автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Оценка структурной повреждаемости и прогнозирование живучести при циклическом изгибе металлических материалов с учетом термической и пластической обработки

нижегородский государственный технический университет

РГ6 од

2 2 ИЮН ЯРГ

на правах рукописи

Гусляков Дмитрий Сергеевич

ОЦЕНКА СТРУКТУРНОЙ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЖИВУЧЕСТИ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ ИЗГИБЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С УЧЕТОМ ТЕРМИЧЕСКОЙ И ПЛАСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.16.01 металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород, 1998 г.

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Воробьев И. А.

Официальные оппоненты: член-корреспондент АТН РФ,

доктор технических наук, профессор Сорокин В.М. кандидат технических наук, доцент Гришин В.А.

Ведущее предприятие - ОАО "ГАЗ", г. Н.Новгород

Защита диссертации состоится Я9 июил 1998 г. в /5 ч на заседании диссертационного совета Д.063.85.08. при Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, Н.Новгород, ул. Минина, 24, корпус 1, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета.

Автореферат разослан

1998 г. \

> }-

Ученый секретарь диссертационного совета V

.и

кандидат технических наук, доцент В.А.Васильев

*\ С >

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы

Работоспособность инженерных конструкций характеризуется предельным состоянием материала в условиях эксплуатации, оцениваемым либо потерей несущей способности, либо появлением чрезмерных деформаций, либо накоплением повреждений и интенсивностью их развития, что особенно важно для ответственных изделий.

Для решения проблемы повышения точности прогноза поведения материала при действии циклических нагрузок, связанной с актуальными вопросами экономии и рационального использования различных металлов и сплавов, оптимизации режимов технологической обработки и увеличения долговечности и надежности изделий, необходимо подробное изучение механизмов и кинетики процесса усталостного разрушения при различных условиях нагружения.

Однако, систематизированные данные по данному вопросу, особенно с учетом структуры металлических материалов, предварительной обработки, температуры и амплитуды воздействия по одной и той же схеме нагружения, фактически отсутствуют.

Вследствие этого, количество и локализация полос скольжения и субмикротрещин, траектория их развития (границы зерен и субзерен, двойников, включений, фаз и т.д.) и механизмы формирования магистральной макротрещины в различных металлах и сплавах оказываются не прогнозируемыми.

Кроме того, наличие различных типов трещинообразования и непредсказуемость траектории развития трещины, затрудняют ее регистрацию, обусловливают сложность и низкую точность количественной оценки живучести и долговечности материала существующими методами.

Вычисление энтальпии активации атомных механизмов, контролирующих процесс накопления повреждений при | усталости, по

предлагаемым в литературе схемам, требует выполнения трудоемких многочисленных экспериментов при разных температурах и амплитудах нагружения.

Необходимость и ,актуальность решения поставленных вопросов определяет цели исследований в диссертации:

Цель работы:

-Изучить кинетику структурной повреждаемости при циклическом изгибе металлических материалов после разных режимов термической и пластической обработки;

-Исследовать закономерности влияния температуры и амплитуды цикла на повреждаемость микроструктуры сталей и цветных металлов с учетом их обработки.

-Изучить закономерности изменения долговечности развития усталостных трещин (живучести) металлических материалов в зависимости от обработки, температуры в интервале от 0,06 до 0,6 ТП1,К и амплитуды нагружения при циклическом изгибе.

-Разработать методику прогнозирования долговечности до образования магистральной трещины (живучести) металлов и сплавов с учетом их обработки и условий нагружения при циклическом изгибе.

-Разработать методику оценки энергии активации процесса усталости металлических материалов при разных температурах в условиях циклического изгиба.

Научная новизна работы.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней получены:

-аналитические зависимости для оценки живучести и повреждаемости при циклическом изгибе металлических материалов с учетом их структурного состояния, температуры и амплитуды нагружения, связывающие относительный прогиб и долговечность образцов с энтальпией активации процесса усталости;

ч

-зависимости, аппроксимируемые уравнениями, относительной величины прогиба образцов от их долговечности до появления магистральной трещины критической длины (живучести) для материалов с различной структурой и повреждаемостью после различных видов обработки в области температуры испытаний от 0,06 до 0,6 Т,Г1,К;

-зависимости, аппроксимируемые уравнениями, параметров живучести и повреждаемости микроструктуры металлов и сплавов при усталости в зависимости от их способности к деформационному упрочнению в термообработанном состоянии при статическом нагружении;

-разработана методика вычисления энтальпий активации с целью идентификации физических механизмов процесса разрушения металлических материалов при разных температурах и амплитудах знакопеременного изгиба;

-разработаны практические рекомендации по полученных результатов в производстве.

Практическая ценность работы.

Разработанные на основе установленных в работе зависимостей и уравнений по оценке работоспособности металлических материалов при циклическом изгибе практические рекомендации позволяют:

-определить долговечность металлических материалов и конструкционных элементов;

-сократить трудоемкость и энергозатраты при проведении поисковых, проектных и ремонтных работ;

-оценить стабильность жесткости деталей при усталости с учетом технологической обработки, температуры и спектра циклического нагружения; -сократить расход и оптимизировать выбор материала; Акты использования результатов в производцтве прилагаются. Экономический эффект от внедрения составляет, в ценах 1998 года, 100 тыс., рублей (ТОО "КОТРОКО", г. Самара) и 95 тыс. рублей (ОАО "СУДОТЕХНИКА", г. Н.Новгород). . ... . ;

■ ■: Основные положения, представляемые к защите

- аналитические зависимости для оценки живучести и повреждаемости при циклическом изгибе металлических материалов с учетом их структурного состояния, температуры и амплитуды нагружения, связывающие относительный прогиб и долговечность образцов с энтальпией активации процесса усталости;

- закономерности изменения живучести и кинетики процессов повреждаемости металлических материалов в зависимости от их предварительной обработки, амплитуды и температуры нагружения по схеме циклического изгиба; -

- функциональные зависимости, аппроксимируемые уравнениями, связывающие относительный прогиб образцов, обусловленный повреждаемостью микроструктуры сталей и цветных сплавов после разных режимов термической и пластической обработки с долговечностью в условиях циклического изгиба при температурах от 0,06 до 0,6 Т,Ш,К;

- зависимости параметров живучести и повреждаемости микроструктуры ■металлов и сплавов при усталости от их способности к деформационному упрочнению в исходном состоянии при статическом нагружении;

- методика вычисления энтальпии активации физических механизмов процесса разрушения металлических материалов.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: "Прогрессивные технологии - основа качества и производительности обработки изделий", ВВО АТН РФ, Н.Новгород, 1995; "Технология машиностроения, новые исследования и разработки студентов, аспирантов и преподавателей", НГТУ, Н.Новгород, 1996; 2-й Международной конференции по экранопланам, Н.Новгород, 1994; "Проблемы машиноведения", НФ ИМАШ РАН, Н.Новгород, 1997; "Повышение качества и эффективности в машино- и приборостроении", ВВО АТН РФ, 1997;

"Совершенствование процессов и оборудования кузнечно-штамповочного производства", НГ'ТУ, 1997.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 18 печатных работ (статьи, тезисы докладов).

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы из 143 наименований и приложения. Работа содержит*?^ страниц, в том числе страниц машинописного текста, 52 рисунка, 6 таблиц. В

приложение включено 31 рисунок, 19 таблиц, акты внедрения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цели работы и изложены новизна и основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе обобщаются данные по кинетике развития усталостного разрушения металлических материалов с различной микроструктурой; рассматриваются физические механизмы, контролирующие процессы упрочнения-разупрочнения, накопления структурных повреждений, зарождения и роста усталостных трещин в металлах и сплавах после разных видов обработки в зависимости от температуры и амплитуды циклического нагружения; приводятся опубликованные в печати методики оценки энтальпии активации атомных механизмов усталости и анализируются существующие методы регистрации роста усталостных трещин.

Результаты анализа показывают, что известные способы оценки повреждаемости при циклическом нагружении оказываются не совершенными, недостаточно точными и объективными, чтобы оценить, и прогнозировать количество и локализацию зарождения су б м и кротре щи н и проследить развитие усталостных трещин, которые обычно наблюдаются либо в полосах

скольжения, либо на структурных границах раздела (зерна, субзерна, двойники), либо в местах с наличием неоднородности структуры (включения, частицы второй фазы и т.п.) и микродефектов материала. В связи с этим и наличием различных типов и механизмов трещинообразования, а так же непредсказуемостью траектории формирования магистральной трещины, затрудняется ее регистрация и осложняется оценка живучести материала.

' В соответствии с обобщением и анализом опубликованных в печати работ, обосновываются задачи и цели исследования.

Во второй главе представлена комплексная методика экспериментальных исследований. Она включает механические испытания при статическом и циклическом нагружении, изучение структуры различных металлов и сплавов с помощью оптических и электронных микроскопов, исследование кинетики процессов повреждаемости и разрушения, при циклическом изгибе, фрактографический анализ изломов образцов, измерение текущего прогиба образцов и остаточных напряжений в них после обработки.

Для изучения были выбраны широко применяемые в промышленности металлические материалы после различных режимов обработки (термической, химико-термической, пластической): стали марок 40Х, 20X13, 14Х17Н2, 20, 20ХН2М, 40, 35ХГСА, У10, алюминиевый сплав В95пчТ2, медь М1 и латунь Л63Т.

На усталость стандартные образцы испыты вались по схемам кругового консольного и чистого изгиба с частотой 50Гц на машинах МИП8 и УБМ в области температур от 0,06 до 0,6 Тпл,К. Машина оснащалась фазосинхронизатором и оптическим микроскопом (х37 и х250) со стробоскопическим освещением для наблюдения за кинетикой развития повреждаемости микроструктуры материалов. Текущий прогиб образцов фиксировался с помощью ^^^рр^етрического индикатора часового типа с точностью 0,01 мм.

Оценка точности -экспериментов и статистический анализ результатов проводились в соответствии с рекомендациями ГОСТ 23026-78 и ГОСТ 255020-79.

В третьей главе рассматривается полученное автором аналитическое уравнение для оценки долговечности и повреждаемости при циклическом изгибе металлических материалов с учетом их структурного состояния после предварительной обработки. Она основывается на статистическом характере накопления повреждаемости и энергетическом критерии как характеристике состояния материала (О).

Изменение потенциальной энергии деформации при циклическом изгибе, обусловленное необратимыми структурными превращениями кристаллической решетки, с использованием теоремы Кастилйано предлагается оценивать как:

где Р - нагрузка, с - константа, /- прогиб при изгибе образца.

Проинтегрировав уравнение (1) и определив константу при начальных условиях, получаем уравнение:

где параметры Д и /„ соответствуют структурной повреждаемости и прогибу образца после п циклов нагружения, a Do и f0 - в момент приложения нагрузки.

Вместе с этим, функцию состояния материала при циклическом нагружении можно выразить известным соотношением:

dD=c-P-f-dft

(1)

(2)

dD = dD, - dD.

2

(3)

где - увеличение плотности дефектов или микротрещин в процессе усталости; dDг - уменьшение дефектов в результате их релаксации. При этом:

о

(4)

п

di) , = D -v - di

(5)

где - полная амплитуда деформации, поскольку пластическое течение в микрообъемах материала начинается с самого начала циклического нагружения, а, следовательно, в этом случае деление деформации на упругие и пластические оказывается весьма условным. По данным Коффина, при циклическом изгибе вычитание упругой деформации вносит очень несущественную поправку в величину общей деформации.

_ 1 ¿П . рМа)/кТ

Время нагружения ^ п . ^ - частота нагружения; О

частотная характеристика реакции; кТ - тепловая энергия тела; ^(сг) _ энтальпия активации процесса.

Подставив уравнения (4) и (5) в уравнение (3) имеем.

= V (6)

Д-Лг. у° где а е (7)

В результате совместного решения уравнений (2) и (6) получаем:

Г/Л2 Л П

(8)

V/о /

Приняв /о = /с - прогибу образца при статическом изгибе ( прогиб в момент приложения нагрузки, обусловленный исходным состоянием материала после технологической обработки) и п = N т - долговечности, соответствующей появлению магистральной трещины критической длины, или

живучести, когда — /г, зависимость (8) принимает вид:

Га* и-

ы <1

= 7 (9)

ю

В четвертой главе анализируются данные экспериментальных исследований изменений микроструктуры и кинетики процесса повреждаемости сталей и цветных сплавов в .зависимости от состояния их структуры после различных режимов термической и пластической обработки при разных температурах и амплитудах циклического изгиба.

Результаты анализа сопоставляются с фрактографическими особенностями и характером усталостных изломов образцов.

Для образцов из отожженной меди при циклическом изгибе с амплитудами 100 и 140 МПа показано, что объем и энергия разрушения с ростом числа циклов нагружения возрастают. Результаты микроструктурных исследований, измерения длины трещин, развивающихся на поверхности и в глубь образца, по границам зерен и полосам скольжения, а так же регистрации прогиба в процессе циклического изгиба, согласуются с характером изменения энергии деформации. Для отожженной меди степень упрочнения (уменьшение прогиба) возрастает, а период его стабилизации и развития трещины до критической длины сокращается с повышением температуры (в интервале от 0,065 до 0,6 Тпл,К) и увеличением амплитуды нагружения. Холоднокатанная и деформированная медь при усталости разупрочняется (прогиб образцов возрастает). Полосы скольжения появляются на поверхности образцов только при п - 9% N. С ростом степени предварительной деформации растяжением (5%, 13%, 25%) наблюдаются дробление исходных зерен и полосы скольжения, в которых в процессе циклического изгиба интенсифицируется скольжение дислокаций.

В изломах наблюдаются мелкие многочисленные ямки и бороздки, гладкие площадки скола. Рост магистральной трещины происходит преимущественно по границам зерен. Зависимостям при разных

температурах и амплитудах нагружения соответствует определенный характер

функций 4т , а именно: сокращение стадии стабилизации разупрочнения (то есть стадии процесса трещинообразования), а так же увеличение

абсолютных значений прогиба образцов при понижении долговечности. Микрофрактография изломов показывает, что разрушение деформированной меди обусловливается местной концентрацией напряжений. На снимках наблюдаются усталостные бороздки, в центре образца - иногда поры. При всех температурах испытаний снижению долговечности за счет предварительной деформации или температуры соответствует увеличение доли сколов и расслоений, свидетельствующих об охрупчивании материала.

Образование субзеренной структуры в результате предварительной деформации на сопротивлении усталости сказывается по-разному, в зависимости от амплитуды нагружения. При низких амплитудах, когда процесс повреждаемости контролируется вакансионным механизмом, избыток деформационных вакансий охрупчивает наклепанный металл за счет образования многочисленных пор и снижает его долговечность в тем большей мере, чем выше степень наклепа. Изломы образцов с мелкими ступеньками. Разрушение при высоких амплитудах обусловливается интенсификацией механизмов поперечного и мгновенного скольжения, способствующих так же релаксации напряжений в деформированном материале, его активному разупрочнению и повышению долговечности.

При повышении температуры до 0,6 Тпл,К активизируются релаксационные процессы, главным образом, вакансионный, приводящие к быстрому разупрочнению деформированных образцов и увеличению их прогиба. Мелкие ступеньки и ямки на поверхности излома указывают на тонкую повреждаемость материала и наличие в нем субструкгуры.

Зона усталостного разрушения в образцах из латуни, как и для меди, возрастает с повышением долговечности. Холоднокатанная латунь в процессе циклического нагружения разупрочняется (увеличивается прогиб образцов) при всех температурах испытания (0,065; 0,25 и 0,6 Тпл,К). При комнатной температуре скольжение дислокаций происходит в ней слабо, а усталостная трещина начинает распространяться с п ~ 84%Л' циклов нагружения

преимущественно по телу зерен. Изломы образцов представляют собой сравнительно гладкую поверхность с равномерно распределенной поврежденностью материала в виде мелких ямок, сколов и ступенек, с многочисленными неглубокими следами роста трещин. Долом вязкий.

Увеличению долговечности либо при снижении амплитуды, либо за счет предварительной деформации (5, 13 и 25 %) соответствует уменьшение величины текущего прогиба образца в процессе циклического изгиба.

Стадия стабилизации сокращается и становится менее выраженной со снижением долговечности образцов при всех температурах испытания.

Повышение температуры испытания до 0,6 Тпл,К (440°С) способствует интенсификации процессов разупрочнения холоднодеформированных образцов. При этом наблюдается вязкий характер разрушения латуни, с наличием ямок и усталостных бороздок.

Деформированный до 1,7% в свежезакаленном состоянии сплав В95пчТ2 в процессе усталости при комнатной температуре разупрочняется с четко выраженной стадией стабилизации прогиба образцов, особенно в области низких амплитуд нагружения (/V > 2-106 циклов), при которых наблюдается рельефная, с многочисленными очагами зарождения трещин и четкими следами их распространения, структура излома. Микротрещины зарождаются либо в плотных коротких полосах скольжения, либо около дисперсных включений. При низкой температуре (-60°С) наблюдается растрескивание металла по усталостным бороздкам.

Стали 40Х, 20ХН2М, 35ХГСА и другие после разных режимов обработки (термической, нитроцементации, цементации, правки, дробеструйной обработки), независимо от величины амплитуды нагружения по схеме чистого изгиба с частотой 50 Гц, разупрочняются.

Зависимости и микроструктурные исследования показывают,

что процесс усталости протекает, как и для других исследованных материалов, в три стадии:

-быстрое разупрочнение (увеличение прогиба образцов) и образование субмикротрещин;

-стабилизация изменения прогиба, накопление повреждаемости, слияние микротрещин и формирование магистральной трещины;

-интенсивное увеличение прогиба образца, обусловленное быстрым ростом усталостных трещин, приводящим к окончательному разрушению.

Подобные закономерности наблюдались сотрудниками академика Трощенко В.Т. для сталей 45, 12ХНЗА и 40Х при нагружении образцов по схемам циклического кручения и растяжения-сжатия.

Правка стальных образцов сокращает период до возникновения трещин в 1,5*10 раз, а последующее поверхностное упрочнение сталей дробью увеличивает его в 6*20 раз.

На поверхности изломов наблюдаются усталостные бороздки, причем их количество значительное, например, в стали 40Х после нитроцементации.

После правки образцов, очаг зарождения трещин располагается в зоне максимальных растягивающих остаточных напряжений и возникающих микродефектов. Количество усталостных бороздок на снимках изломов уменьшается, они становятся нерегулярными, и, кроме того, появляются плоские сколы с небольшими ступеньками. В образцах из стали 40Х (нитроцементация) и 20ХН2М (цементация) после правки и обработки дробью очаг зарождения трещин наблюдается под диффузионным слоем ("рыбий глаз"). В вязких изломах образцов из стали 35ХГСА (закалка, высокий отпуск) видны очаги зарождения многочисленных неразвивающихся трещин.

В пятой главе рассматриваются вопросы, связанные с прогнозированием долговечности Nт до появления магистральной трещины критической длины (живучести) при циклическом изгибе металлических материалов.

Сопоставление кривых изменения прогиба в процессе усталости с результатами микроструктурных и фрактографических исследований

■позволяет оценить долговечность Мт. В работе по экспериментальным №

данным с учетом уравнения (9) строились зависимости 21ц —^ ), которые

.'с

описываются уравнениями вида:

1т_ _ С . д/ «г

у 7 г , (10)

для всех исследованных материалов после разных видов обработки, температур и амплитуд испытания.

Поскольку величина прогиба образца пропорциональна его деформации, то эти уравнения находятся в соответствии с уравнениями связывающими неупругие деформации за цикл с долговечностью до разрушения (Коффин Л.Ф.) и с долговечностью до зарождения усталостной трещины (Трощенко В.Т. с сотрудниками).

Относительность величины /г//с позволяет оценить живучесть

материала Nт, избегая трудоемкого и не всегда доступного процесса измерения абсолютных значений неупругих деформаций путем фотографирования летель гистерезиса с экрана осциллографа.

Из-за неоднородности строения и нагружения, отдельные микрообъемы материала деталей и образцов деформируются и разрушаются задолго до деформирования общего объема тела.

Статистическая природа распределения дефектов и структурных неоднородностей в материале всегда вызывают рассеивание экспериментальных результатов, что неизбежно отображается

соответствующим изменением отношения при циклическом изгибе.

Как показали наши исследования, предварительная обработка образцов обусловливает величину исходной поврежденности и накопленной в металле энергии, которые определяют интенсивность протекания процессов релаксации и разрушения, а, следовательно, изменение прогиба при циклическом нагружении.

Статистическая обработка экспериментальных результатов устанавливает функциональные зависимости параметров иг и Ст в уравнении

(10) с показателем А в уравнении ст = ай-ЕЛ кривой деформационного упрочнения при статическом нагружении:

- Вт = 0,027 + 0,26,4, г - 0,88 (П) Сг= 1 +14,16А, г = 0,91 (И)

Подобные корреляции получены при разных температурах для меди и латуни. Они апробированы на примере образцов из сталей 20X13 и 14Х17Н2, с погрешностью в пределах до 5%.

Механизмы пластической деформации являются одновременно и механизмами пластической релаксации высоких локальных напряжений в местах их концентрации - полосах заторможенного сдвига, вершинах двойников, границах зерен, карбидов, выделений и т.д., то есть в возможных местах зарождения трещин, первоисточниках разрушения. Потенциальный

энергетический барьер м(сг) при релаксации преодолевается под действием тепловых флуктуации и приложенных напряжений.

Сопоставление аналитических (уравнение 7 и 9) и экспериментальных (уравнение 10) зависимостей позволяет определять энтальпию активации механизмов, контролирующих процесс усталости следующим образом:

со ( '

или, с учетом уравнения (11), получаем:

~р- = 1п ~ - ^ Аеа + 0,054 + 0,52 А) (14)

Поскольку для наклёпанных материалов ^„=3,3-10" с"1, то для нашего эксперимента с частотой 50 с"1 величина \>„¡со =6,67-109, тепловая энергия тела кТ г0,025 э.в или 0,004 аДж при Т=293К и к= 1,3806-10"23 Дж/К, в итоге имеем:

и

= 22,62 - 1п(Д*а+ 0,054 + 0,52 А) П5ч

0,004

Решение уравнения (15), по данным В.Т. Трощенко с сотрудниками, для стали 40Х (структура сорбит, /4=0,2) при амплитудах деформации

=2,М0"'ч-2,5-10"3 с частотой 33 с"1 (долговечность в пределах Ю4-И06

циклов), дает величину "(О") =0,099аДж.

Она соответствует значению свободной энергии связи межузельных атомов для системы Ре-С,Ы, а так же энергии разблокировки дислокаций от атмосфер примесей для стали 08кп с размером зерна 0,0114-0,14 мм,

изменяющейся от 0,088 до 0,112 аДж при ^ —100 МПа.

Действительно, выделение частиц упрочняющей фазы при искусственном старении сплава В95пчТ2 или после химико-термической обработай сталей 20, 40, 40Х и 20ХН2М и термической обработки сталей 35ХГСА, 14Х17Н2 и 20X13, а также взаимодействие растворенных примесей с дислокациями при деформационном старении обусловливают высокое сопротивление этих материалов усталостному разрушению. В то же время,

снижение энтальпии активации за счет приложенных напряжений

способствует увеличению подвижности дислокаций, приводящему не только к релаксации полей напряжений вокруг дисперсионных частиц, но и к возникновению множественного и поперечного скольжения дислокаций в мягких зернах матрицы, а так же нарушений когерентности их границ с частицами. Как показывают экспериментальные исследования, характер образующихся зон деформации в сталях определяется размером и распределением частиц ИезС, а микроскопические нарушения сплошности при циклическом нагружении образуются обычно в этих зонах и достигают для стали 40Х величины 0,05н-0,2 мм.

Развитие процесса повреждаемости материалов происходит на стадии стабилизации изменения прогиба, соответствующей динамическому

17

равновесию процессов упрочнения - разупрочнения. Развитие происходит до тех пор, пока магистральная трещина не достигнет критической длины или критического раскрытия, физический смысл которого состоит в исчерпании предельной пластичности металла в окрестности трещины, обусловленной способностью материала к деформированию (показатель А) и повреждаемости.

В шестой главе приводятся практические рекомендации по прогнозированию работоспособности металлических материалов и результаты их использования в производстве.

Работоспособность конструкции в значительной степени зависит от жесткости элементов, на которую оказывают влияние упругие свойства материала, геометрические параметры и сопряженность деталей. Однако, из-за отсутствия соответствующей информации не учитывается изменение жесткости элементов конструкций под воздействием условий эксплуатации, не прогнозируется ее стабильность с учетом структурного состояния материала после различных режимов предварительной обработки.

Согласно полученным в работе зависимостям при разных температурах можно рассчитать при заданной долговечности изменение относительного прогиба элементов и тем самым оценить жесткость материала с учетом технологической обработки. Возможна так же оценка живучести металлических материалов, позволяющая сократить трудоемкость поисковых и ремонтных работ, а так же оптимизировать выбор материала.

: Основные выводы.

На основании., исследования процесса усталостного разрушения сталей марок 20, 20ХН2М, 40, 40Х, 35ХГСА, У10, 14Х17Н2, 20X13, сплава В95пчТ2, меди М1 и латуни Л63 после различных видов и режимов термической (закалка, отпуск, отжиг, старение, цементация, нитроцементация) и пластической (упрочнение поверхности дробью, правка, изгиб, растяжение до степеней 5,13, 25 %) обработки установлено:

А

' 1. В области температур испытания (0,065+0,6)Тпл,К для этих материалов наблюдаются три стадии процесса усталости:

- разупрочнение, образование полос скольжения и субмикротрещин;

- стабилизация процессов упрочнения-разупрочнения; зарождение мнкротрещин, развитие и появление трещины критической длины;

- быстрое разупрочнение, рост магистральной трещины, окончательное разрушение.

2. Влияние структуры материала (мартенсит, троостит, сорбит, мартенсит + карбиды, а-твердый раствор А1 с наличием интерметаллидных фаз), ее изменений по сечению образца и поврежденности под воздействием различных технологий на продолжительность стадий усталостного разрушения обусловливается величиной амплитуды циклического изгиба, температурой и физическим механизмом, контролирующим процесс. При этом сопротивление многоцикловой усталости возрастает при наличии структуры мартенсита в сталях и укрупненных интерметаллидных частиц в алюминиевом сплаве В95пчТ2.

3. Понижение долговечности металлов и сплавов обычно связано с ускорением процесса их повреждаемости, увеличением абсолютных значений прогиба образцов, а так же сокращением продолжительности стадии живучести, которая при высоких температурах и амплитудах оказывается не четко выраженной.

4. Получены аналитические уравнения для оценки живучести и повреждаемости при циклическом изгибе металлических материалов с учетом их структурного состояния, температуры и амплитуды нагружения., Эти уравнения связывают энтальпию активации механизмов,, контролирующих процесс усталости, относительный прогиб образцов и долговечность...

5. Разработана методика оценки энтальпии активации атомных механизмов, контролирующих процессы усталости при циклическом изгибе

металлов и сплавов в зависимости от их структурного состояния после термической и пластической обработки,

6. Установлены зависимости относительной величины прогиба образцов от их долговечности до появления магистральной трещины критической длины (живучести) для материалов с различной структурой и поврежденностью после разных видов обработки в Области температуры испытания (0,065+0,6)Тпл,К.

Уравнения имеют вид: у ^т '"т .

7. Установлены зависимости параметров повреждаемости и живучести при усталости от показателя деформационного упрочнения А при статическом нагружении термообработанных материалов, которые аппроксимируются уравнениями.

8. Полученные зависимости позволяют прогнозировать долговечность металлических материалов и конструктивных элементов, а также оценивать стабильность их жесткости при циклическом изгибе с учетом структуры и дефектности после различных видов технологических обработок.

9. Разработаны практические рекомендации по внедрению полученных результатов в производстве. Экономическая эффективность, от их реализации составляет, в ценах 1998 года, 100 тыс. рублей (ТОО "КОТРОКО", г. Самара) и 95 тыс. рублей (ОАО "СУДОТЕХНИКА", г. Н.Новгород).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Гусляков Д.С. Структурная повреждаемость металлов при циклическом изгибе // Проблемы машиноведения: Тез. докл. науч.-техн. конф., посвященной 10-летию НФ ИМАШ РАН, Н.Новгород, 23-24 января 1997 г. - Н.Новгород: Интслсервис, 1997, с.78.

2. Гусляков Д.С: Прогнозирование долговечности металлов с учетом их обработки // Проблемы машиноведения: Тез. докл. науч.-техн. конф., посвященной 10-летию НФ ИМАШ РАН, Н.Новгород, 23-24 января 1997 г. -Н.Новгород: Интелсервис, 1997, с.68.

дс

3. Гусляков Д.С., Бережницкая М.Ф., Пачурин Г.В., Гуслякова Г.П. Сопротивление усталостному разрушению металлов при разных температурах У/ Физико-химическая механика материалов, 1997, т.ЗЗ, №1, с.75-82.

4. Гусляков Д.С. Структурная повреждаемость при усталости металлических материалов после различных видов обработки // Технология машиностроения, новые исследования и разработки студентов, аспирантов й преподавателей: Материалы науч.-техн. конф. студентов и аспирантов - Н.Новгород, НГТУ, 1996, с. 60-63.

5. Гусляков Д.С., Пачурин Г.В., Гуслякова Г.П. Оценка повреждаемости материалов при циклическом изгибе // Технология машиностроения, новые исследования и разработки студентов, аспирантов и преподавателей: Материалы науч.-техн. конф. студентов и аспирантов - Н.Новгород, НГТУ, 1996, с. 67-69.

6.Пачурин Г.В., Гуслякова Г.П., Гусляков Д.С. и др. Сопротивление усталости пластически деформированных алюминиевых сплавов Д19АТ и Д19АМ // Технология машиностроения, новые исследования и разработки студентов, аспирантов и преподавателей: Материалы науч.-техн. конф. студентов и аспирантов - Н.Новгород, НГТУ, 1996, с. 65-66.

7. Гусляков Д.С., Пачурин Г.В., Каплун В.И. Влияние обработки, температуры и амплитуды циклического нагружения на сопротивление разрушению меди // Повышение качества и эффективности в машино- и приборостроении: Материалы науч.-техн. конф. - Н.Новгород: ВВО АТН РФ, 1997, с. 136-138.

8. Гусляков Д.С., Гуслякова Г.П., Пачурин Г.В., и др. Влияние обработки и температуры на кинетику усталостного разрушения латуни Л63Т // Повышение качества и эффективности в машино- и приборостроении: Материалы науч.-техн. конф. - Н.Новгород: ВВО АТН РФ, 1997, с. 133-134.

9. Гусляков Д.С., Гуслякова Г.П., Пачурин Г.В. Влияние'финишной обработки на долговечность чугунов // Повышение качества и эффективности в машино-

и приборостроении: Материалы науч.-техн. конф. - Н.Новгород: ВВО АТН РФ, 1997,с. 131-132.

10. Пачурин Г.В., Ярунин О.Я., Гусляков Д.С. и др. Камера для испытания Т-образных образцов на коррозионно-усталостное разрушение // Заводская лаборатория, 1994, т.60, №2, с.52-53.

11. Ярунин О.Я., Меженин H.A., Власов В.А., Гусляков Д.С. и др. Камера для коррозионно-усталостных испытаний // Инф. лист № 8 - 92 Н.Новгород: ЦНТИ, 1992.

12.Пачурин Г.В., Гусляков Д.С., Гуслякова Г.П. Влияние предварительной деформации на изменение структуры при статическом нагружении металлических материалов // Прогрессивные технологии - основа качества и производительности обработки изделий: Материалы науч.-техн. конф. -Н.Новгород: ВВО АТН РФ, 1995, с. 86-87.

13. Ярунин. O.A., Гуслякова Г.П., Гусляков Д.С. и др. Механические характеристики сварных соединений из листовых углеродистых сталей при разных температурах И Прогрессивные технологии - основа качества и производительности обработки изделий: Материалы науч.-техн. конф. -Н.Новгород: ВВО АТН РФ, 1995, с. 123-125.

14. Меженин H.A., Власов В.А., Ярунин О.Я., Гусляков Д.С. и др. Механические свойства деформированных автомобильных конструкционных сталей // Прогрессивные технологии - основа качества и производительности обработки изделий: Материалы науч.-техн. конф. - Н.Новгород: ВВО АТН РФ, 1995, с. 125-126.

15. Гуслякова Г.П., Меженин H.A., Гусляков Д.С. и др. Сопротивление усталости при разных температурах предварительно деформированных сплавов // Прогрессивные технологии - основа качества и производительности обработки изделий: Материалы науч.-техн, конф. - Н.Новгород: ВВО АТН РФ, 1995, с. 129-131.

16. Пачурин Г.В., Власов В.А., Ярунин О.Я., Гусляков Д.С. Повышение циклической долговечности алюминиевых сплавов на воздухе и в коррозионной среде // Прогрессивные технологии - основа качества и производительности обработки изделий: Материалы науч.-техн. конф. -Н.Новгород: ВВО АТН РФ, 1995, с. 131-133.

17. Гуслякова Г.П., Пачурин Г.В., Гусляков Д.С. и др. Эффект скорости предварительной деформации на сопротивление усталости высокопрочных сплавов // Тезисы 11-ой науч.-техн. конф. по совершенствованию процессов и оборудования кузнечно-штамповочного производства - Н.Новгород: НГТУ, 1997, с.54-55.

18. Меженин H.A., Гусляков Д.С., Зубов E.H. и др. Прогнозирование сопротивления усталости при разных температурах деформированных металлических материалов // Тезисы И-ой науч.-техн. конф. по совершенствованию процессов и оборудования кузнечно-штамповочного производства - Н.Новгород: НГТУ, 1997, с.58 - 59.

Поди, к печ. форМат 60x84 '/16. Бумага есрс-е-тиаЛ.

Печать офсетная. Уч.-изд.л. /,0 .Тираж № экз. Заказ

Типография НГТУ. 603600, Нижний Новгород, ул.Минина, 24.