Введение к работе
Актуальность
В настоящее время одним из приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации является энергоэффективность, энергосбережение и рациональное природоиспользование, включающее утвержденные РФ критические технологии предупреждения и ликвидации
и u t-v
чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. В связи с этим, обеспечение эффективности, надежности и безопасности объектов машиностроения авляется актуальной задачей и требует разработки новых и совершенствование существующих методов оценки прочности и долговечности металлических сплавов, особенно на ранней стадии разрушения.
В последние годы возрастает интерес к работам, относящимся к изучению структурного состояния материалов, подвергающимся пластическому деформированию и усталостному разрушению, с использованием физических методов исследования.
Особенно важными для определения структурного состояния при пластическом деформировании и усталостном разрушении являются конструкционные стали и металлические сплавы, подверженные локальному термическому воздействию, например при изготовлении сварного соединения, в зоне термического влияния (ЗТВ) которого наблюдается градиент физических и механических свойств.
Большой вклад в изучение структурного состояния и его изменения при усталостном нагружении внесли В.С. Иванова, В.Ф. Терентьев, Мухраби Х., Трощенко В.Т., Серенсен С.В. и др.
Современные представления о физике и микромеханизмах процессов разрушения металлов при развитой пластической деформации были заложены работами В.В.Рыбина, В.И. Трефилова, С.А. Фирстова и др.
Учитывая то, что процесс накопления рассеянной микроповрежденности занимает до 80% ресурса материала, актуальной задачей является оценка структурных изменений при пластическом и упругопластическом циклическом деформировании металлических сплавов на ранних стадиях разрушения задолго до образования макротрещин.
Использование современных портативных металлографических комплексов для проведения исследований на поверхности материала конструкции и ультразвуковые исследования в объёме позволяют проводить контроль состояния на отдельных участках масштабных объектов без их разрушения при одностороннем доступе к ним.
Теоретические и экспериментальные исследования связи микропластических деформаций с разрушением металла при циклическом деформировании проводились Гурьевым А.В., Гуревичем М.И., Махутовым М.А. и др. В работах Шетулова Д.И., Пачурина Г.В. и др. в качестве диагностических параметров оценки усталостного разрушения использовались характеристики полос скольжения.
Однако, исследование связи микропластических деформаций на уровне зерна с характеристиками грубых полос скольжения с целью разработки методов оценки состояния циклически деформируемых сплавов не проводилось.
Наиболее удобным в инженерном плане структурно чувствительным методом является акустический. Однако сложный комплекс структурных изменений при пластическом деформировании и усталостном разрушении не позволяет связать состояние реального поликристаллического материала с его акустическими параметрами. Тем не менее, можно выделить два основных фактора, влияющих на акустические характеристики деформируемого материала: изменение микронеоднородности структуры (накопление микропор, микротрещин, изменение дислокационной структуры, эффективных модулей упругости в локальных зонах из- за наличия микронапряжений и т. д.) и изменение кристаллографической текстуры, которое на макроуровне приводит к изменению модулей упругости, упругой анизотропии материала и, следовательно, к изменению акустической анизотропии.
В работах Гранато-Люке, Лазло А, Салганика Р.Л., Вавакина А.С. представлены модели, учитывающие влияние дислокационной структуры, размеры и концентрацию несплошностей на затухание, скорость распространения упругих волн и упругие постоянные. Характеристики кристаллографической текстуры поликристаллических материалов, в том числе текстуры деформации с помощью акустического метода определялись в работах Алена Д., Сайерса С., Хирао М. В работах Хирао М. приведено хорошее соответствие полюсных фигур полученных рентгеновским методом и полюсных фигур полученных по данным акустических измерений.
Проведение совместных металлографических и ультразвуковых исследований позволяет учесть комплекс структурных изменений как на поверхности материала, так и в его объеме, и получить более полную информацию о фактическом состоянии пластически деформируемых и подвергаемых усталостному нагружению металлических сплавов, в том числе сталей, имеющих структурную неоднородность, связанную с локальным термическим воздействием.
Цели и задачи исследования
Целью диссертационной работы является разработка методов оценки поврежденности на ранней стадии разрушения конструкционных сталей при пластическом и упругопластическом циклическом деформировании по данным металлографических и ультразвуковых исследований.
Для реализации этой цели необходимо решение следующих частных задач:
-
Проведение металлографических и ультразвуковых исследований структурного состояния широко используемых в промышленности горячекатаных конструкционных сталей 07ГБЮ, Ст3сп, 12ГС, 20, 40, 14ХГС, 15ЮТА, подвергаемых пластическому деформированию и усталостному разрушению.
-
Моделирование влияния процесса усталостного разрушения поликристаллического материала на его упругие характеристики и акустические параметры, сравнительная оценка степени влияния структурной поврежденности и кристаллографической текстуры на модули упругости и скорости распространения (СР) упругих волн (УВ).
-
Разработка метода оценки поврежденности при циклическом деформировании конструкционных низколегированных сталей на основе металлографических исследований изменения структурного состояния на ранней стадии разрушения до образования макротрещины.
-
Разработка метода оценки величины пластической деформации и поврежденности в конструкционных сталях, подверженных локальному термическому воздействию по данным ультразвуковых и металлографических исследований.
Научная новизна
-
-
Впервые с помощью численного моделирования процесса усталостного разрушения конструкционных малоуглеродистых и низколегированных сталей проведена сравнительная оценка влияния структурной поврежденности и рассеяния текстуры при малоцикловой усталости на их упругие и акустические характеристики.
-
Выявлена корреляционная связь между концентрацией грубых полос скольжения (ГПС) и величиной микропластических деформаций на уровне зерна при различных значениях амплитуды нагружения стали 15ЮТА.
-
Предложен метод оценки величины поврежденности на ранней стадии усталостного разрушения до образования макротрещины на основе измерения микропластической деформации и концентрации ГПС.
-
Экспериментально выявлено, что интенсивность изменения коэффициента Пуассона на начальном этапе усталостного нагружения, рассчитанная через соотношения скоростей распространения продольных и поперечных упругих волн для сталей 15ЮТА и 07ГБЮ имеет высокую корреляционную связь с критическим значением количества циклов, соответствующим образованию макротрещины, что предлагается использовать для прогнозирования числа циклов до разрушения.
-
Предложен метод прогнозирования величины пластической деформации и поврежденности в ЗТВ конструкционных углеродистых и низколегированных сталей 20, 40, 12ГС, 14ХГС, Ст3сп, 07ГБЮ по данным металлографических и ультразвуковых исследований.
Практическая значимость
1. На основе проведенных металлографических и ультразвуковых исследований процесса разрушения конструкционных сталей, в том числе сварных соединений разработан метод оценки величины пластической деформации металлических сплавов, имеющих сильную структурную неоднородность, связанную с локальным термическим воздействием. Данный метод был использован в ООО «Газпром газнадзор» при проведении диагностических работ на магистральных газопроводах, где показал свою эффективность и внес вклад в экономию затрат.
-
-
-
Разработанная оригинальная методика цифровой обработки изображений микроструктуры дает возможность проводить визуализацию структурных изменений при усталостном нагружении поликристаллических материалов. Предложенный подход был использован при создании анимации процесса усталостного разрушения стали 15ЮТА. Демонстрационный материал применяется в учебных целях на кафедрах "Динамика, прочность машин и сопротивление материалов" и "Производственная безопасность и экология" Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева.
-
Разработан метод, позволяющий прогнозировать число циклов до появления макротрещины, заключающийся в измерении акустическим методом на начальном этапе усталостного нагружения интенсивности изменения коэффициента Пуассона.
-
Разработанный метод оценки величины поврежденности при усталостном нагружении на основе измерения микропластических деформаций и концентрации ГПС может быть использован для определения текущего состояния элементов конструкций и деталей машин при их усталостном повреждении.
-
Предложенное совместное использование портативных металлографических комплексов и ультразвуковых приборов позволяет значительно расширить возможности физических методов исследования структурного состояния материала конструкций.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
-
-
-
Закономерности влияния пластической и циклической деформации на акустические параметры сталей 15ЮТА, 20, 40, 12ГС, 14ХГС, СтЗсп, 07ГБЮ.
-
Математическая модель процесса усталостного разрушения для сравнительной оценки влияния структурной поврежденности и изменения кристаллографической текстуры при малоцикловой усталости на упругие и акустические характеристики поликристаллического материала.
-
Метод оценки величины поврежденности при усталостном нагружении на основе измерения микропластических деформаций и концентрации ГПС.
-
Метод прогнозирования числа циклов до появления макротрещины с помощью измерения интенсивности изменения на начальном этапе усталостного нагружения коэффициента Пуассона, определяемого акустическим методом.
-
Неразрушающий метод оценки величины пластической деформации и поврежденности металлических сплавов, имеющих сильную структурную неоднородность, связанную с локальным термическим воздействием.
Личный вклад автора состоит в выборе научно-технического направления исследований, постановке задач исследования, анализе литературных источников, проведении экспериментов и интерпретации полученных результатов, разработке математической модели и проведении численного моделирования процесса усталостного разрушения, разработке методов оценки величины пластической деформации и усталостной поврежденности по данным акустических и металлографических исследований, разработке оригинальной методики цифровой обработки изображений микроструктуры.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением современных методов исследования структуры и свойств, подвергаемых разрушению конструкционных сталей, подтверждена значительным объемом экспериментальных данных, промышленным апробированием, натурными и модельными испытаниями, апробацией полученных результатов на научно-технических конференциях различного уровня.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на 7-ом Международном Симпозиуме по НК в гражданском строительстве «NDTCE'09» 30 июня - 3 июля 2009 г., Франция, г.Нант; 18-й Всероссийской конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и техническая диагностика» 29 сентября - 3 октября 2008 г., г. Н.Новгород; Х Всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, г. Нижний Новгород, 24-30 августа 2011 г.; XIX Всероссийской научно-технической конференции по неразрушающему контролю и технической диагностике, г. Самара, 6-8 сентября 2011 г.; XXIII Международной инновационно-ориентированной конференции молодых учёных и студентов (МИКМУС-2011), г.Москва, 14-17 декабря 2011 г.; ежегодных Нижегородских сессиях молодых учёных (технические науки) 2008-2011 гг..
Публикации
По теме диссертации опубликовано 32 печатных работы, в том числе 5 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 176 страниц, диссертация содержит 103 рисунка, 6 таблиц, 71 формулу. Список цитируемой литературы включает 130 наименований. В приложении представлены блок-схема математической модели, копии актов внедрения и свидетельства регистрации программы для ЭВМ.
Похожие диссертации на Разработка методов оценки поврежденности конструкционных сталей при пластическом и упругопластическом циклическом деформировании
-
-
-
-
-
-
