Введение к работе
Актуальность темы. В пределах общих задач Физики и механики прочности материалов, материаловедения и технологии обработки имеются научно-технические проблемы, важность и актуальность которых, несмотря на существенный прогресс в их разработке, не уменьшается. Одна из главных таких проблем очень емко характеризуется выражением "alloy design" - проектирование сплавов, что отражает современную тенденцию разрабатывать сплавы с заданными свойствами и для определенной сферы применения.
Решение обсуждаемой проблемы мы видим в применении концептуальных подходов Физики и механики прочности в инженерном материаловедении и разработки на этой основе таких новых технологических процессов воздействия на материал, которые бы позволили максимально сблизить теоретические, расчетные и эмпирические характеристики прочности, пластичности и разрушения. В результате могли бы появиться Фундаментальные константы материала, которые в отличие от общепринятых характеристик прочности и пластичности, усредненно учитыващие свойства материала при нагружении, последовательно отражали субмикроструктурные, структурные и континуальные аспекты разрушения. При этом, если проведены исследования Физических механизмов деформации и разрушения и выработаны рекомендации по методам описания явлений, включая инженерные расчеты на прочность, на заключительном этапе должны быть даны технологические рецепты по созданию материалов с заданным уровнем Физико-механических свойств.
В основе подхода лежит описание эволюции структуры нагружаемого материала, как сложной структурно-неоднородной среды, в терминах мезомеханики, а идея работы Формулируется следующим образом - эволюция диссипатиЕных структур в поликристаллических материалах на стадии технологической обработки и эксплуатационного воздействия является формой организации и формой управления механическими свойствами, отражает понимание конструкционной прочности, как внутренней реакции материала на условия нагружения.
Объединение идей Физики.механики и технологии затруднено рядом принципиальных обстоятельств.Процесс развития пластической деформации и разрушения сопровождается массопереносом вещества сразу на нескольких структурных и масштабных взаимодействующих уровнях. Последовательное Физическое рассмотрение проблем накопления пластической деформации в процессе разрушения, адекватности механических свойств материала и изделия и прогнозирование их, упрочнение и разупрочнение при технологической обработке требует корректного учета каждого масштабного уровня и характера межуровневого взаимовлияния и взаимодействия между структурами, поскольку макроскопические свойства материала формируются на всех этапах реализации процесса массопереноса. В данном случае технология обработки материалов выступает как совокупность приемов и воздействий на определенном структурном уровне или ряде последовательных уровней,с целью Формирования механических свойств.
В последние годы возрос интерес к новым комбинированным способам термической обработки, при которых в качестве дополнительных физических факторов использованы многократные циклические тепловые воздействия. Получаемые эффекты во многом определяются наложением микропластической деформацией на структурные превращения при термической обработке. Общность подхода состоит в представлении обрабатываемого материала в виде многоуровневой иерархической диссипативной системы .Формирующей механические свойства в процессе эволюции диссипативных структур по графику термоциклической обработкистиш.
Важнейшим вопросом теории такой обработки является вопрос о мик-родеформадионных явлениях, развивающихся в металлах и сплавах при ТЦО. разработка теоретических аспектов циклического теплового воздействия позволила создать ряд новых способов комбинированной обработки, защищенных авторскими свидетельствами.
Таким образом, единая трактовка проблем упрочнения и разупрочнения поликристаллических материалов в Физике и механике прочности материалов и технологии обработки, с точки зрения создания материалов с прогнозируемыми механическими свойствами является
актуальной.
Цель работы. Экспериментальное исследование и моделирование конструкционной прочности поликристаллических материалов как явления, определяемого в нераэрьшном единстве эволюции структур на стадии технологической обработки и эксплуатационного воздействия в терминах мезомеханики на основе представления деформируемого материала многоуровневой, иерархической, диссипативной системой. Отражение полученным закономерностей на процессы упрочнения и разупрочнения конструкционных материалов при их технологической обработке с целью создания на этой основе научно обоснованных принципов направленного изменения механических свойств с помощью термоциклической обработки.
В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи:
-
Обобщение и систематизация научных исследований о принципах конструирования материалов и физических основах направленного технологического воздействия на материал с целью изменения структуры и механических свойств.
-
Установление корреляционных связей между характеристиками механических свойств конструкционных материалов и условиями испытания с целью адекватного их отображения на нормативные характеристики.
-
Экспериментальное исследование процессов пластической деформации на модельных материалах с медь МО, сталь ХівніОТ) и представление модели деформируемого материала, как многоуровневой, иерархической, диссипативной системы, которая на основе самоорганизации деформационных структур за счет возникновения трансляционно-ротационных вихрей определяет волновой характер распространения деформации по поликристаллу.
-
Компьютерное моделирование процессов пластической деформации в условиях многофакторного эксперимента на основе представления поликристаллического материала как системы с распределенными
параметрами и как точечной системы на различных стадиях деформационного упрочнения.
5. Сравнительная оценка механических свойств сталей после термоциклической и контрольной обработки по структурным данным и на основе разработанных модельных представлений в терминах мезо-механики.
Научная нпдизна- Многомасштабный характер развития пластических деформаций в поликристаллических материалах установлен на основе синергетического подхода с использованием понятия диссипа-тивной структуры и структурной устойчивости. Показано, что эволюция динамических диссипативных структур в процессе деформации сопровождается проявлением признаков развития - синхронизацией, стохастичностыо, самоорганизацией, выступающих как принципы организации механических свойств.
Процесс пластической деформации описан с помощью бифуркационных и Фазовых диаграмм, исследованы и систематизированы сценарии появления бифуркаций различной коразмерности, регулярных и хаотических аттракторов, связь их с характеристиками прочности и пластичности. Рассмотрено явление масштабной инвариантности и определено понятие представительского объема.
Разработана оригинальная методика и программное обеспечение исследования, позволяющее компьютерный расчет составляющих тензора дисторсии. параметров волнового процесса по сдвиговым и поворотным модам деформации, расчет диссипативных структур и статистических многоуровневых взаимодействий.
Деформируемый поликристаллический материал моделирован как возбудимая среда и аналитически представлен системой с распределенными параметрами при малых деформациях и как точечная система на стадии развитой пластической деформации. Установлено, что в деформируемом поликристаллическом материале развиваются трансляционные и поворотные моды деформации на трех структурных уровнях в виде спектра волн.
На основе объединения концептуальных подходов физической механики среды со структурой, инженерного материаловедения и технологии термоциклической обработки разработаны теоретические и прикладные вопросы надежности работы термообрабатываемых материалов в
условиях статического и циклического деформирования.
Методами математического планирования эксперимента исследована общность и различие режимов термоциклической обработки разных по Физической природе поликристаллических материалов: стали различного класса, титановые, алюминиевые сплавы. Экспериментальными исследованиями показано, что в основе эффекта ТЦО лежат деформационные явления,определяющие в зависимости от температурно-вре-менных параметров режима, процессы рекристаллизации или полигониз-ации, измельчение зерна,увеличение коэффициента диффузии и т.д.
Совокупность научных положений, разработанных в данной диссертации, позволила сформулировать основные принципы проектирования материала, учитывашие технологические и эксплуатационные воздействия.
научная и практичрская ценность. Исследования закономерностей развития пластических деформаций на модельных материалах могут быть использованы при конструировании материалов с заданным комплексом механических свойств. По топологической эквивалентности фазовых и бифуркационных диаграмм можно судить об адекватности процессов при различных условиях нагружения и, в конечном счете, решать задачи диагностики состояний.
Разработанные положения об аддитивном влиянии в процессе ТЦО микропластической деформации, развивающейся по схеме "сдвиг-пово-" рот", структурные превращения при термической обработке носят общий характер, в связи с чем они могут быть использованы при создании широкого круга технологических процессов обработки материалов. В качестве ресурсосберегающих технологий разработаны, защищены авторскими свидетельствами и внедрены на Киевском машиностроительном заводе им. В. Чкалова режимы термоциклической обработки сталей и титановых сплавов.
Исследования представлены в виде аккумулированных знаний -математических моделей, учитываших основные физические закономерности пластической деформации, а так же в виде фактов и принципов, отражающихся на накопленный к настоящему времени опыт проектирования технологий.
На основе положений и выводов, разработанных в диссертации, введены разделы в лекционный курс "Управление механическими свойствами машиностроительных материалов", который автор читает для студентов механико-машиностроительного факультета.
Оснпйные положения, гторпртайпенньр к запите.
-
Методология оценки конструкционной прочности поликристалличес-кик материалов, основанная на единстве и непрерывности эволюции деформационных структур на стадии технологической обработки и эксплуатационного воздействия и включающая в себя принципы Формирования механических свойств - синхронизация, стохас-тичность, самоорганизация, принцип масштабной инвариантности, понятие представительского объема.
-
Моделирование кинетики пластической деформации на мезоуровне, в результате чего устанавливается:
принципиальная возможность самозарождения и развития локализованных структур в деформируемых поликристаллах :
количественные закономерности взаимодействия структурных уровней:
связь принципов синхронизации и стохастичности.
3. Физические основы термоциклической обработки конструкционных
материалов - стали ферритно-перлитного и мартенситного клас
сов, титановые сплавы, алюминиевые сплавы, на основе представ
ления обрабатываемого материала в виде многоуровневой иерархи
ческой диссипативной системы, формирующей механические свой
ства в процессе эволюции структур по графику TU0.
Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VII Всесоюзном совещании по усталости металлов с Москва 1977г.), научно-техническом семинаре в ЛДНТП "Повышение качества,надежности и долговечности изделий и: конструкционных,жаропрочных и инструментальных сталей и сплавов' С Ленинград 1978, 1985, 1986г.), на Всесоюзном семинаре "Радиационная повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов' С Псков 1984.1986,1993г., Белгород 1995,1997г.), на Всесоюзной научно-технической конференции "Новые материалы и упрочнящие техноло-
гии на основе прогрессивный методов термической и химико-термичес-кой обработки в автомобилестроении" С Тольятти 1986г.), на Всесоюз ном семинаре " Влияние термической обработки на структурное состояние и механические свойства металлов и сплавов" С Киев 1987г.). на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Термоциклическая обработка деталей машин"СВолгоград 1981г.), на Всесоюзной конференции "Термическая обработка металлических материалов" СЛенинград 1980,1982г.) на XXIX Межреспубликанском семинаре "Актуальные проблемы прочности С Псков 1993г.),на I Международной конференции "Актуальные проблемы прочности" С Новгород 1994г.), на XXXII семинаре "Актуальные проблемы прочности"СС-Петербург 1996г.),на областных научно-практических конференциях:"Наука-производству"С Псков 1977г.), "Наука на службе повышения качества"СПсков 1979г.),"Автоматизация производственных процессов" С Псков 1981), "Механизация и автоматизация - резерв увеличения производительности труда"С Псков 1982,1985,1987,1989г.), "Актуальные вопросы образования, науки и техники" С Псков 1995г.), National scientific and technical conference "Metal science and heat treatment" 1986,Plovdiv, International workshop on new approaches to Hi-Tech Materials 97. NDTCS - 97. St-Petersburg, 1997.
публикации. По теме диссертации опубликовано 42 работы.
структура и пб'ьям лиггрртапии. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы. Общий объем составляет 362 стр., включая. 284 стр. основного текста, IQQ стр. рисунков,.71 таблиц и. 27 стр. библиографии, содержащей iQ7. наименований.