Введение к работе
Актуальность и состояние проблемы. В последние десятилетия в целях совершенствования материалов и технологий широко используются сильно неравновесные процессы, в том числе нагружение взрывом. Применение энергии взрыва в таких технологических воздействиях, как деформационное упрочнение и послесварочная обработка, является перспективным методом повышения эксплуатационных свойств машин и металлоконструкций.
Известно, что в основе упрочнения металлов и сплавов методами предварительной деформации лежит идея о возможности управления прочностью посредством направленного и контролируемого изменения дислокационной структуры. Вместе с тем возможности традиционных методов пластической деформации весьма ограничены. Специфика взрывного упрочнения, связанная с волнообразным распространением нагрузки, высокими значениями амплитуды и кратковременностью процесса, приводит к резкому возрастанию плотности дислокаций и обогащению структуры микродефектами новых типов, то есть взрывная обработка (ВзО) позволяет управлять физико-механическими свойствами металлических материалов.
Положительный эффект послесварочной ВзО сварных соединений в основном связывают с благоприятным перераспределением остаточных сварочных напряжений при локальном пластическом деформировании материала ударными волнами.
Потенциальная эффективность метода ВзО реализована далеко не в полной мере. Это связано, главным образом, с отсутствием физически обоснованной модели, отражающей свойства материалов после нагружения взрывом и необходимой для целенаправленного воздействия на их структурное состояние. Мало исследованы особенности механического поведения обработанных взрывом металлов при последующем нагружении с традиционными скоростями. Необходимо выявление не только их механических свойств, но и изучение определяющих эти свойства элементарных процессов, лежащих в основе механизмов пластической деформации и разрушения.
В свою очередь, обоснование применения метода взрывного нагружения для обработки реальных сварных конструкций требует ответа на комплекс вопросов. Во-первых, как меняются свойства обработанных взрывом материалов (конструкционных сталей и их сварных соединений) в диапазоне климатических температур? Во-вторых, как влияет проведение взрывной обработки на неизбежно присутствующие в сварных соединениях трещиноподобные дефекты (ТПД) и, если это ремонтный шов, на поврежденный в процессе предыдущей эксплуатации основной металл вблизи шва? Наконец, возможно ли ведение эффективной ВзО в зимнее время в полевых условиях? На часть вопросов усилиями зарубежных и отечественных исследователей уже в той или иной мере получены ответы, другие остаются открытыми. Комплексный ответ на эти вопросы представляет собой научное обоснование применения технологий взрывной обработки для повышения и восстановления служебных свойств металлоконструкций.
В связи с этим диссертационная работа посвящена актуальной проблеме выявления природы прочности обработанных взрывом металлов, что является необходимой теоретической основой для решения ряда задач, возникающих при практическом использовании метода ВзО, в частности, в условиях низких климатических температур.
Работа выполнена в соответствии с планами научных работ Института физико-технических проблем Севера СО РАН: по Пост. ГКНТ № 555 от 30.10.85, Расп. АН СССР № 10103-399 от 05.03.86 г., тема 2.25.2.7 «Исследование и разработка технологических методов с целью повышения износостойкости, хладостойкости элементов конструкций в северном исполнении. Создание хладостойких, износостойких конструкционных материалов для несущих конструкций в северном исполнении», №Гос. регистрации 01.86.0075019; по теме 1.11.5.2 Программы фундаментальных исследований СО РАН, раздел 5 «Разработка методов и способов определения свойств конструкционных материалов и новых технологий для повышения прочности, надежности и долговечности машин и конструкций при одновременном снижении материалоемкости», № Гос. регистрации 01900035500; по проекту РФФИ р98арктика № 00-01-96212 «Пла-стически-деструкционные аспекты и формирование прочностных свойств при нагружении конструкционных сталей после высокоскоростной деформации ударными волнами».
Объект исследования: механическое поведение (природа прочности) металлических материалов после предварительных технологических воздействий, связанных с деформированием.
Предмет исследования: пластически-деструкционные аспекты формирования прочности конструкционных сталей и их сварных соединений после высокоскоростной деформации ударными волнами.
Цель работы - исследование взаимосвязи структуры и свойств нагруженных взрывом сталей и сварных соединений как научной основы применения технологий взрывной обработки для повышения и восстановления служебных свойств металлоконструкций, в том числе при низких климатических температурах.
Задачи:
-
Выявление механизма формирования прочностных свойств конструкционных сталей после воздействия ударных волн на основе исследования микропроцессов деформации и разрушения.
-
Исследование влияния взрывной обработки на субструктуру сварных соединений конструкционных сталей.
-
Исследование особенностей деструктивных процессов для обоснования роста сопротивления хрупкому разрушению обработанных взрывом сварных соединений конструкционных сталей, в том числе с трещиноподобными дефектами.
-
Обоснование перспективности применения взрывной обработки как метода восстановления несущей способности конструкционных сталей и сварных соединений с предварительной субструктурной поврежденностью.
5. Исследование механических характеристик стали, обработанной взрывом при низких температурах воздуха.
Методологическая идея работы состоит в изучении структурного состояния металла после взрывной обработки и характера протекания элементарных процессов пластической деформации и разрушения материала при дальнейшем воздействии эксплуатационных нагрузок; анализ ведется с позиций оценки влияния особенностей исследуемых факторов и процессов на торможение или благоприятствование развитию структурно-механической деградации материала.
Научная новизна. Проведенный комплекс исследований позволил получить следующие новые результаты в объяснении природы прочности обработанных взрывом металлов и практическом приложении метода:
выявлена делокализация микропроцессов пластической деформации в обработанной ударными волнами ферритно-перлитной стали при последующем нагружении невзрывного характера;
после обработки взрывом происходит интенсивное формирование прочностного каркаса в виде стенок мелкоячеистой, более однородной по сравнению с исходным состоянием, субструктуры;
показана существенная роль субструктурных изменений, вносимых послес-варочной взрывной обработкой, в формировании прочности сварных соединений;
- дано объяснение факта улучшения сопротивления хрупкому разрушению
конструкционных сталей и сварных соединений после взрывной обработки за счет повышения рельефности излома и уровня локальных пластических деформаций при разрушении, что обусловливает рост его энергоемкости;
материаловедчески обоснована и экспериментально подтверждена возможность нейтрализации субструктурной повреждаемости в материале и восстановления его прочности в результате взрывной обработки;
показана эффективность взрывной обработки при низких температурах воздуха.
Практическая значимость работы. Прикладным итогом работы является научное обоснование возможности использования ВзО для случаев, когда конструкция эксплуатируется при низких температурах воздуха, ее обработка проводится в холодное время года, либо конструкция уже подвергалась воздействию эксплуатационных нагрузок. Полученные результаты представляют собой научную основу для совершенствования и расширения области эффективного применения высокотехнологичного метода ВзО не только в целях повышения, но и для восстановления прочности сварных металлоконструкций при различных температурах окружающей среды.
Результаты исследований работы использованы при разработке технологии взрывной обработки, направленной на повышение эксплуатационных свойств ободьев колес большегрузных автосамосвалов, эксплуатирующихся на угольных карьерах в г. Нерюнгри, а также при разработке рекомендаций по повышению несущей способности магистральных трубопроводов Якутии на ос-
нове применения уже существующих схем взрывной обработки кольцевых сварных соединений
Достоверность полученных результатов обеспечивается системным подходом к исследованиям (рассмотрение вопросов связи структура-свойства проводится с учетом процессов постепенной деградации материала), привлечением современных, преимущественно стандартных и взаимно дополняющих друг друга экспериментально-аналитических методов и испытаний, применением оборудования, прошедшего государственную поверку; надежность проведенных исследований микронеоднородной пластической деформации определяется представительным объемом статистической выборки, расчетом методических погрешностей, совпадением данных количественного и структурного анализа.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Совокупность данных по структурно-деградационным процессам при статической деформации ферритно-перлитных сталей после взрывной обработки (делокализация микродеформаций);
-
Особенности микромеханизмов и кинетики разрушения ферритно-перлитных сталей после взрывной обработки;
-
Роль субструктурных изменений, вносимых взрывным нагружением, в повышении сопротивления хрупкому разрушению сварных соединений конструкционных сталей, в том числе с трещиноподобными дефектами;
-
Возможность применения взрывной обработки для нейтрализации субструктурной повреждаемости в конструкционных сталях, подвергнутых предварительному статическому или усталостному нагружению;
-
Расширение температурного диапазона возможности использования взрывной обработки в полевых условиях.
Публикации. Основное содержание и практические результаты исследований по теме диссертации отражены в 35 публикациях, в том числе в двух монографиях (авторской и коллективной).
Апробация работы. Основные положения работы представлены на следующих семинарах, конференциях, симпозиумах: V Сибирская научно-техническая конференция «Пути повышения эффективности сварочного производства» (Красноярск, 1982), III Всесоюзный семинар «Структура дислокаций и механические свойства металлов и сплавов» (Свердловск, 1984), Всесоюзный семинар «Роль дефектов в физико-механических свойствах твердых тел» (Барнаул, 1985), II Всесоюзная конференция «Прочность металлов и конструкций при низких температурах» (Житомир, 1986), К Международная конференция «Высокоэнергетическое воздействие на материалы» (Новосибирск, 1986), VIII Всесоюзная конференция «Сварка, резка и обработка материалов взрывом» (Минск, 1990), The 3rd International Conference on Mechanical and Physical Behaviour of Materials under Dynamic Loading DYMAT91 (Strasbourg, 1991), XIV Уральская школа металловедов-термистов (Ижевск, 1998), Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов (Москва, 1999), International Confetence «Micro- and mesomechanics aspects of material failure» — Mesomcchamcs'98 (Tel Aviv, Israel, 1998), The International Confetence
on North-East Asian Natural Gas Pipeline (Yakutsk, 1999), The Vth Russian-Chinese International Symp. «Advanced Materials and Processes» - AMP'99, (Baikalsk, Russia, 1999), General Assembly and Fourth ARAM Topical Seminar «Materials for Nontraditional System of Energy Generation, Storage and Saving» (Seoul, Korea, 2000), I и II Евразийские симпозиумы по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2002, 2004), а также научные семинары Института электросварки им. Е.О. Патона (Киев), Института гидродинамики им. М.А Лаврентьева и Специального конструкторского бюро гидроимпульсной техники СО РАН (Новосибирск).
Личный вклад автора в работу состоит в постановке целей и задач, разработке методологии исследования, интерпретации результатов и формулировке всех основных положений, определяющих ее новизну и практическую значимость. Штатная обработка взрывом стальных пластин для исследований, описанных в главах III-IV, проведена в ИГ им. МА. Лаврентьева, обработка взрывом и испытания на долговечность сварных образцов (глава VI) проведены в ИЭС им. Е.О. Патона. Все основные аналитические исследования выполнены самим автором. В ряде экспериментов, связанных с проведением механических испытаний, взрывной обработки, рентгеноструктурного анализа, участвовали сотрудники лабораторий ИФТПС СО РАН, которым автор выражает глубокую
благодарность. Особая признательность — академику |В.П. Ларионову и д.т.н.,
профессору О.И. Слепцову за постоянную поддержку и внимание.
Структура и объем диссертации. Работа изложена на 252 страницах и
состоит из введения, 7 глав с выводами, общих выводов, библиографического списка из 199 наименований, 3 приложений. Содержит 68 рисунков и 15 таблиц.
