоструктур при статическом и циклическом растяжении металлических поликристаллов с макроконцентраторами напряжений;
для широкой группы сталей и сплавов показано, что при статическом растяжении поликристаллов мезоструктуры формируются в виде одной или двух сопряженных систем квазипериодических параллельных мезополос локализованной деформации, ориентированных в направлениях максимальных касательных напряжений, либо системы мезополос, нормальных к оси нагру-жения. В условиях циклического растяжения мезоструктуры проявляются в полях векторов смещений в виде совокупности деформационных доменов с дискретными разорйентировками векторов смещений на междоменных границах;
для разных типов макроконцентраторов напряжений установлена характерная стадийность пластической деформации и усталостного разрушения на мезо-уровне, связанная с эволюцией мезоструктур, особенностями кривых течения и степенью накопления повреждений в нагруженном материале;
выявлена связь кинетики фрагментированных мезоструктур в процессе на-гружения с последующим разрушением поликристаллов;
предложены новые критерии, характеризующие механическое состояние поликристаллических материалов на мезомасштабном уровне в пределах всей продолжительности их нагружения вплоть до разрушения.
Достоверность полученных экспериментальных результатов, научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, обеспечена корректностью постановки задачи, систематическим характером экспериментальных исследований, использованием современных экспериментальных методов исследований и аппаратуры, устойчивой воспроизводимостью результатов и согласием установленных закономерностей с данными, полученными другими авторами.
Научная и практическая значимость результатов работы заключается в следующем:
изученные мезомасштабные механизмы поведения под нагрузкой поликристаллов с макроконцентраторами напряжений дают новые, более глубокие представления о процессах локализации деформации и накопления повреждений в материале, что может быть использовано для построения адекватных моделей пластического течения и разрушения таких широко распространенных технических объектов, как элементы конструкций с отверстиями, болтовые, заклепочные, сварные соединения и др.;
обоснована возможность и разработаны качественные и количественные критерии оценки механического состояния, прогнозирования ресурса работы и диагностики стадии предразрушения нагруженных элементов металлоконструкций по характеристикам деформационной мезоструктуры в окрестности макроконцентраторов напряжений, что может быть положено в основу нового метода неразрушающего контроля материалов.
Разработанные в диссертации практические критерии диагностики механического состояния и прогнозирования ресурса работы нагруженных элементов металлоконструкций прошли апробацию и использованы в рамках прикладных НИОКР:
«Fatigue testing of lap joint specimens» (contract SR56274, Biitish Aerospace (Operations) LTD, Sowerby Research Center, 1995).
«Системы диагностики и пожаротушения. Раздел 1: Комплекс аппаратуры для аттестации и диагностики газового оборудования» (договор № 24/97, ОАО «ГАЗПРОМ», 1997 - 2001 гг.).
«Исследование состояния металла корпуса регенератора поз.4 зав. №439 установки разделения воздуха А-8-1 азотно-кислородного цеха ОАО «ТНХЗ» (договор № 27/03, ОАО «Томский нефтехимический завод», 2003 г.).
Основные положения, выносимые на защиту:
Механизмы и закономерности формирования и эволюции деформационных некристаллографических полосовых и разориентированных доменных мезо-структур в металлических поликристаллах с макроконцентраторами напряжений при статическом и циклическом растяжении.
Закономерности стадийности пластического течения и накопления повреждений на мезоуровне в поликристаллах с разными типами макроконцентраторов напряжений и однозначная связь стадий с характеристиками мезо-структур.
Мезомасштабная фрагментация материала на стадии предразрушения и связь характера разрушения с особенностями развития мезоструктур (механизмами аккомодации и мезоразориентировками).
Новые качественные и количественные критерии, основанные на характерных признаках и количественных параметрах мезоструктур, позволяющие оценивать механическое состояние и ресурс работы нагруженного материала.
Связь работы с научными программами и темами. Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами государственных и отраслевых на-
учных программ: «Физические основы мезомеханики пластической деформации и разрушения и новые критерии оценки ресурса работы материалов и конструкций» (проект НИР программы ГНЦ ИФПМ СО РАН 1994 - 1995 гг.); «Мезодефекты и модели в физической мезомеханике как методологическая основа компьютерного конструирования материалов» (проект НИР программы ГНЦ ИФПМ СО РАН 1996 г.); «Закон масштабной инвариантности в физической мезомеханике пластической деформации и разрушения» (проект НИР программы ГНЦ ИФПМ СО РАН 1997 г.); ГНТП «Новые материалы» (приоритетное направление «Компьютерное конструирование материалов и технологий») 1996 - 1998 гг.; «Механика движения объемных структурных элементов на мезоуровне при пластическом деформировании твердых тел» (проект РФФИ № 96-01-00902) 1996 - 1998 гг.; «Физическая мезомеханика структурно-неоднородных сред» (основные задания к плану НИР ИФПМ СО РАН на 1995
2000 гг.); «Физические процессы на границах раздела при получении гетерогенных материалов и покрытий» (интеграционный проект СО РАН 1997 - 1999 гг.); Программа создания комплекса новых технологий и перспективных материалов для измерения и восстановления живучести оборудования ТЭС на 1996
2000 гг.; ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», подпрограмма «Новые материалы», направление «Дизайн (компьютерное конструирование) материалов и композиционные материалы» 1999 - 2001 гг.; «Разработка принципов мезомеханики поверхности и внутренних границ раздела и конструирование на их основе новых градиентных конструкционных материалов и многослойных тонкопленочных структур для электроники» (интеграционный проект СО РАН 2000 - 2002 гг.); «Основы физической мезомеханики поверхностных слоев твердых тел» (основные задания НИР ИФПМ СО РАН на 2001 - 2003 гг.).
Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих международных, всероссийских и региональных конференциях, совещаниях, симпозиумах и семинарах: III, IV и V Международных конференциях «Computer - Aided Design of Advanced Materials and Technologies» CADAMT (Томск, Россия, 1993, 1995; Байкальск, Россия, 1997); I Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (Новгород, Россия, 1994); XIV Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Самара, 1995); III и V Российско-китайских симпозиумах «Advanced Materials and Processes» (Калуга, Россия, 1995; Байкальск, Россия, 1999); Международном семинаре «Materials Instability under Mechanical Loading» (С.-Петербург, Россия, 1996); Международной конференции «Mathematical Methods in Physics, Mechanics and Mesomechanics of Fracture» Mesofracture'96 (Томск, Россия, 1996); симпозиуме «Синергетика, структура и свойства материалов, самоорганизующиеся технологии» (Москва, Россия, 1996); Международном (США - Россия) совещании «Micro- and Ме-somechanical Aspects of Materials Failure» (Томск, Россия, 1996); II Международном симпозиуме по трибофатике (Москва, Россия, 1996); Всероссийской научно-технической конференции «Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред» (Барнаул, Россия, 1996); Международной на-
учно-технической конференции «Высокие технологии в современном материаловедении» (С.-Петербург, Россия, 1997); I Международном семинаре и XXXIII семинаре «Актуальные проблемы прочности» (Новгород, Россия, 1997); Международной конференции «Surface Engineering Towards the 21sl Century» (Шанхай, Китай, 1997); XIV уральской школе металловедов-термистов (Ижевск — Екатеринбург, 1998); Международной конференции «Physical Ме-somechanics and Computer Aided Design of Advanced Materials and Technologies» (Тель-Авив, Израиль, 1998); II конференции «Материалы Сибири» (Барнаул, Россия, 1998); Международной конференции «Сварка и родственные технологии - в XXI век» (Киев, Украина, 1998); 17th National Conference on Heat Treatment with International Participation (Брно, Чехия, 1998); International Conference on Efficient Welding in Industrial Applications (Лаппеэнранта, Финляндия, 1999); XVI Межреспубликанской конференции «Численные методы решения задач теории упругости и пластичности» (Новосибирск, Россия, 1999); Международной конференции «Role of Mechanics for Development of Science and Technology» Mesomechanics'2000 (Сиань, Китай, 2000); Международном совещании «Mesomechanics: Foundations and Applications» Meso'2001 (Томск, Россия, 2001); II Международной научно-технической конференции «Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных конденсированных сред» (Барнаул, Россия, 2001); V Международном семинаре «Современные проблемы прочности» (Старая Русса, Россия, 2001); I Международной конференции «Современные проблемы машиностроения и приборостроения» (Томск, Россия, 2002).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 40 печатных работах, опубликованных в научных и научно-технических журналах, сборниках и трудах конференций, в числе которых 2 коллективные монографии.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержание изложено на 328 страницах, включая 170 рисунков, 9 таблиц и 376 наименований библиографических ссылок.
