Введение к работе
,: 'Актуальность работы. Развитие научно-технического -ерлройресса неразрывно связано с разработкой и внедрением в машиностроение и другие смежные области высокопроизводительной техники, отличающейся малым весом и материалоемкостью, надежностью в работе. Поэтому в последнее время значительно возросли требования как к конструкционным материалам, так и к методам оценки их надежности и качества. При этом особое внимание уделяется разработке новых физически обоснованных критериев конструктивной прочности материалов, "основанных на глубоком изучении физических явлении, лежащих в основе процессов деформации и разрушения. Решение этой задачи возможно на стыке материаловедения, физики и механики разрушения, т.е. в рамках нового направления в материаловедении -- микромеханики разрушения. Такая постановка вопроса предполагает расширение наших представлений о природе процесса разрушения металлических материалов на различных масштабных уровнях, что возможно только при использовании комплекса современных физических методов исследования.
Дальнейшего развития и совершенствования требуют и методы технической экспертизы изломов (методы фрактодиагнос- тики), используемые для установления причин аварийных разрушений промышленных конструкций и деталей машин. Количество . таких разрушений в последнее время не только не уменьшается, но и возрастает. Использование идей и методов микромеханики разрушения в практике технической экспертизы неразрывно свя-' зано с внедрением новых методов локального исследования строения изломов. Одним из таких методов является рентгено-структурный анализ изломов, позволяющий определять глубину зон пластической деформации под поверхностью изломов и структурные изменения материала в данных зонах. Пластические зоны, которые образуются у вершины распространяющейся трещины, являются своего рода связующим звеном между структурой и механическими свойствами материала и отражают особенности его поведения в конкретных условиях нагружения. Поэтому они могут быть использованы для определения вида и парамотроз нагружения, локального напряженного состояния материала у вершины трещины, других характеристик разрушения. Однако
для этого требуется знание общих закономерностей образования зон пластической деформации при различных видах нагружения, . влияния структуры материала, температуры испытания и других факторов на данные закономерности. Иными словами, нужна научная основа для разработки рентгеновских методов диагностики разрушения.
Развитие рентгеноструктурного анализа изломов включает в себя три основных направления:
-
Разработку и совершенствование методики рентгеноструктурного анализа изломов: повышение точности и достоверности получаемых результатов, а также экспрессности метода.
-
Исследование общих закономерностей образования пластических зон при различных видах нагружения.
-
Использование рентгеноструктурного анализа изломов для решения конкретных задач диагностики разрушения.
Существенный вклад в становление данного метода внесли советские ученые Козлов П.М., Сапрыкин Ю.В., Ботвина Л.Р., Георгиев М.Н., Строк Л.П., а также зарубежные ученые, в первую очередь японские: Екобори Т., Танака К., Таира С. и другие.
В настоящее время накоплен большой фактический материал по каждому из вышеперечисленных направлений, требующий обобщения и дальнейшего развития.
Настоящая работа проводилась в соответствии с тематическим планом госбюджетных НИР фрунзенского политехнического института на 12 пятилетку (& гос. регистрации 01870077269) в рамках "Программы по стандартизации в области надежности, прочности, износостойкости, эксплуатации и ремонта техники на 1986...1990 годы" ВНИИНМАШ Госстандарта СССР, а также гоо-бюджетной НИР БКШ, выполняемой по заказу Министерства народного образования Республики Кыргызстан (В гос. регистрации ' 02910037448) в рамках программы "Испытания и раочеты на прочность и ресурс" на І99І...І995 годы Технического комитета по стандартизации ТК 128; частично в рамках хоздоговорных НИР между ВИАМ и ФПИ Я22/85-389 (й гос. регистрации 01850004703) и 33/87-108 (й гос. регистрации 0І87004І336).
Цель работы. I. Развитие рентгеновского анализа применительно к исследованию изломов, позволяющее""определять глуби-
ну зон пластігческой деформации под поверхностью разрушения и структурные изменения материала в данных зонах.
2. Установление общих закономерностей образования пластических зон в материалах с ОЦК- и ГЦК-решеткой при различных видах нагружения (статическом, ударном, высокоскоростном импульсном, циклическом и ударно-циклическом), обеспечивающее научную основу для разработки методов рентгеновской диагностики, оценки локального напряженного состояния материала у вершины трещины и понимания природы и механизма разрушения металлических материалов.
Основные задачи исследования. I. Изучение влияния ха
рактеристик строения изломов на ширину дифракционных линий,
анализ погрешностей определения глубины пластических зон под
поверхностью изломов, разработка способов и устройств, обес
печивающих повышение точности, достоверности и снижение тру
доемкости определєішя глубины пластических зон и структурных
изменений материала в данных зонах. »
-
Изучение влияния вида нагружения, структуры материала, температуры испытания, напряженного состояния и других факторов на количество и размеры пластических зон под поверхностью изломов и структурные изменения материала в данных зонах.
-
Разработка рентгеновских критериев локального напряженного состояния материала у вершины трещины и их экспериментальная оценка для различных видов нагружения.
-
Изучение распределения мартенентных фаз в зонах пластической деформации под поверхностью изломов аустенитных сталей, полученных при различных видах нагружения в широком диапазоне температур испытания, и влияние их на сопротивление разрушению сталей данного класса.
-
Разработка рентгеновских методов диагностики разрушения металлических материалов.
Научная новизна работы. В результате выполненных исследований установлен ряд общих закономерностей, свойственных всем исследованным видам нагружения и классам материалов:
I. Количество пластических зон, образующихся в материалах с ОЦК- и ГЦК-решеткой при различных видах нагружения, определяется-локальным напряжешшм состоянием материала у
вершиш трєщшш. При плоской деформации образуется только одна микрозона, а при плоском напряженном состоянии - две зони: спльнодефорыированная шікрозона и слабодеформирован-ная макрозона.
Предложена схема, иллюстрирующая кинетику образования у вершини третини при однократних видах нагружения в условиях плоского напряженного состояния двух зон пластической деформации.
-
Распределение мартенситных фаз в зонах пластической деформации не зависит от вида пагрукения метастабилышх аустеїштішх сталей, а определяется микромеханизмом разрушения. При вязком разрушении сталей количество JL -мартенсита остается постоянным в пределах микрозоны, а при смешанном и хрупком разрушении - непрерывно уменьшается по глубине. Во всех случаях максимальное количество об -мартенсита образуется на поверхности изломов, а > -мартенсита - под поверхностью, где пластическая деформация материала ниже, чем на поверхности.
-
Отношение максимальной глубины пластической зоны под поверхностью изломов к толщине образца (".„„,/t) может служить единым критерием локального напряженного состояшія материала у вершины трещины для всех исследованных видов нагружения. При кпи /Ь позрушение происходит в условиях плоской деформации (IU), при %.mA,lt> 10 - в условиях плоского напряженного состояния (ШІ), а при 10 <Яті,/і<Ю -- в переходной области от ПД к ПН. Проведен сравнительный анализ вышеуказанного критерия с известными критериями механики разрушения.
4. Отношение шршш дпфракциошюй линии, полученной с
поверхности излома, к ширине линии эталона (Jb/jb0) связано
с критерием a„«/t и наряду с ним может быть использовано
для оценки локального напряженного состояния при различных
видах нагружения (если разрушение не сопровождается фазовы
ми превращениями в пластических зонах).
Помимо общих закономерностей установлены частные зако
номерности, свойственные определенному виду нагружения или
классу материалов: ,
I. Высокоскоростное импульсное нагружение стальных об-
разцов приводит к общему деформационному наклепу материала. Обнаружена неоднородность деформационного наклепа в виде чередующихся областей с максимальной и минимальной искажен-ностью кристаллической структуры. Зарождение и развитие быстрых трещин происходит по областям с минимальной искажен-ностью кристаллической структуры.
-
С уменьшенном толщины образцов из литейного алши-ниевого сплава BMI5 в механизме его статігческого разрушения ' начинают домшшровать эффекты, обусловленные пористостью материала, которые проявляются в образовании на поверхности изломов в области страгивания трещины макрозоны Ск с характерным микрорельефом. Образование данной зоны приводит к резкому снижению статической трещиностойкости сплава.
-
Образование на поверхности ударных изломов аустенит-ных сталей в области страгивания трещшш зоны L и увеличение ее длины сопровождается резким повышением ударной вязкости данных сталей.
-
Влияние асимметрии цикла нагружения Й на скорость распространения усталостной трещшш и макрофрактографическив характеристики изломов сплава Діб (длину зон t& и ц , размер губ среза) зависит от схемы нагружения., в то время как пороговые значения Кт„ и дК* на границе зоны s от схемы нагружения не зависят.
-
При ударно-циклическом нагружении стальных образцов у вершины трещины образуются циклическая и монотонная зоны пластической деформации, однако в отличие от циклического ударно-циклическое"" нагрукение сопровождается общим деформационным наклепом материала образца.
Практическая ценность работы. I. Уточнены отдельные критерии, характеризующие состояние материала у верпины трещины. Показано, что пристатическом нагружении материалов о ГЦК-решеткой условие плоской деформации реализуется при Ы(Кл(<Гол)* Ъ 9« а ^Р11 Циклическом и ударно-шпслическои нагружениях - при tl(^tIC0.g)\^> независимо от исследованного класса материалов.
2. Разработаны рентгенозские метода определения: - статической трещиностойкости материала разрушившегося объекта по глубине зоны пластической деформации под по-
верхностыо изломов (а.с, М750332) или ширине дифракционной линии, полученной с поверхности излома;
- асимметрии цикла нагружения при усталостном разрушении
объекта по соотношению глубины циклической и монотонной
зон пластической деформации под поверхностью излома.
-
Показана принципиальная возможность идентификации изломов с испорченной поверхностью с использованием интегральной ширины дифракционной линии и послоішого текстурного анализа материала вблизи поверхности изломов.
-
Получка дашшйлае развитие рентгеноструктурный анализ изломов, В ч&стиостш
проведена оценка кшшня иа ширину дифракционной линии шероховатости поверхности н дефокусировки образца, а также градиентов дэформацш материала по глубине изломов и вдоль направления раалроатрмшшя трещины;
разработан опоеой аосимдатричной съемки поверхности изломов (а.с. Щ67Э315) щ>а исследовашга параметров субструктуры материала в зонах пластической деформации с помощью рентгеновских днфршггоадетров, исключающий погрешность от градиента деформации материала по глубине;
дан анализ погрешностей рентгеновского метода определения глубины пластических зон под поверхностью изломов и основных путей их снижения;
разработан ряд дополнительных приспособлений.для крепления изломов в держателе образцов дифрактометра;
разработан емкостной метод измерения толщины стравленного слоя металла с поверхности изломов (а.с. J5I20I673, 1458696), учитывающий изменение профиля излома в процессе травления;
разработаны три прибора для графического разделения К& --дублета по методу I^TgzJSrepa (а.с. К740533, 895725, 9І8ІІІ).
Вышеуказажк разработка легли в основу методических рекомендаций (B-50-5a-52-S8), изданных во ВШИВШІ Госстандарта СССР в I2&S году.
Внедрение, зсетада к Драгах разработок, а также результатов выполнена* KIT Зфкзгтазг сркарный экономический эффект 670 тыс. gyo,» Мй^даггакй соответствующими докумен
тами.
Научные положения, выносимые на защиту: I. Закономерности образования зон пластической деформации под поверхностью изломов материалов с ОЦК- и ГЦК-решеткой, полученных при различных видах нагруяения,и их связь с видом наг-руяения и напряженным состошшем материала у вершины трещшш.
-
Схема, иллюстрирующая кинетику образования двух зон пластической деформации у вершины трещины при однократных видах нагрукения в условиях плоского напрякенного состояния.
-
Экспериментальная оценка критериев локального напряженного состояния материала у вершины трещшш (ппл,/Ъ и
filfio) при различных видах нагрукения.
-
Распределение мартенситных фаз в зонах пластической деформации под поверхностью изломов ауотещгшых сталей, полученных при различных видах погружения, и их овязь о механизмом и характеристиками разрушения.
-
Некоторые частные закономерности разрушения материалов :
наличие и распределение деформационного наклепа материала образцов при высокоскоростном импульоном и удпрно-циияи-чееком видах нагруяения;
влияние зоны L , образующойоя на поверхности изломов» на значение ударной вязкости ауотонитних сталей;
связь зоны Zk , образующейся на поверхности изломов пористого материала (ВАЛІ5), с толщиной образцов и влияние данной зоны на статическую трещиностойкость сплава;
связь критических длин трещин t% , 1$. и размеров губ среза на поверхности усталостных изломов сплава Діб, о также глубины циклической и монотонной плаотичеоких зон под поверхностью изломов о аоимметрией цикла погружения,
6. Рентгеновские методы определения:
статической трещиностойкости материала разруцш&шогоая объекта по глубине пластической зоны под поворхноотьп изломов;
асимметрии цикла нагружения при уоталоотном разрушении
по соотношению глубины циклической и монотонной зон плао-тической деформации;
- вида изломов с испорченной поверхностью (идентификации
изломов).
7. Совокупность приемов рентгенографирования, а также способов и устройств, позволяющих повысить точность, достоверность и уменьшить трудоемкость рентгеноструктурного анализа изломов.
На основании выполненных автором исследований разработаны научные положения, совокупность которых является развитием перспективного направления в области материаловедения: использование рентгеноструктурного анализа изломов для изучения природы и механизма разрушения металлических материалов, оценки локального напряженного состояния у вершины трещины при различных видах нагружения и разработки методов рентгеновской диагностики разрушения.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы апробированы на девятом и десятом научно-техническом совещании по тепловой микроскопии "Структура и прочность металлических материалов в широком диапазоне температур" (Фрунзе, 1980 г., Новокузнецк, 1982 г.); семинаре "Излом и хрупкость стали и сплавов" (Киев, 1982 г.); Всесоюзном научно-практическом семинаре "Судебное автотехническое исследование разрушений деталей транспортных средств комплексом металлографических и физико-технических методов" (Фрунзе, 1982 г.); 8-м Международном конгрессе по испытанию материалов (Будапешт, Венгрия, 1982 г.); совещаниях научно-методической комиссии по стандартизации в области фрактографии, секция "Расчеты и испытания на прочность" НТС Госстандарта СССР (Москва, Фрунзе, Севастополь, 1982, 1987, 1988, 1Э90г.г); семинаре "Микромеханизмы разрушения" (Москва, 1983 г.); четвертом Всесоюзном семинаре "Структура дислокаций.и механические свойства металлов и сплавов" (Свердловск, 1987 г.); седьмом Всесоюзном совещании по взаимодействую между дислокациями и атомами примесей и свойствами сплавов (Тула,
-
г.); на региональной научно-технической конференции . Средней Азии и Казахстана "Методы и средства повышения эффективности машиностроительного производства" (Фрунзе,
-
г.); Щ-м Всесоюзном симпозиуме по механике разрушения (Еитомир, 1990 г.); 11-й Всесоюзной конференции по прикладной рентгенографии металлов (Ленинград, 1990 г.); 6-м Междуна-
родном конгрессе по механическому поведению металлов (Киото, Япония, 1991 г.); Международной конференции "Зарождение и рост трещин в металлах и керамике - роль структури и окружающей среди" (Варна, Болгария, 1991 г.).
По материалам диссертации опубликовано болое 60 работ в научных журналах и сборниках, получено 8 авторских свидетельств, депонирована монография.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованных источников и приложения- Содержит 278 страниц машинописного текста, 137 рисунков, 42 таблицы, библиографический список из 587 наименований.
