Введение к работе
Актуальность. Важным направлением в машиностроении является совершенствование методов контроля структуры, испытание, прогнозирование и определение механических свойств материалов.
В настоящее время оценку изменения структуры металлических материалов осуществляют традиционными металлографическими методами, а механических свойств - соответствующими исследованиями. Однако традиционные методы исследований не дают достаточно точную корреляцию структуры и свойств и требуют трудоемкой подготовки образцов и многочисленных испытаний в соответствии с нормативно-технической документацией. В ряде случаев просто недопустима или невозможна вырезка образцов для испытания из действующих объектов машиностроения.
Подобные испытания можно не проводить, используя методологию параметризации структур. В связи с этим перспективным направлением является установление взаимосвязи механических свойств металлических материалов с результатами параметризации цифровых изображений их микроструктуры.
Теория параметризации благодаря дополнительному математическому анализу позволяет оценивать параметры однородности и упорядоченности, характеризующие меру нарушения самоподобия и отражающие геометрическую неоднородность составляющих изображения. Алгоритм такого анализа успешно реализован в программе MFRDrom, при использовании которой определение механических свойств параметризацией структуры не требует длительной и затратной подготовки образцов и проведения испытаний. Однако вопросы параметризации структур, в том числе сварных соединений, и установления зависимости их механических свойств от результатов параметризации остаются до конца не изученными.
В связи с этим актуальную проблему представляют комплексные исследования, направленные на адаптацию методики параметризации структур для оценки механических свойств различных зон сварных соединений деталей машин, что вызывает необходимость разработки алгоритма и научно-обоснованных рекомендаций по подготовке металлографических изображений.
Степень разработанности исследуемой проблемы. Методология муль-тифрактальной параметризации структур материалов разработана и описана в трудах Б. Мандельброта, Р.Л. Хадсона, А.Г. Колмакова, Г.В. Встовского, И.Ж. Бунина, B.C. Ивановой, А.В. Вотинова, В.В. Герова, А.С. Баланкина, А.А. Оксогоева, Л.Г. Авдеевой, А.Д. Анварова и др.
Объекты исследования - сварные соединения наружных корпусов камер сгорания приводов компрессоров газоперекачивающих станций, выполненные из жаропрочной аустенитной стали 10Х11Н20Т2Р.
Предметом исследования является твердость различных зон сварного соединения, результаты параметризации металлографических изображений и расчет температурных полей.
Стадии разработки. Исследования диссертационной работы включали три основных этапа. На первом этапе устанавливались зависимости разрешения изображений, балла зерна и однородности (упорядоченности). На втором этапе анализировалось влияние дефектов подготовки и структуры на параметризацию структур. На третьем этапе устанавливались взаимосвязи между твердостью сварных соединений из аустенитной стали и параметрами однородности и упорядоченности.
Методы исследования. Основные результаты работы получены с применением методов механических испытаний, спектрального, радиографического и металлографического анализов. Получены сравнительные результаты химического состава, механических свойств и структуры, параметризации структуры и расчета температурных полей.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является повышение точности и уменьшение трудоемкости прогнозирования твердости сварных соединений деталей машин параметризацией металлографических изображений и расчетом температурных полей.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:
адаптировать метод параметризации структур для исследования микроструктуры сварных соединений, изготовленных из сталей аустенитного класса;
установить связи однородности и упорядоченности микроструктур сварного соединения с баллом зерна;
исследовать температурные поля в сварном шве и зоне термического влияния в зависимости от режимов сварки;
установить взаимосвязь параметров упорядоченности и однородности с результатами расчета тепловых полей сварных соединений;
установить взаимосвязь твердости различных зон сварных соединений из сталей аустенитного класса с результатами параметризации структур.
Научная новизна:
- впервые метод параметризации структур адаптирован к исследованию
микроструктуры сварных соединений из сталей аустенитного класса;
выявлены закономерности изменения балла зерна сварных соединений деталей машин при малых и больших разрешениях изображений структур из сталей на результаты параметризации;
установлены взаимосвязи между условиями подготовки (следы от шлифования), дефектами структуры (поры, трещины) и результатами параметризации структур;
установлены взаимосвязи между твердостью по Виккерсу и результатами параметризации сварных соединений, изготовленных из аустенитной стали.
Практическая значимость работы заключается в том, что разработана методика получения и обработки изображений микроструктур сварных соединений для прогнозирования твердости сварных соединений параметризацией структуры с использованием диаграмм упорядоченности и однородности.
По предложенным методикам возможна оценка твердости сварных соединений из сталей аустенитного класса без разрушения изделий.
Результаты исследований нашли применение при прогнозировании механических свойств деталей машиностроения на ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение», ОАО «Казанькомпрессормаш», что подтверждено актами внедрения.
Достоверность и обоснованность обеспечивается достаточным объемом проведенных экспериментальных исследований, применением комплекса методик определения механических свойств материалов, металлографического, спектрального и радиографического анализа на стандартных поверенных приборах, достаточного количества образцов.
На защиту выносятся:
результаты исследований взаимосвязи балла зерна сварных соединений с однородностью и упорядоченностью структуры при малых и больших разрешениях изображений;
результаты анализа влияния дефектов подготовки (шлифования и полирования) и структуры (трещины, поры) сварных соединений на результаты параметризации структуры;
результаты теоретических исследований влияния температурных полей на механические свойства сварных соединений;
регрессионные уравнения для прогнозирования твердости сварных соединений на основе параметризации структур;
алгоритм прогнозирования твердости.
Личный вклад соискателя заключается в адаптации методологии параметризации структур для прогнозирования механических свойств сварных соедине-
ний из сталей аустенитного класса, в проведении исследований, обработке и обобщении экспериментальных результатов .
Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены и обсуждались на конференциях: «XII-XVIII Туполевские чтения», г. Казань, 2004-2010 гг.; «XXXI Гагаринские чтения», г. Москва, 2005 г.; «VIII Королевские чтения», г. Самара, 2005 г.; «Электромеханические и внутрика-мерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», г. Казань, 2006-2007, 2010 г.; «Современные проблемы повышения эффективности сварочного производства», г. Тольятти, 2006 г.; «Современная техника и технологии», г. Томск, 2007-2008 гг.; «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики «АНТЭ-07»», г. Казань, 2007 г.; «Современные проблемы специальной технической химии», г. Казань, 2007 г.; «Камские чтения», г. Н. Челны, 2009 г.
Реализация работы. Результаты работы используются в учебном процессе в ГОУ ВПО КГТУ им. А.Н. Туполева.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, из них 2 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из списка условных обозначений, введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Содержит 130 страниц машинописного текста, 80 рисунков, 15 таблиц и библиографического списка из 132 наименований и 2 приложений.
