Введение к работе
Актуальность темы. Общие тенденции внедрения новых технологий и материалов, повышение эксплуатационных характеристик інделігіі при chiiaxhiiii материалоемкости новой техники ужесточают требования к надежности в условиях длительной эксплуатации. В данной работе исследуется усталостное поведение порошковых материалов на основе железа. Структура mix материалов является неоднородной в связи с пористостью, микротрещннами. инородными включениями и различными фазовыми состояниями системы железо-углерод. Неоднородность оказывает существенное влияние на усталостные характеристики. Поэтому при внедрении порошковых композитов проблема прогнозирования ресурса изделий при действии вибрационных и циклических нагрузок становится особенно актуальной.
Изучение механического поведения однородных материалов при циклическом нагружении проводится довольно давно, успехи в ной области связаны с работами Вейбулла В.. Одинга И.А., Ивановой B.C., Трощенко В.Т.. Г.тадков-ского В.А., Вассермана В.Н., Рагозина Ю.И., Коврова В.Н.. В области изучения усталоегных свойств макрооднородных порошковых материалов следует отметить работы Сонсино К.М., Тадатоши X., Эйлона Д., Сарбааіа Р.И., Фнрсто-ва С.А.. Подходы к описанию реальной микронеоднородности, а также структурных аспектов процесса усталостного разрушения композитных сред предложены в работах Болотина В.В., Тамужа В.П., Милейко СТ., Соколкнна Ю.В., Шесгакова П.Д., Розена Б.В., Хванга В.. Однако, проблема изучения и адекватного моделирования процессов усталостного деформирования и разрушения порошковых композитов попрежнему остается острой.
Цель работы. Разработка и применение математической модели усталостного деформирования и разрушения неоднородных тел и экспериментальной методики исследования усталостных свойств порошковых макроизогропных материалов, в том числе при прогнозировании долговечности н усталостном прочности новых материалов и изделий из них.
Научная новизна:
- впервые сформулирована связанная краевая задача механики микронеоднородных сред для прогнозирования усталостных свойств порошковых макро-
изотропных материалов, в которой вид тензорных функиий повреждаемости связан с интенсивностями переходных вероятностей, определяющих работоспособность структурных элементов при циклическом нагружении;
предложена численная реализация модели деформирования и разрушения порошковых структурно неоднородных махроизотропных материалов при усталостном нагружении ка основе метода конечного элемента;
впервые экспериментально исследованы усталостные свойства порошковых структурно неоднородных материалов при использовании двух независимых видов циклических испытаний;
исследована усталостная прочность порошковых материалов на основе железа (порошковое пористое железо ОС.Ч.б-2, порошковые стали ПК-100Н4М и ПК-50Н4М), для этих материалов построены вероятностные усталостные кривые, обнаружены особенности деформирования и разрушения при циклическом нагружении: немонотонная зависимость предельной деформации порошкового пористого железа от пористости и множественность типов разрушения;
разработана методика прогнозирования усталостных свойств порошковых структурно неоднородных материалов, проведено сопоставление расчетных усталостных характеристик порошковой низколегированной стали ПК-50Н4М с данными прямого эксперимента.
Достоверность результатов основана на использовании общепризнанных моделей и методов механики деформируемого твердого тела, механики композиционных материалов и методов экспериментальных исследований, а также подтверждена совпадением результатов численного решения краевых задач ми-кромеханнки и экспериментального исследования усталостных свойств порошковых материалов.
Практическая ценность. Разработанная методика позволяет проводить анализ долговечности и усталостной прочности изделий из порошковых структурно неоднородных материалов при различных схемах нагружения, определять эффективные усталостные характеристики материалов, прогнозировать усталостные свойства порошкового макроизотропного композита на стадии его проектирования если известны усталостные характеристики на микроструктурном уровне, определять усталостные свойства элементов структуры по данным циклических испытаний макрообразцов и микроструктурного анализа.
Практическую ценность представляют экспериментальные исследования усталостных свойств перспективных порошковых сталей, а также данные по влиянию неоднородностей в виде пористости и зон с различным фазовым состоянием системы железо-углерод на долговечность и усталостную прочность порошковых материалов на основе железа.
Основная часть работы выполнялась в рамках исследовательского проекта Российского Фонда Фундаментальных Исследований № 95-01-00203, грантов Госкомвуза РФ по фундаментальным проблемам металлургии 1994 и 1996 гг., межвузовской научно-технической программы "Поисковые и прикладные исследования высшей школы в приоритетных направлениях науки и техники" по направлению "Функциональные порошковые материалы".
Апробация работы. Материалы диссертационной работы были представлены на научно-технических конференциях "Математическое моделирование систем и процессов" (Пермь, 1993,1994 и 199S гг.); Международной конференции "Колебания и волны в экологии, технологических процессах и диагностике" (Минск, 1993 г.); школе-конференции "Современные проблемы механики и математической физики" (Воронеж, 1994 г.); X зимней школе по механике сплошных сред (Пермь, I99S г.); VII Международной конференции по механическому поведению материалов (Гаага, I99S г.); VI Международном конгрессе по усталости (Берлин, 1996 г.); научном семинаре Республиканского инженерно-технического центра порошковой металлургии (научный руководитель - член-корреспондент РАН Анциферов В.Н., 1993-96 гг.); научном семинаре кафедры механики композиционных материалов и конструкций Пермского государственного технического университета (научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор Соколкин Ю.В., 1992-96 гг.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 14 научных работ, в автореферате приведены 10 основных публикаций.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержит ^страниц машинописного текста, с?рисунков и /^таблиц. Общий объем диссертации со-ставляет/ІЙ страниц, библиография насчитывает /'^наименований.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность профессору Соколкину Ю.В. как научному руководителю работы, член-корреспонденту
РАН Анциферову В.Н. за внимание к работе и поддержку исследований, сотрудникам Республиканского инженерно-технического центра порошковой металлургии Масленникову Н.Н., Шацову А.А., Смышляевой Т.В., Оглез-невой С.А. и сотрудникам кафедры Механики композиционных материалов и конструкций ПермГТУ Чекалкину А.А., Котову А.Г. за помощь в проведении исследований.