Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Представление о предельном состояние металлов, природе, проявлениях при отказах изделий в технологиях обработки и эксплуатации (состояние вопроса и предварительный анализ) 11
1.1 Определение понятий «предельное состояние», «отказ», виды и характеристики отказов и факторы, влияющие на отказы (разрушения) 11
1.2. Роль напряженного и деформированного состояния в наступлении предельного состояния металлов 18
1.2.1 Характеристики предельного состояния упругости, прочности, пластичности и энергоёмкости металлов, определяемые по диаграмме «напряжение - деформация» при одноосном растяжении 26
1.2.2. Влияние геометрии деталей, вида нагрузки (изгиб, растяжение, кручение, сжатие) и сложного напряженного состояния (трёх, двух, одноосное растяжение — сжатие) на предельные характеристики при разрушении . 28
1.2.3 Комплексные критерии для оценки предельного состояния и работоспособности металлов (твёрдость, энергоемкость, критерии механики разрушения, новые критерии разрушения синергетики) 32
1.3. Роль дефектности разного масштаба и общей повреждаемости структуры в наступлении предельного состояния и отказах материала 42
1.4. Роль релаксации внутренних напряжений в наступлении предельного состояния і 45
1.5. Экспериментально - корреляционные формулы связи! критериев работоспособности металлов (на примере предела усталости) с предельными механическими характеристиками металлов и модели разрушения 55
1.6 Уравнения, предложенные для описания закономерностей изменения предельных механических характеристик металлов с разной температурой, скоростью нагружения, напряженным состоянием металлов с различной дефектностью (повреждённостью) от четырех основных факторов 58
1.7. Анализ структурно-энергетического состояния, различных классов сталей, используемых в промышленности. 62
1.7.1. Коррозионно-стойкие ферритно-аустенитные стали (КФАС) (для промышленности) ; 62
1.7.2. Трубные стали типа 17Г1С, Х70 (для магистральных Трубопроводов); 65
1.7.3. Аустенитные стали (типа 12X18Н1 ОТ) 67
1.8. Фрактография изломов и механизмы вязкого разрушения 70
1.9. Алгоритм комплексного анализа предельных характеристик в
момент разрушения деталей 74
Выводы по главе 1 76
Цель, задачи и программа работы 80,
Глава 2 Методика выполнения исследований 83-
2.1 Выбор материалов исследования : 83
2.2 Проведение микроструктурного анализа 84
2:3. Механические испытания:..". 85
2.3.1 Определение механических свойств металлов при.растяжении ..:85 „
2.3.2 Определение, механических свойств металлов сі помощью кручения 87
2.3.3 Определение механических свойств металлов с помощью осадки при разных температурах испытаний стали 12X18Н10Т 87
2.3.4 Измерение твердости 89
2.3.5 Измерение микротвёрдости
2.4. Определениеплотностиметаллов 91
2.5. Испытания на релаксацию напряжений 92
2.6 Методика испытания сталей и сплавов на коррозионное
растрескивание под напряжением (КРН) по схеме трехточечного изгиба 94
2.7 Проведение рентгеноструктурного анализа 97
2.8 Проведение акустических испытаний 98
2.8. Г Технические данные системы «АСТРОН - И» 99
2.8.2 Аппаратно - программные средства 99
2.8.3 Методика акустических измерений: 101
2.9. Испытания-на.ударную вязкость 106
2.10 Проведение макро- и фрактографического исследований 107
2.11- Методика расчёта предельной удельной энергии (WC)H критериев разрушения синергетики . 108
2.12 Оценка точности эксперимента Г10 Выводы по главе 2. 112
Глава 3 Результаты исследований 114
3.1 Значениями диапазоны изменения предельной удельной энергии (Wc), критериев зарождения и распространения трещин- коррозионно стойких ферритно-аустенитных сталей (КФАС) 114
3.1.1 Структура КФАС 114і
3.1.2 Механические свойства КФАС 115
3.1.3 Энергоемкость КФАС и диаграмма структурно-энергетического s состояния (СЭС) 116 3.1.4 Критерии разрушения КФАС 119
3.2 Значения и диапазоны измененияпредельной удельной энергии, критериев зарождения и распространения трещин в зависимости от степени деформации, температуры, твёрдости, прочности, предельной! деформации, трубных сталей 17Г1С, 17Г1С-У, 14Г2САФ, 17Г2СФ, Х60 (Франция), Х70 (Италия, Япония) 121
3.2.1 Структура трубных сталей 17Г1 С, 17Г1С-У, 14Г2САФ; 17Г2СФ Х60,Х70 121
3.2.2 Механические свойства трубных сталей 17Г1С, 17Г1С-У, 14Г2САФ, 17Г2СФ;Х60,Х70 122
3.2.3 Энергоемкость и диаграмма структурно-энергетического состояния.трубных сталей 17Г1С, 17Г1С-У, 14Г2САФ, 17Г2СФ,Х60, Х70 в координатах «энергоемкость - относительная твердость» 128 3.2.4 Критерии разрушения трубных сталей 17Г1С, 17Г1С-У,
14Г2САФ, 17Г2СФ,Х60,Х70 132
3.3. Структура, механические свойства, диаграммы упрочнения,
энергоемкость, критерии разрушения, физические свойства
стали 12X18Н1 ОТ 135
3.3.1. Структура стали 12X18Н1 ОТ 135
3.3.2 Механические свойства и диаграммы упрочнения при растяжении и осадке стали 12X18Н1 ОТ 139
3.3.3 Измерение твёрдости и микротвердости стали 12Х18Н10Т 143
3.3.4 Предельная удельная энергия стали 12Х18Н10Т после различной термической обработки 145
3.3.5 Критерии разрушения стали 12Х18Н10Т і 145
3.3.6 Фрактографический анализ стали 12Х18Н10Т 146
3.3.7 Рентгеноструктурный анализ стали 12Х18Ш0Т 146
3.3.8 Акустические испытания стали 12Х18Н10Т 146
3.3.9 Результаты испытания на релаксацию напряжений стали 12Х18Н10Т (время и глубина релаксации) 147
3.4 Структура, механические свойства, диаграммы упрочнения, энергоемкость, критерии разрушения, физические свойства стали 10Г2ФБ 150
3.4.1. Структура стали 10Г2ФБ 150
3.4.2 Механические свойства и диаграммы упрочнения при растяжении стали 10Г2ФБ 152
3.4.3 Энергоемкость и критерии разрушения стали 10Г2ФБ 155
3.4.4. Вязкость разрушения и фрактография изломов 156
3.5 Структура, механические свойства, диаграммы упрочнения,
энергоемкость, критерии разрушения, физические свойства стали 09Г2С..160
3.5.1. Структура стали 09Г2С 160
3.5.2. Вязкость разрушения и фрактография изломов 163
3.6 Результаты испытания стали Ст. 3 на кручение и растяжение 171
3.7 Определение плотности стали 12Х18Н10Т 172
3.8 Результаты испытания на зарождение трещины модельных материалов Mi - М4 173
3.9 Расчёты критериев разрушении синергетики при микро-, макро- и предельной энергоёмкости трубных сталей (5 сталей) 174
ЗЛО Напряженное состояние тела, создаваемое твёрдостью и механическим нагружением 177
Выводы по главе 3 178
Глава 4. Обобщение представлений о поведении предельных характеристик металлов и разработка программы для прогнозирования работоспособности металлических изделий 186
4.1. Энергетический анализ предельного состояния металла при растяжении, отличающегося дефектностью, релаксационной способностью и структурным состоянием (твёрдостью) v 186 - \
4.2 Развитие методики испытание на растяжения для оценки механических свойств, предельных состояний, предельных характеристик, параметров вязкого и хрупкого разрушения и критериев разрушения синергетики для оценки работоспособности деталей машин на примере сталей в различных структурных состояниях : 187
4.3. Разработка программа для ПК «Автоматизированная система анализа поведения критериев работоспособности различных сталей» на основе системного подхода 189
4.3.1. Начало работы 189
4.3.2. Просмотр металлов 189
4.3.3. Поиск 191
4.3.4. Редактирование базы металлов 191
4.3.5. Графики зависимостей разных предельных характеристик металлов от соотношения скоростей релаксации и нагрузки (деформации) 192
4.3.6 Графики комплексов разрушения синергетики 193
4.3.7. Настройка параметров 193
4.3.7.1. Группа графиков №1... г 194
4.3.7.2. Группа графиков №2 195
4.3.8. Окно базы 196
4.4.9 Алгоритм практического использования разработанной программы для выполнения работ по анализу поведения предельных характеристик и критериев работоспособности различных сталей 196
4.4.10 Пример №1. Выбор марки стали и определение характера поведения ее предельных характеристик в зависимости от исследованных факторов 196
Выводы по главе 4 Г 198
Глава 5 Практическое применение разработанной программы для прогнозирования предельных характеристик и работоспособности металлических изделий 199
5.1 Расчет критериев разрушения трубы их стали Х70 после 20лет эксплуатации (пример 1) 199
5.2 Зависимости предельных характеристик от соотношения скоростей релаксации и нагружения при одноосном напряженном состоянии сталей 12Х21Н5Т, 20Х23Н13 и 08Х22Н6Т (входящие в КФАС) (пример 2) 200
5.3 Сравнение характера поведения предельных характеристик (чувствительности) трубных сталей марок 17Г1С, 14Г2САФ, Х70, Х60, для газо -и нефтепроводов, подверженных коррозионному растрескиванию под напряжением (пример 3) 202
5.4. Сталь 12X18Н10Т в различных состояниях (пример 4) 203
5.5 Анализ конструкции и деформации стакана колонны синтеза пентакарбонила железа после эксплуатации 206
5.5.1 Внешний (наружный) анализ конструкции 208
5.5.2 Возможность замены стали 12X18Н1 ОТ 1
5.5.2.1 Углеродистые стали 208
5.5.2.2 Явление износа внутренней поверхности стакана 208
5.5.3 Расчет устойчивости цилиндрического стакана 208
5.5.4 Определение твердости материала из различных частей (верх, середина, низ) деформированной колонны 210
5.5.5 Определение плотности стали материала деформированного стакана 211
5.5.6 Определение механических свойств стали при растяжении и изгибе 212
5.5.7 Определение структурных изменений 213
5.5.8 Анализ строения изломов образцов 213
5.5.9 Обсуждение результатов 214
5.5.10 Учёт влияния коррозии и износа на изменения работоспособности стенки 214
5.5.11. Выбор взаимозаменяемой марки стали для изготовления стакана колонны синтеза пентакарбонила железа для ОАО «Синтез» 217
5.5.11.1. Предложение по мониторингу поведения образцов различных сталей в реальных условиях эксплуатации колонны синтеза пентакарбонила железа 217
Выводы по главе 5 222
Общие выводы по работе 223
Литература
- Роль напряженного и деформированного состояния в наступлении предельного состояния металлов
- Определение механических свойств металлов при.растяжении
- Энергоемкость КФАС и диаграмма структурно-энергетического s состояния (СЭС)
- Разработка программа для ПК «Автоматизированная система анализа поведения критериев работоспособности различных сталей» на основе системного подхода
Введение к работе
Актуальность темы: Тенденции развития современного машиностроения характеризуются значительным усилением требований к живучести структур при длительной безаварийной эксплуатации как конструкций и машин в целом, так и отдельных деталей. Для успешного решения указанных проблем необходима оценка повреждаемости структуры материалов при различных напряженно-деформированных состояниях, сильно влияющих на наступление предельного состояния и снижение ресурса изделий. Наличие разной исходной технологической поврежденности структуры и развитие эксплуатационной повреждаемости на разных стадиях приводит к неопределенности в общей деградации структуры, возникновению трещин и разрушению. Ввиду локальности процесса повреждения ресурс конструкционных материалов, по существу, определяется ресурсом их опасных зон. В этих зонах имеют место быть концентраторы напряжений и сложное взаимодействие различных конкурирующих факторов (эволюция структуры, релаксация напряжений, масштаб по общему уровню слабых мест, их геометрия и т. д.). Решению этих проблем посвящены многочисленные работы С. Н. Журкова, Я. Б. Фридмана, Я. М. Потака, Н. Н. Давиденкова, У. М. Савицкого, В. И. Владимирова, В. И. Бетехтина, В. Л. Колмогорова, Ю. Н. Работнова, М. Я. Дзугутова, В. В. Рыбина, В. А. Лихачева, Л.С. Кремнева, Ю. М. Мешкова, В. М. Финкеля и многих других.
В целом к изучению предельного состояния металлов применяется системный подход, однако относительно анализа работоспособности многих специальных, коррозионностойких сталей он развит недостаточно. Примером этого служат возникающие аварии в технике. Поэтому одной из важных задач металловедения при обеспечении надежности техники является системное использование физических представлений и моделей связи процессов пластической деформации и разрушения для прогнозирования предельных характеристик металлов с использованием минимального числа факторов состояния. В ряде работ показано, что множество факторов структуры, определяющих поведение предельного состояний конструкционных материалов можно свести к четырем: 1) силовому (прочностному), связанному с уровнем межатомных связей и структурных состояний, пропорциональному твердости; 2) временному, связанному с релаксационной способностью внутренних напряжений; 3) фактору поврежденности, связанному с дефектностью кристаллического строения атомного суб-, микро-, макроструктурного масштаба; 4) энергетическому, связанному с уровнем напряженно- деформированного состояния.
Работа выполнялась по ФЦП «Интеграция» в рамках УНЦ НГТУ «Физические технологии в машиностроении» по направлению «Разработка научных основ низко- и высокоупрочняющих технологий на основе исследований закономерностей поведения структур, строения изломов и предельных характеристик металлов» в 2005 г. По ведомственной научной программе «Развитие научного потенциала высшей школы» по проекту: «Развитие эффективной системы научно-исследовательской работы и подготовки кадров на кафедре «Металловедение, термическая и пластическая обработка металлов» НГТУ и ее филиалах (НФ ИМАШ РАН, ОАО «Красная Этна», РУМО)» по этапам: этап 1 – «Развитие методики оценки и выбора состояний материалов на основе принципов управления предельным состоянием для совершенствования наукоемких технологий»; этап 2 – «Совершенствование наукоемких технологий на основе принципов синергетики и повышения предельного состояния металлов» с 2005 по 2006 г.
Целью настоящей работы является комплексная оценка закономерностей поведения предельных характеристик сталей аустенито-феритного, перлитного и аустенитного классов в различных структурных состояниях, с различной поврежденностью (плотностью) при различных напряженных состояниях и их применение для оценки работоспособности изделий и выбора улучшающих взаимозаменяемых технологий термической обработки (ТО).
Основные научные задачи работы состояли в следующем:
-
Определение понятий и критериев предельного состояния сталей и методов их оценки.
-
Выбор состояний сталей различных классов, применяемых в технике после разных видов термической обработки, обеспечивающих рабочие диапазоны изменения механических свойств. Расчеты характеристик предельного состояния, новых критериев разрушения синергетики при соответствующих исследованиях структуры, физических свойств, повреждаемости при различных напряженных состояниях, отражающих их поведение при эксплуатации изделий.
-
Систематизация основных факторов – структурно-энергетических, дефектных, временных, силовых – в одинаковых диапазонах их изменения, влияющих на поведение предельных характеристик сталей.
-
Выбор обобщающих (феноменологических) уравнений связи предельных характеристик металлов с основными параметрами состояния изделий: 1) силовым – твердостью, сопротивлением разрушению, пределом текучести; 2) дефектным – плотностью, степенью разрыхления; 3) временным – соотношением скоростей релаксации напряжений и скоростями деформации; 4) энергетическим – связанным с показателем напряженного состояния; а также разработка их закономерностей.
-
Разработка автоматизированной компьютерной программы для прогнозирования поведения предельных характеристик в зависимости от перечисленных выше факторов и алгоритма ее применения для реализации закономерностей (в виде графиков) поведения предельных характеристик сталей в определенных диапазонах изменения параметров состояния.
-
Применение программы и графиков поведения предельных характеристик для решения практических задач, определения работоспособности эксплуатируемых объектов техники и выбора улучшающих взаимозаменяемых технологий термической обработки сталей.
Программа работы включала:
1) Анализ коррозионностойких феррито-аустенитных сталей (КФАС) по литературным данным и ГОСТам, трубных сталей 17Г1С, 17Г1С-У, 09Г2С, 10Г2СФ, 14Г2САФ, 17Г2СФ, Х60 (Франция), Х70 (Италия, Япония) в различных состояниях поставки; нержавеющей стали аустенитного класса 12Х18Н10Т; стали Ст. 3. Определение их места на общей диаграмме структурно-энергетического состояния для десяти классов сталей в координатах «предельная удельная энергия деформация (энергоемкость) – твердость (абсолютная или относительная)».
2) Выбор методик для определения предельных характеристик: предела текучести, сопротивление разрушению, предельной деформации, энергоемкости, критериев зарождения и распространения трещин, времени инкубационного периода зарождения трещин, степени разрыхления, структуры и макрофрактографий изломов и т. д.
3) Использование обобщающих (феноменологических) уравнений связи предельных характеристик с основными параметрами состояния в компьютерной программе для прогнозирования их поведения и сравнения с экспериментальными данными различных сталей.
4) Разработка и апробирование компьютерной программы при оценках поведения предельных характеристик исследованных сталей.
5) Разработка алгоритма использования компьютерной программы и полученных графических закономерностей поведения предельных характеристик для решения технологических и эксплуатационных задач: а) для оценки состояния КФАС и других классов сталей после различных технологий ТО; б) для оценки работоспособностей нержавеющих сталей в колоннах синтеза пентакарбонила железа; в) выбора взаимозаменяемых технологий ТО сталей.
Объекты и предмет исследования
Объектами исследования являются специальные стали, подвергаемые процессам деформации и разрушения до предельного состояния.
Предметом исследования является поведение характеристик предельного состояния сталей.
Методы исследования
Экспериментальные: оптическая микроскопия (макро- и микроанализ) на микроскопах МБС-10, МИМ-7, растровом электронном микроскопе типа SAMSUNG SEM 515 с применением цифрового фотографирования; рентгеноструктурный анализ (ДРОН-2); измерение релаксации напряжений (оригинальная автоматизированная установка); механические испытания (УМЭ-10Т, компаратор ИЗА-2, КМ-50-1, Роквелл (ТК-2), Виккерс (Zwick), ПМТ-3, МК-30); измерение плотности (аналитические весы АДВ-200); акустические испытания (система «АСТРОН-И»); испытания на зарождение трещин при коррозии под напряжением (схема трехточечный изгиб).
Аналитические: компьютерное моделирование, подбор обобщающих уравнений для предельных характеристик, написание компьютерной программы (с использованием Access 2003), расчеты характеристик предельного состояния, расчёты точности эксперимента.
Научная новизна работы
1. Установлены закономерности поведения предельных характеристик сталей с различной исходной структурой, упрочняемостью, плотностью (поврежденностью), работающих в агрессивной среде, при различных напряжённых состояниях и нагрузках.
2. Выявлены основные факторы – временные, силовые, повреждающие, энергетические, определяющие поведение предельных характеристик сталей.
3. Установлены диапазоны изменения основных факторов состояния материала в зависимости от условий эксплуатации изделий техники.
4. Обобщены уравнения связи характеристик предельного состояния сталей с указанными факторами.
5. Разработана компьютерная программа «Автоматизированная система анализа поведения критериев работоспособности различных сталей» для прогнозирования поведения предельных характеристик сталей.
Практическая ценность работы
1. Разработан алгоритм применения компьютерной программы для моделирования и получения графиков поведения предельных характеристик конкретных марок сталей и сплавов в зависимости от чётырех факторов состояния в заданных диапазонах их изменения.
2. Установлены закономерности поведения предельных характеристик сталей 17Г1С, 14Г2САФ, 17Г2СФ, Х70, Х60, Х50, 12Х18Н10Т, и КФАС, имеющих диапазоны изменения предела текучести 190 750 МПа, сопротивление разрушению 400 1200 МПа, относительного удлинения (сужения) 10 74 (20 85) %, энергоемкости WC 200 1500 МДж/м3, синергетических критериев зарождения (распространения) трещин 0,22 6,6 (0,25 11,3 (МДж/м3)2105) в зависимости от основных факторов (временных, силовых, повреждающих, энергетических), необходимых для выбора взаимозаменяемых сталей и состояний по критериям работоспособности.
3. Установлена связь значений предельных характеристик с видом изломов исследованных сталей после разных ТО с уровнем напряженных состояний при кручении и растяжении, с величинами ударной вязкости, с временем инкубационного периода зарождения трещин, что позволяет более объективно оценивать надежность структур.
4. Проведен анализ повреждаемости, предельных деформаций и расчет устойчивости корпуса деформированного стакана (инв. № 041156) колонны синтеза пентакарбонила железа из нержавеющей стали 12Х18Н10Т и предложена сталь 10ХСНД для ее замены.
5. Приведен метод прогнозирования изменения плотности от степени деформации на примере стали 20Х20Н14С2.
6. Использован алгоритм прогнозирования предельных характеристик 250 марок сталей, имеющихся в базе компьютерной программы. База может быть расширена на любое количество марок сталей и сплавов применяемых в промышленности.
7. Предложена методика выбора взаимозаменяемых технологий термической обработки сталей, обеспечивающая заданный уровень механических свойств.
Апробация работы
Работа доложена на 10 конференциях: на IV, V, VII Международных молодежных научно-техн. конф., 2005, 2006, 2008г. – Н. Новгород. НГТУ; на Всероссийской методической конференции «Информационные технологии в учебном процессе» 6.11.2005г. – Н. Новгород. НГТУ; на Международном междисциплинарном симпозиуме «Фракталы и прикладная синергетика». Москва 14–17 ноября 2005 г. РАН ИМЕТ; на 10, 11, 12, 13 Нижегородских сессиях молодых ученых «Татинец» 2005–2008 г. Н.Новгород; доклад на научной конференции к 90-летию НГТУ октябрь 2007 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, включая свидетельство на программу для ПК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы и приложения. Содержит текст на 235 страницах, 62 таблицы, 169 рисунков (включая фотографии макро- и микроструктуры), список литературы из 100 наименований, приложения в виде акта промышленного использования результатов исследований деформированного стакана колонны синтеза пентакарбонила железа, свидетельства о регистрации компьютерной программы.
Роль напряженного и деформированного состояния в наступлении предельного состояния металлов
Недопустимые отказы связаны с нарушением технических условий производства (при изготовлении и сборке) изделий, нарушением правил и условий эксплуатации и ремонта (превышение режимов работы выше допустимых, нарушение правил регулировки, ремонта, ошибки людей и
Любые отказы являются сложными функциями многих параметров состояния материалов при работе изделий в машинах и прочих объектах техники, поэтому для выяснения причин их появления и последующего предотвращения требуется системный подход. Он позволяет установить поведения предельных характеристик материала, сравнить их с существующими подобными закономерностями других материалов и придти к новым оценкам надежности изделия. Во всех процессах присутствуют предельные величины, которые являются «граничными точками» в поведении систем. Например: .в физике -это явления в момент перехода из одного состояния энергии в другое; в физике металлов - это превращения и изменения структуры под: действием вида энергий (тепловой, химической, и т.д.) низкого или высокого уровня (лазера, плазмы, магнитных полей, электрического тока); в металловедении, термической и пластической обработке - это изменения структуры и фазового состава сплавов; в технологиях обработки изделий — это изменения формы и дефектности структур; в математике — это способы описания поведения в критических точках с помощью функций и т.д.
Основным объектом изучения металлов и сплавов в физическом и техническом металловедении является установление предельных состояний, зависящих от связи: состав (химический и фазовый) — состояние (литое, деформированное, термически упрочненное, сварное, компактное, порошковое, поврежденное, пористе и т.д.) - структура (мелко,- и крупнозернистая) - свойства (механические, физические, химические, электрические и т.д.) с работоспособностью (при рабочих нагрузках и перегрузках, при усталости, коррозионном воздействии, при изнашивании и т.д.) при эксплуатации изделий при обычных и экстремальных условиях (глубокий вакуум, низкие и высокие температуры, динамические нагрузки, агрессивные среды и т.д.) работы современной техники.
Поэтому в качестве предельных характеристик при эксплуатации изделий в первую очередь выступают значения механических свойств, такие как предел текучести, предел прочности, сопротивление разрушению, плотность, предельная деформация, энергоемкость структуры, живучесть и т.д. Они отражают роль только прямых связей нагрузки и деформации с величиной упрочнения. Однако, одновременно с упрочнением идет и разрыхление структуры, которое напрямую не оценивается и в критериях работоспособности не присутствуют. Для раскрытия этого недостатка в последние годы появились оценки кривизны трещин, искаженности кристаллической решетки, границ раздела, т.е. множеств точечных, линейных, плоскостных и объемных дефектов с помощью фрактальной размерности и предложены новые критерии механики разрушения и критерии разрушения синергетики [3,4].
В машиностроении оценка предельного состояния изделия трактуется следующим образом. Предельное состояние характеризует выход изделия из области работоспособности. Это относится как к машине в целом, так и к ее узлам, деталям и элементам. Требования к изделию с точки зрения точности функционирования, обеспечение технических характеристик, безопасности эксплуатации, влияния на окружающую среду, эффективности работы и др. оговариваются, как правило, в технических условиях. При достижении придельного состояния дальнейшая эксплуатация изделия должна быть прекращена (ГОСТ 13377-75), так как возникает потребность в ремонте или техническом обслуживании.
Как правило, конструктором назначаются допустимые пределы изменения выходных параметров только для машины в целом (мощность, точность, производительность и др.) или ее агрегатов, представляющих самостоятельные конструктивные узлы. Однако для оценки надежности сложного изделия и для обеспечения требуемых нормативно-технических показателен необходимо установить предельно допустимые значения всех тех параметров, элементов и деталей, от которых зависит работоспособность изделия в целом. Следует иметь в виду, что предельно допустимое состояние может быть установлено как по степени повреждения, износу, усталости изделия (Umax), так и по другому выходного параметра (Хтах) - прочности, деформации и т.д.
Установление Хтах является основным, так как именно изменение выходного параметра определяет область работоспособности изделия и его легче контролировать. Поскольку изменение выходных параметров изделия является следствием повреждений отдельных элементов, для восстановления работоспособности изделия надо решать вопрос, допустима ли степень повреждения отдельных элементов и какие из них требуют ремонта или замены. Поэтому наряду с назначением Хтах необходимо установить Umax Для повреждений, которые участвуют в формировании выходного параметра.
Определение механических свойств металлов при.растяжении
Типовые кривые релаксации приведены на рисунке 1.4.1. Процесс релаксации напряжений может быть представлен тремя периодами, которым соответствуют три участка релаксационной кривой.
Период I релаксации характерен резким падением напряжения в условиях затухающей скорости релаксации напряжения.
Период II релаксации напряжений, протекающий в условиях затухающей скорости, в основном удовлетворяет экспоненциальной зависимости Максвелла в полулогарифмических координатах напряжения от времени и выражается прямой линией.
Период III релаксации напряжений определяется интенсивным релаксационным разупрочнением в условиях возрастающей скорости падения напряжений, в связи с чем выпуклость кривой релаксации становится обратной по отношению к выпуклости кривой в пределах первого участка. Явление третьего периода ползучести и релаксации напряжения присуще всякому веществу, способному к вязкому течению.
В случае возникновения фазовых изменений, приводящих к сравнительно резкому изменению напряженности металла, можно наблюдать изменение угла наклона в пределах периода II релаксации напряжений (кривые 3 и 4). Если это изменение сопровождается повышением напряженности, то последующий участок Ив кривой получает вследствие уменьшения скорости релаксации напряжений меньший угол наклона по сравнению с предыдущим участком Па (криваяЗ) или даже может быть расположен горизонтально (кривая 4). Иногда наблюдаются кривые с двумя периодами участка Ив (кривая 5). В случаях медленно протекающих фазовых превращений такие кривые приобретают вид кривой 6. В условиях испытания при высоких температурах , очень больших скоростей релаксации напряжений и быстрого перехода в период III участок периода // может быть настолько коротким, что практически кривая будет состоять только из периодов / и III (кривая 7). В условиях релаксации напряжений при сравнительно очень высоких температурах период II может отсутствовать, что соответствует кривым 8 и 9 [29]. В однородных и изотропных твердых телах явление релаксации напряжений есть проявление процесса ползучести при условии постоянства суммарной деформации [29] є0 = єу +єп +єсл,+єпл = (і + сЕ)+єпл +en(t,o)+ .j 4 4. + єстр {t, а) = const где Єу — упругая деформация; єПл — пластическая мгновенная деформация, возникающая при нагружении; Єл — деформация ползучести; БСТР — деформация, вызванная изменениями структуры, сопровождающимися- , изменением объема; с — податливость системы образец — машина, позволяет учесть не только развивающиеся во времени процессы чистой ползучести, но и деформацию в результате изменений структуры ЄсТ],. Если структурные изменения вызывают уменьшение объема, то єСТР 0, если же они сопровождаются увеличением объема, то єСТР 0. При нагружении напряжениями а, меньшими предела упругости сгу, Єпл — 0. Для структурно стабильных материалов, а также для материалов, не меняющих объема при структурных изменениях, єСТР= 0 [30].
Продифференцировав условие (1.4.4) по времени, получим основное уравнение релаксации, позволяющее рассчитывать скорость процесса: 2Г Г+ + от==0" (1-4.5) Целесообразно различать макрорелаксацию напряжений (в материале, деталях), реализуемую путем макроползучести в условиях, затрудняющих изменение линейных размеров детали, и микрорелаксацию напряжений, вызванную процессами микроползучести как между элементами микроструктуры (релаксация второго рода), так и внутри их (релаксация третьего рода). Макрорелаксация напряжений в детали может быть обусловлена процессами микрорелаксации в элементах структуры.
Определенную роль играет и так называемое релаксационное разупрочнение (или упрочнение) — ускорение (или замедление) процессов релаксации в связи с разупрочнением (или упрочнением) металла в условиях ползучести под влиянием изменений структуры: выделений дополнительных количеств упрочняющей фазы, ее коагуляции, растворения и т. д.
Микрорелаксация напряжений наблюдается у плоского скопления скользящих дислокаций, у вершины трещины, образовавшейся по плоскости скола, у вершины двойника. Если трещина движется достаточно медленно, а материал не очень хрупок, то вследствие релаксации развитие трещины либо замедляется, либо вообще прекращается.
В реальных телах, помимо описанных выше процессов релаксации напряжений, наблюдаются релаксационные процессы, происходящие вследствие различных неупругих процессов. Эти процессы проявляются при напряжениях, намного меньших ат. При статическом нагружении в образце возникает деформация, которая может быть представлена в виде суммы є = є + є", где є — деформация, возникающая мгновенно во времени и определяемая упругими свойствами идеальной решетки; Б" — деформация, равновесное значение которой достигается во времени. Эту деформацию называют неупругой, квазинеупругой или дополнительной упругой деформацией. Время, необходимое для установления равновесного значения деформации, определяется процессами, происходящими внутри твердого тела под действием внешних напряжений. Природа этих процессов может быть атомной, магнитной и тепловой. Атомная перестройка — это упорядочение атомов под напряжением в твердых растворах внедрения. Время установления равновесного состояния (время релаксации) определяется частотой переходов внедренных атомов из одних позиций в другие, т. е. временем установления диффузионного равновесия.
В релаксационных процессах обычно различают модули упругости: нерелаксированный (адиабатический) Ен и релаксированный Ер, характеризующий состояние материала, деформация в котором достигла своего равновесного значения. Разницу этих модулей называют дефектом модуля А = (Ен—ЕР)/ЕН.
Если в образце создана деформация є0, то для ее поддержания надо уменьшать напряжение. Скорость этого уменьшения тем больше, чем больше напряжение отклоняется от равновесного значения то & = Цай-а), (1.4.6) где tE— время релаксации напряжений при постоянной деформации. Между дефектом модуля Л, временем релаксации тп частотой со и относительным рассеянием энергии за период колебаний 8 (внутренним трением) существует связь [31] = - - (1.4.7) Зинер теоретически рассчитал время релаксации для ряда важнейших процессов и построил релаксационный спектр металлов при 20С (рис. 1.4.2). Когда имеют место неупругие явления, были положены в основу различных механических моделей твердого тела. Модель Максвелла (рис. 1.4.3. а) состоит из последовательно соединенных элементов: упругого Е и вязкого ц (у\ = Etr), а модель Фойгта (рис. 1.4.3, б) — из параллельно соединенных элементов Enrj.
Энергоемкость КФАС и диаграмма структурно-энергетического s состояния (СЭС)
Процедура испытания. Образцы подвергали деформации сжатием. Осуществляли ступенчатое увеличение нагрузки с постоянным приращением напряжения (или деформации) на каждом шаге. После каждого шага сжатия нагружение приостанавливали на время At. Затем осуществляли следующий шаг (рис. 2.5.2а). После каждого шага сжатия при остановке нагружения наблюдается падение напряжения (рис. 2.5.2а). Это обусловлено релаксацией. Явление релаксации отражает процессы аккомодационной перестройки дефектной (дислокационной) структуры материала под действием внешних и внутренних напряжений. В ходе релаксационных испытаний на каждом шаге нагружения регистрируется максимальная величина падения напряжения, так называемая истинная глубина релаксации АСУ (или относительная Ао/сг), временная зависимость падения напряжения j(t) и другие характеристики.
Для решения практических задач удобно использовать зависимость Ао/ст - а (глубина релаксации - напряжение), которую называют кривой релаксации (рис. 2.5.26). На этой кривой выделяются критические точки (напряжения), соответствующие изменению механизмов пластической деформации.
На гладких кривых релаксации выделяли область М— область микропластической деформации, в которой глубина релаксации Ао слабо зависит от величины приложенных напряжений {Ао = const), и область Р, в которой глубина релаксации пропорциональна величине приложенных напряжений (рис. 2.5.26). На кривой Ла(а) выделяли точку сР, соответствующую концу области микропластичности ("предел микропластичности") и фиксировали глубину релаксации в этой точке Аа, а также выделяли точку а , соответствующую физическому пределу текучести материала. В области М и в области Р, анализируя кривые Aa(t), определяли коэффициент вязкости ц и коэффициент скоростной чувствительности течения т.
По кривым релаксации определили следующие механические характеристики. 1. Физический предел текучести а (МПа), определяли непосредственно из вида кривой Ло(сг). Он соответствует абсциссе точки начала линейного подъема Ао(а) при глубине релаксации не менее 60 %. 2. Предел микропластичности а0 (МПа), определяли непосредственно из вида кривой Аа(а), соответствует абсциссе точки начала подъема кривой Аа(а) при глубине релаксации не более 20 %. 3. Глубина релаксации Аа (%) при напряжении, соответствующем пределу микропластичности. Величину глубины релаксации Аа определяли непосредственно из вида кривой Аа(о). Она соответствует ординате точки предела микропластичности а . 4. Предел текучести а0,2- Величина условного предела текучести связана с величиной физического предела текучести прямо пропорциональной зависимостью и вычисляется по формуле: сг02=Ко (2.5.1) Величину коэффициента К определяли экспериментально, либо на основе специальных расчетов. Для конструкционных углеродистых сталей величина коэффициента К обычно равна: К= 1,05 [31].
Методика испытания сталей и сплавов на коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) по схеме трехточечный изгиб Данная методика позволяет определить инкубационный период (время до появления) трещины, а также склонность сталей и сплавов к КРН [10, 82]. Образцы испытывали при постоянной деформации и нагрузке. За напряжение испытания принимали наивысшее растягивающее напряжение на поверхности в начале испытания [97].
Геометрия образца. Образцы вырезаются по направлению прокатки из стали Mi, М2 и М3 длиной L=60 мм, высотой Н=2 мм, шириной В=10 мм рис. 2.6.1. Образцы подвергали механической обработке или шлифованию на глубину, достаточную (не менее 0,25 мм) для удаления исходной неоднородности, рисок на «рабочей части» образца, «рабочая часть» выбирается экспериментатором, берётся одна из прямоугольных сторон.
Для материалов, чувствительных к водородному охрупчиванию, не допускается применять химическую или электрохимическую обработку. Маркировку наносили на конце образца т.к. возможность появления трещин в результате подобной маркировки исключается. Поверхность образца обезжиривали непосредственно перед испытанием. Допускается хранение обезжиренных образцов в условиях, исключающих загрязнение или повреждение его поверхности до испытания
Разработка программа для ПК «Автоматизированная система анализа поведения критериев работоспособности различных сталей» на основе системного подхода
Гладкая кривая релаксации представлена на рисунке 3.3.9.1, где можно выделить область микропластической деформации, в которой глубина релаксации Лет слабо зависит от величины приложенных напряжений (/4o=const), точка егд , соответствует концу области микропластичности («предел микропластичности»), Лето — глубина релаксации в этой точке. Также можно выделить точку сг , соответствующую условному физическому пределу текучести (в этой области, глубина релаксации пропорциональна величине приложенных напряжений) [31]. Все перечисленные величины представлены в таблице 3.3.9.1, а кривые релаксации образцов после различной ТО на рисунках 3.3.9.1 - 3.3.9.3 [94].
Микроструктурный анализ показал, что сталь после прокатки по «контролируемому режиму» имеет ярко выраженную строчечность феррита при общем мелком зерне. Нормализация обеспечивает равномерную ферритно-перлитную структуру, строчечность полностью устраняется. Закалка с высоким отпуском приводит к формированию равномерной мелкодисперсной сорбитной структуры
Стандартные и нестандартные механические свойства стали 10Г2ФБ, полученные при испытаниях на растяжение, представлены в таблицах 3.4.2.1, 3.4.2.2; диаграммы деформационного упрочнения после различной термической обработки (нормализации и закалки с высоким отпуском) представлены на рисунках 3.4.2.1 -3.4.2.4
Кроме стандартных механических характеристик, определены величины дополнительных механических характеристик: равномерное относительное удлинение 8Р ; равномерное относительное сужение площади поперечного сечения образца у/р; показатель деформационного упрочнения п\ истинное сопротивление разрыву тк\ коэффициенты деформационного упрочнения в конце равномерной деформации Кр, Вр; поправочные коэффициенты напряженного па и деформированного щ состояний; удельная работа пластической деформации (разрушения) Ауд.
Кривые деформационного упрочнения для всех исследованных состояний даны на рис 3.4.2.3 в обычных и на рис. 3.4.2.4 в двойных логарифмических координата. Последние, имеют вид прямых, угол наклона которых равен коэффициенту деформационного упрочнении, который в свою очередь равен равномерному относительному удлинению (с точность до 10%). Эти значения подтверждены данными таблицы 3.4.2.2. Значения относительного сужения при этом несколько ниже, чем удлинение. Лишь для состояния 3 при равенстве значений коэффициента упрочнения 0,167 и равномерного удлинения 0,15 (15%) относительное сужение равно 21,0 %, что указывает на образование шейки.
Анализ представленных данных показывает: при испытаниях на растяжение стали 10Г2ФБ предел текучести изменяется от 280 до 442 МПа, предел прочности изменяется от 496 до 676; сопротивление разрушению изменяется от 1390 до 1575; относительное сужение от 72,7 до 77,1 %; относительное удлинение от 18,4 до 22,8 %. Значения показателей пластичности в зависимости от вида обработки изменяются незначительно.
