Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Обеспечение надежности и эффективности объектов машиностроения требует разработки новых и совершенствование существующих методов оценки прочности и пластичности материалов.
Важную роль в этом направлении играют методы и средства неразрушающего контроля, в том числе и акустический широко используемый в инженерной практике, начиная от традиционной дефектоскопии по обнаружению различных макродефектов - макротрещин, инородных включений и т.д. и кончая тонкими измерениями по определению структурных параметров материалов.
Актуальной задачей при эксплуатации изделий машиностроения является оценка величины пластической деформации материалов и элементов конструкций, подвергаемых статическому и усталостному нагружению. Как правило, измерение пластической деформации необходимо проводить на материалах находящихся в напряженном состоянии, так как снятие нагрузки в большинстве случаев невозможно без разрушения или демонтажа конструкций. Решение задачи измерения деформации акустическим методом позволит оценивать степень исчерпания ресурса материала на ранних стадиях усталостного нагружения, задолго до появления макротрещин, фиксировать необратимые изменения при случайном режиме нагружения в результате перехода материала в упругопластическое и пластическое состояние в отдельные временные промежутки.
Для разработки метода прецизионного измерения пластической деформации материала напряженных конструкций требуется проведение теоретических и экспериментальных исследовании влияния пластического деформирования на структурное состояние материалов и параметры распространения упругих волн, доработать измерительную аппаратуру.
Большой вклад в исследование структурного состояния сплавов и его изменение при статическом и усталостном нагружении внесли отечественные ученые В.М. Финкель, С.Н. Журков, И.А Одинг, В.И Владимиров, В.Р. Регель, Петров В.А, В.Е. Панин, B.C. Иванова, В.А Степанов, Павлов В.А. и другие а также зарубежные ученые А.Н. Cotrell, Е. Orowan, N.E. Mott, AN. Stroh, С. Ziner, P. Hirsh и другие.
Влияния структурного состояния на упругие свойства и параметры распространения упругих волн исследовали отечественные ученые Р.Л. Салганик, А.С. Вавакин, М.А Криштал, С.К Канаун, Ю.Б. Дробот, ВА Грешников, Т.Д. Шермергор и другие, а также зарубежные исследователи
рос. национальная!
'... SVtSfk
D. Alen, S.M. Sayers, M. Hirao, R.B. Thompson, R. Truell, С Elbaum, B.B. Chick, W.P. Mason. Их работы относятся к исследованию влияния дислокационной структуры, жестких упрочняющих частиц, кристаллографической текстуры, размеров зерна, микронесплошностей на параметры распространения упругих волн (скорости распространения упругих волн, затухания, дисперсии скорости и т.д.).
Фундаментальные работы в этом направлении являются основой для дальнейших исследований и создания методов неразрушающего контроля величины пластической деформации материалов конструкций, подвергаемых силовому нагружению. Особенно это относится к материалам с ярко выраженной кристаллографической текстурой, к которым принадлежат изделия проката, широко используемые в машиностроении - уголки, швеллеры, тавры, двутавры, листовые материалы, применяемые для изготовления обшивки корпусов судов, самолетов и других изделий, а также, используемые для штамповки различных деталей.
При переходе от оценки остаточной деформации к расчету ее предельного значения соответствующего потери локальной устойчивости акустических измерений недостаточно - необходимо знать характеристики упрочнения сплавов, а для материалов с существенной анизотропией - также и параметры пластической анизотропии.
Одним из перспективных методов определения механических характеристик, в том числе характеристик упрочнения металла, является метод ударного внедрения индентора. Оперативное измерение механических свойств путем вдавливания индентора дает возможность сравнительно быстро производить измерения и выявлять материалы с недостаточными прочностными характеристиками. Однако для оценки механических свойств тонколистовых материалов из-за их специфики - малой толщины и существенной неоднородности распределения этих свойств по плоскости листа - метод требует доработки. Необходимо выявление новых аналитических связей кинематических параметров внедрения индентора с характеристиками упрочнения, выработка новых технических решений для реализации разрабатываемых методов.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью диссертационной работы является разработка методов и устройств для определения текущих и предельных пластических деформаций, характеристик прочности и пластичности поликристаллических материалов на основе измерения параметров распространения упругих волн и характеристик ударного внедрения индентора.
Для реализации поставленной цели в работе были поставлены следующие задачи:
- моделирование влияния текстуры и поврежденности при пластическом
деформировании поликристаллических материалов с кубической симметрией
решетки на их упругие свойства и скорость распространения упругих волн;
- экспериментальное исследование влияния пластического деформирования на акустические параметры металлических текстурованных сплавов;
-разработка структурно-чувствительного метода прецизионного измерения величины пластической деформации металлических сплавов, находящихся в напряженном состоянии;
- разработка устройств для измерения параметров распространения упругих
волн в материалах, подвергаемых силовому нагружению; автоматизация процесса
ультразвуковых измерений;
-выявление связи характеристик упрочнения металлических сплавов с кинематическими параметрами ударного внедрения индентора;
-разработка метода определения характеристик упрочнения тонколистовых металлов путем ударного внедрения индентора, регистрации и обработки кинематических параметров его погружения;
-разработка метода и устройства для оценки механических характеристик тонколистовых текстурованных сплавов с помощью ударного внедрения индентора. Проведение экспериментальных исследований механических свойств испытуемых материалов путем ударного внедрения индентора;
-разработка алгоритма оценки предельных деформаций тонколистовых материалов на основе измерения характеристик ударного внедрения индентора и определения акустических параметров исследуемых сплавов. НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующем:
1. Разработана математическая модель связи процесса формирования текстуры
поликристаллических материалов, развития микроповрежденности при
пластическом деформировании с изменением упругих свойств и скорости
распространения ультразвука.
2. Путем экспериментальных исследований выявлено влияние пластического
деформирования на параметры распространения упругих волн и закономерности
их изменения.
-
Разработан метод прецизионного измерения величины пластической деформации материалов, находящихся в напряженном состоянии (новизна метода подтверждена авторскими свидетельствами №1663494 и №1805289).
-
Разработаны устройства для оценки акустических параметров при пластическом деформировании материалов (новизна устройств подтверждена авторскими
свидетельствами №1559279, 1633292, 1516794, 1640555, 1024824, патентом №2069841).
5. Разработан метод определения параметров упрочнения металлических сплавов
путем ударного внедрения индентора.
-
Разработан метод и устройство для оперативной оценки механических характеристик тонколистовых текстурованных материалов путем ударного внедрения индентора (новизна подтверждена патентом на способ и устройство №2415071).
-
Разработан алгоритм оценки предельных деформаций тонколистовых материалов, учитывающий неоднородность распределения механических характеристик по листу.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ Созданы метод, и устройства прецизионного измерения величины пластической деформации материалов позволяющие оценивать ее величину непосредственно на элементах конструкций, находящихся в нагруженном состоянии.
Разработан метод определения параметров упрочнения тонколистовых материалов путем ударного внедрения индентора.
Разработан и внедрен новый метод и устройство для оценки механических характеристик тонколистовых текстурованных материалов. Разработанный метод путем ударного внедрения индентора позволил осуществлять экспресс-контроль механических параметров: предела текучести, предела прочности, относительного удлинения, показателя деформационного упрочнения, твердости.
Разработан и внедрен в практику лабораторных исследований алгоритм оценки предельных деформаций тонколистовых материалов с использованием акустических измерений и измерений характеристик ударного внедрения индентора.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Разработанный метод прецизионного измерения величины пластической деформации использовался для исследовании легких сплавов (ВИЛС, г. Москва), элементов конструкции в процессе стендовых испытаний автомобиля ЛИАЗ-5556, автомобиля ЗИЛ 44-21, (НАМИ, г. Москва), силовых элементов автомобиля "ГАЗель" (ОАО'ТАЗ"). Разработанный метод оценки механических характеристик путем ударного внедрения индентора и алгоритм оценки величины предельных деформаций тонколистового металла используются для определения качества автолиста (ОАО "ГАЗ"). Разработанный метод определения механических параметров используется для оценкии прочностных характеристик труб газопроводов и нефтепроводов (ФГУП НИЛИМ).
ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ. Достоверность результатов работы обусловлена применением современных методов механических испытаний, металлографического анализа, широким использованием современных методов компьютерного моделирования, новых методов акустических исследований.
1. Математическая модель связи процесса формирования текстуры
поликристаллических материалов, развития микроповрежденности при
пластическом деформировании с изменением упругих свойств и скорости
распространения ультразвука.
2. Результаты экспериментальных исследований по выявлению закономерностей
влияния пластической деформации на акустические параметры металлических
сплавов.
-
Метод прецизионного измерения величины пластической деформации металлов, находящихся в напряженном состоянии. Устройства измерения параметров распространения упругих волн и обработки полученных данных для определения пластической деформации металлических сплавов.
-
Метод определения параметров упрочнения тонколистовых металлов путем ударного внедрения индентора, регистрации и математической обработки кинематических характеристик его погружения. Результаты исследования характеристик упрочнения тонколистовых металлических сплавов разработанным методом.
5. Метод и устройство для оценки механических параметров тонколистовых
текстурованных материалов с помощью ударного внедрения индентора.
Результаты экспериментальных исследований механических свойств испытуемых
материалов путем ударного внедрения индентора.
5. Алгоритм оценки предельных деформаций тонколистовых материалов с помощью характеристик ударного внедрения индентора и измерения акустических параметров исследуемых металлов.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы доложены на Нижегородской акустической научной сессии (Н. Новгород, 2002 г), 2-ой Научно-технической конференции «Проблемы машиноведения», посвященной 15-летию Н.Ф. ИМАШ РАН, (Н. Новгород, 2001 г.), на Международном симпозиуме ГОТАМ " Nonlinear Analysis of Fracture" (Cambridge, 1995), Всесоюзной акустической конференции (Москва, 1991), 11-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Неразрушающие физические методы и средства контроля" (Свердловск, 1990г.), на 2-ом республиканском семинаре "Прочность и формоизменение элементов
конструкций при воздействии динамических силовых полей " (Киев, 1990), Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы технической диагностики в задачах обеспечения и повышения эксплуатационной надежности судовых технических средств"(Ленинград, 1989г.), на 4-ой научно-технической конференции "Современные достижения в теории и технологии пластической деформации " (Н. Новгород, 1989), и ряде других конференций и семинаров.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 171 наименование и приложения на 5 страницах. Полный объем диссертации 228 стр., включая 109 рисунков и 17 таблиц.
ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты диссертации опубликованы в 37 научных работах, в том числе 13 статьях центральной печати и И авторских свидетельств и патентов на изобретения.
