автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Кинетика разрушения слоистых машиностроительных материалов и ее связь с некоторыми механическими характеристиками

..ШШИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ^ " ХАРЬКОВСКИЙ АВГОМОВШЬНО-ДОРСОШЬЙ ИНСТИТУТ

С-;.-1

На правах рукописи

ЫИЯЕ11КИН МИХАИЛ БОРИСОВИЧ

КИНЕТИКА РАЗРУШЕНИЯ СЛОИСТЫХ ШШЮСТРОИШЬШХ МАТЕРИАЛОВ И ЕЕ СВЯЗЬ С НЕКОТОШИ ШАШЧМШИ ХАРАКТШСПШШ

Специальность 05.02.01 - Материаловедение в машиностроении

С прсишленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков - 1993

Работа выполнена в Институте проблем машиностроения АН Украины.

Научный руководитель:

- кандидат технических наук И.С.Гузь .

Официальные оппонента:

- доктор технических наук, профессор Л.П.Любчанко,

- кандидат технических наук В.А.Приходченко.

Ведущее предприятие - Харьковский физико-технический институт АН Украины.

Защита диссертации состоится " /-Э " сс-г^-иги^ЛА.9?3 г. в /У^ часов на заседаяия гспециал»зироватого совета К 068.12.01 пр:1 Харькопзком ввто«обютьио-.цорок!юм институте (310078, г. Харьков, ул. Петровского, 23).

С диссертацией иожно ознакомиться в библиотеке института.

Авторгф-->рат раз ос ш? " £ «

Ученн.Ч сегретарь . специализированного совета кандидат ноук, доцент

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность темы. Повышение качества материалов и изделий относится к числу приоритетных направлений развития науки, техники и технологии на ближайшие десятилетия.

Перспективы прогресса в машиностроении во многом связаны с разработкой и широким,применением композиционных материалов, среди.которых значительное место занимают слоистые машиностроительные материалы. Это, в первув очередь, относится к химическому и транспортному машиностроению, а Также к созданию прогрессивных конструкций судов и летательных аппаратов. Выбор материала для какой-либо определенной цели возможен только на основе комплексной оценки ого свойств.

Важной характеристикой качества машиностроительных материалов является конструкционная прочность, поэтому при разработке материалов и оценке и-/, работоспособности значительное место занимает изучение процесса разрушения, Прочность, деформацию и разрушение следует рассматривать как взаимосвязанные понятия, при этом определяющим в достижении соответствующего уровня прочности является характер протекания процессов деформации и разрушения.

Известные закономерности процзсса разрушения, полученные ка

I ■

однородных м&териаяах, ив'всегда йогу?'бить однозначно использованы для оценки мвхашзгсяого поведения сяойсйлх материалов. Слоистость и наличио поБэрзсностоЯ раздела но только усложняет обилую картину разрушения» но и радкиашш образом слиют на шад разрушения и механические характеристики материала, которые нэ всегда определяются правилом аддитивности. Однако кинетика разрушения.слоистых машиностроительных материалов изучена недостаточно полно, и практически отсутствуют исследования, посвященные иэу-

ченгав взаимосвязи между кинетикой разрушения и механическими характеристиками как отдельных слоев, так и всего материала в целом.

Работа проводилась в рамках тематических планов ИПМат АН Украины в соответствии с Постановлениями Президиума АН Украины Р398 от 20.11.1975 р., £50 от 14.12.1978 г., »587 от 30.12.1981 г., «402 от 24.12.1987 р.

Цель и задачи работы. Цель» работы является повышение надежности слоистых материалов и изделий из них путем установления связи меяду кинетикой разрушения и конструкционной прочность!). В соответствие с этой целью в работе поставлены и решены еяадупщие задачи:

- изучение кинетики п ыеханкзиа развития единичного и множественного видов разрушения в слоистых материалах с различными ывх&нкчееяюк; свойствам»;

- кзучениеьяиянкя граккц раздела различной природы на особенности возникновения и развития разрушения в реальных ыа-шиностроитольних материалах;

- исследование взаимодействия быстрых трещин с границами раздела различной природы;

- исследование микрокеханизмов разрушения вблизи поверхностей раздела к их взаккгевязи с механическими свойствами материалов и екоростьв распространения трещины;

- анализ взаимосвязи между механизмом и энергоемкостью разрушения биметаллических соединений;

- разработка способов диагностики конструкционной прочности на основе оценки скорости разрушения.

Научная новизна. Основные положения, характеризующие научную новизну, заключаются в следующем:

- получены экспериментальные данные о влиянии соотношения

;еформацяонно-прочностньк свойств слоев на квдетику разрушения;

- установлены основное закономерности остановки быстрых ррещин вязк ¡ми слоями. Проанализированы механизмы остановки трещин в зоне поверхностей раздела слоистых материалов;

- обоснованы и разработаны способы диагностики конструкционной прочности на основа оценки схорссг-и разрушения.

Практическая ценность работы. В результат? исследований юлучеда данные о свази кинетики раэругсенвд сдоистьк мапщно-¡троительних материалов с прочностью, пластичностью и ударной узкостью. Это позволяет болээ обоснованно подходить как к впору слоистых материалоз с учетом условий иагруяения изделий з них, так и к диагностике ах служебных характеристик по рэ-ультатам контрольно-технологических мщвтадий. Разработаны онкретные способы диагностики прочности изделий из полимерных оппозиционных материалов (ПК14), а такле способ определена олщины тонких покрытий для металлических материалов с хрупким ащитннм покрытием.

Реализация работы в промышленности. Результату работы недрены на ряде предприятий (УВЗ им. Н.И.Камова, предприятиях Ы А-1702, п/я А-7359, п/й А-1504 и др.) с экономическим эф-эктом 214,6 тыс. рублей (в ценах на 01.01Д990 г.).

На защиту выносятся следующие положения:

- представления о связи особенностей механического пове-эния слоистых материалов с характеристиками слоев и всего компота в целом;

- экспериментально установленные закономерности зародде-ш, развития и торможения трещин в слоистых материалах;

- подходы к оценке влияния закономерностей процесса раз-тнения на механические свойства слоистых материалов;

- способы диагностики конструкционной прочности ПКМ на

основа акустико-эмиссионной оценки скорости разрушения.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на'22 научно-технических конференциях, совещаниях, симпозиумах, семинарах, в том числе по физике прочности и разрушения (г. Киев, 1976 г.; г. КуЯбышев, 1979 г.; г. Киев, 1930 г.), по механике и прочности композиционных материалов (г. Москва, 1976 г.; г. Москва, 1978 г.; г. Ленинакан, 1979 г.; г. Ташкент, i960 г.; г. Рига, 1980 г.; г. Москва, 1981 г.), по применению метода акустической эмиссии (г. Москва, 1980 г.; г." Минск, 1981 г.; г. Ростов-на-Дону, 1984 г.; г. Душанбе, 1986 г.; г. Кишинев, 1987 г.; г._-Харьков, 1989 г.):

Публикации. Основное содеркание работы отражено в десяти публикациях и двух авторских свидетельствах.

Объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов и общих выводов, содервит 121 страницу основного тексте, 88 рисунков, 8 таблиц, приложение, список ис-лользоватшх источников, включающий 116 наименований.

СОДЕШШЕ РАБОТЫ

Материал и методика исследования. Для композитов характерны два веда разрушения: единичное, при котором с ростом нагрузки сразу после первого разрушения сдоя с меньшей предельной деформацией происходит полное разрушение композита, и множественное, лрн которой полное разрушение. композита происходит после многократного разрушения одного из слоев. С точки зрения изучения кинетики разрушения общим для этих видов является поведение трещин вблизи поверхностей раздела. Для исследования закономерностей единичного и множественного разрушения использовались слоистые материалы с различными прочностью и пластичностью слоев, прочностью сцепления слоев, микроструктурой и геометрией

поверхностей раздела. При зтон поведение трещин вблизи поверхностей раздела подробно рассматривалось только в рамквх единичного разрушения.

Кинетика единичного разрушения йсслсдоеолпсь на промышленных биметаллах (табл. I) и кодвлькых 'образцах на основе хрупких слоев из сплавов Ре - и Си - , а также фото-

упругих двухслойных образцах на оскэго зпсискдкой смоли ЭД-1&. Биметаллы на основе сплава Л?-А* кзготогляаись сваркой дпвге-кием с подогревом. В качестве вязк;;х слоев мополь'зовалнсь техническое иелезо, сталь ГЙХМНХОГ и кздт> М£. У трохсяоКм.'х образцов вязкий слой всегда располагался иепду хр^гй;-;.;;? слоями. Обрасц-и на основе сплава Ол-Р получат: ктипиой рзечлазхаажя припззи

МОДНОЙ ПОЛОСКИ ТОЛЗдеНОЙ 0,5 ММ.

Гебаи'а I

Характеристики бга.сзгаллшгескюс соедпгапй

ЙсхОДКй8 хьрак- ГоЭКбШ?- Проч-

Биметалл и топкдтчки еяооп «гсскйя фст- кисть

способ получения • "V""" А гл с-цоичо-

6• О > т> сиг р:;:<,цгка игл с»;сэз,

._.... .„-.ШЦ... _

Сталь СтЗ + сталь 420'£ Ж Г>5 плоская ЖО

I2Х1ВН10Т (прокатка) 650 СО Гй

Сталь СтЗ + сталь ■ Ро Р5 . микрома- "50

12Х18Н10Т (сварка ' ШО <10 Н& ¡шобрз.епйя

взрывом)

Сталь СтЗ + квдь Ш № 05 ¡зад»««» Ш

(сварка взшш.1;) 220 60 , 1?'5 ис&Зракт

Сталь СтЗ,+ датупь 320 РЛ 55 цзкриоя- Ш

Л062-1 (сварка взрнвои) 350 4.0 00 пообг^зг.оя

Сталь 45 + кедь МЗ ООО 10 ыигрлюя- о0-200

(сварка взривом) 250 Б5 70 пиаб;,сьиая

х В числителе приводе™ характеристики иорсогэ ело;:, з знаменателе - второго слоя биметалла.

в

Определялись следующие характеристики кинетики единичного разрушения:

1. Последовательность и характер протекания процесса разрушения (схема разрушения).

2. Скорость распространения трещины на различных этапах процесса разрушения.

3. Микромоханизм разрушения.

4. Динамическая конструктивная долговечность ( Ту - время от момента появления заметных признаков пластической деформации в вершиме надреза до полного разрушения образца) и динамическая живучесть ( Тяс - время от начала роста магистральной трещины до полного разрушения образца).

б—5

5. Относительное изменение толщины образца

Do

и угол загиба J& , которые служили мерой пластичности.

Определение вышеперечисленных характеристик проводилось методами фотоупругости, скоростной киносъемки,' оптической и электронной микроскопии и фрактографии. Нагружение плоских надрезанных образцов проводилось статическим и динамическим растяжением (нагрузка прикладывалась вдоль продольной оси соединения) или изгибом. Для реализации динамических способов нагруяения применялись специально изготовленные установки.

Исследование кинетики множественного разрушения проводилось методом акустической эмиссии (АЭ) на основных типах слоистых машиностроительных материалов - биметаллах, материале с измененным поверхностным слоем (сталь 45 с1закаленным поверхностным слоем глубиной * 100 мкм), материале с тонким хрупким защитным покрытием (электротехническая нелегированная сталь марки 20648 с никелевым покрытием толщиной от I до 40 мкм), конструкционных слоистых пластиках (стекло-, органе- и стсклоуглсплас-тиках). Однонаправленные стеклопластиков»? (наполнитель - волок-

на марки ВМЛС) и органопластиковые (наполнитель - волокна марки BMG) образцы изготавливались методом мокрой намотки. Объемная доля волокон составляла 75$, их средний диаметр - 8 мкм, связующее ->эпоксидиановая смола ЭДТ-Ю. Тканые стеклолластико-вые образцы состояли из 44 слоев ткани 7-25(ВМ)-78, связующее -смола 5-2ПБ. Продольная ось образцов совпадала с направлением нитей основы. В стеклсуглепластиковых образцах 12 слоев ткани Г-25(ВМ)-78 были заменены равномерно по толщине 20 слоями углеродной ленты ЛуПд g той ае ориентации. Стекло- и органопластике вые цилиндрические оболочки с днищами (число слоев в цилиндрической части - 9), изготовленные методом непрерывной немотки, мели длину 700 мм и диаметр цилиндрической части 360 мм.

В зависимости от ?ипа материала применялись различные ти-1Ы образцов и схемы нагружения - растяжением (биметаллы, образ-[Ы стали 45 с закаленным поверхностным слоем и образцы из ПКМ), недрением индентора (образцы с хрупким покрытием), изгибом образцы из ПКМ) и нагруженйе внутренним давлением (оболочки из КМ). В качестве основных информативных параметров A3 били выб-аны активность A3 ( ) и число импульсов Ад ( репет-

ируемые по нескольким амплитудным уровням (уровни амплитудной «криминации находились в дийпазоно 6-50 дБ).

Кинетика единичного разрутения биметаллических соединений.

Основные схемы разрушения биметаллов приведены на рис. I, 2. ютветствующие этим схемам типичнйа характеристики разрушения мведены в табл. 2.

При высокой пластичности обойх слоев наблюдаются следующие рианты:

I) магистральная трещина зарондается в вершине надреза, зо-поверхности раздела не оказывает заметного влияния на ее рас-чстранение (рис. 1,а). Эта схема разруиения характерна для ма-

териалов с высокой прочностью сцепления слоев. При пересечении магистральной трещиной поверхности раздела не наблюдается заметного изменения ее скорости. Микромеханизм разрушения обоих слоев вязкий, ямочный;

\А/л

Рис. I. Схемы разрушения бметаллических образцов с высокой пластичностью обоих слоев.

а лаавмв б 1 в 1 у—

/м /\ 1 г I 1

* > ' V. I

Рис. 2. Схемы разрушения биметаллических образцов с высокой пластичность» одного слоя.

Таблица 2

Характеристики разрушения бушвталлтюсхкх образцов

Мятериел Схема раз-рутения V* , м/с Я и/с % Г, МКС 'Г« » » МКС

Сталь СтЗ + ркс. 1,а 25 69 17 26 480 240

•I* хслхогиуX (прокатка)

рис. 1,е 35 56 \ 10 26 420 240

^п _ ркс. 2, в 281 59 I 26 216 208

Стаяь 45 + рис. 1,6 32 30 16 33 700 500

+ медь ЫЗ

Сталь ОтЗ + рис. 2,е 260 40 2 25 150 145

+ Л062-1

рис. 2,6 330 65 2 25 210 205

рис. Х,в 30 65 10 25 140 95 .

2) магистральная трещина зарождается в вершине надреза, при ее выходе на границу раздела возникает расслоение, которое на некоторое время останавливает развитие трещины (рис. 1,6). Эта схема разрушения реализуется в материалах с пониженной прочностью сцепления слоев. Магистральная вязкая трещина может быть на значительное время (до 250 ыка) остановлена при ее выходе на расслоение по достаточно плоской поверхности раздела. Расслоение вызывает значительное снижение концентрации и уменьшение степени трэхосности напряжении в Евркмне трещины. В зависимости от структуры зоны соединения и прочности сцепления слоев наблюдались различные ыикромеханисэд разрушения в этой зоне: вязкий, мвкзврзнны1, меутчеИзткЯ (сталь 45 + нгдь МЗ), наличие микроучастггов хрупкого разрушения (сталь СтЗ г сталь 12Х18НЮТ, сварка взрывом);

3) заровдение тре>цтш происходит в ооио поверхности раздела, затем разрушаются слои (рис. Эта схема разрушения характерна для соединений с макроволкосбразной траншей раздела (сталь СтЗ + медь КЕ и сталь СтЗ + яатун?» Л052-1). Первоначальное зарождение трещины в зоне поверхности раздела связано как со структурными неоднсродностяии, так и со значительной концентрацией напряжений в зоне соединения кэ-за волнообразного профиля границы.

При высокой пластичности только одного слоя обобщенная схема разрушения выгладит следующим образом: трещина начинает распространяться из вершины надреза, в зоне соединения происходит ее остановка и затем разрушается пластичный слой. Изменение шрактеристик поверхностей раздела приводит к различным конфетным схемам разрушения: .

I. При подходе хрупкой трещины к плоской поверхности разила происходит расслоение. Магистральная трещина останавлива-

ется на этом расслоении, затем происходит разрушение второго слоя. С точки зрения последовательности разрушения эта схема не отличается от приведенной ко рис. 1,6.

2. При подходе хрупкой трещины к волнообразной границе раздела наблюдались два варианта взаимодействия трещины с зоной соединения (рис. 2,а,б), тип которых определялся местом выхода трещины на поверхность раздела:

а) если трещина попадает во впадину волны пластичного слоя, то расслоения часто не наблюдается, остановка хрупкой трещины происходит на границе или в пластичном слое вследствие релаксации напряжений (рис. 2,а);

б) если трещина выходит не грэбень волны, то она распространяется по поверхности раздала, и остановка быстрой трещины происходит лишь ео впадине волны (рис. 2,6). Причинами изменения направления распространения трещины могут являться понижение прочности сцепления слоев и изменение напряженного состояния в вершине трещины при ее взаимодействии с зоной соединения.

3. При подходе быстрой трещины к зоне поверхности раздела наблюдается ее проникновение на некоторую глубину в вязкий слой со скоростью, значительно превышающей характерную для данного материале скорость разрушения в данных условиях погружения. Это явление било названо аффектом "пробоя" {рис. 2,в). Например, для биметалла стиль СтЗ + сталь 12ХШП0Т, полученного прокаткой, остеновкв магистральной трещины происходила в слое нержа-велцоК стали па расстоянии 0,2-0,4 мм от границу раздела. 1<!ик-ромохаинэк разрушения в зона "пробоя" имеет вырожденный вязкий характер к шжет быть классифицирован как вязкий при большом запасе упругой знергии, которая "приносится" в зону "пробоя" быстрой трещиной.

Более детальное исследование эффекта "пробоя" на образцах

на основе сплава Сц.-Р .(скорость трещины составляла от 600 до 2000 м/с) показало, что наряду с влиянием скорости распространения быстрой трещины необходимо учитывать и такио факторы, как аффективная поверхностная энергия разрушения jfstp и запас упругой энергии в образце% В связи с невозможностью точкой экспериментальной оценки раздельного влияния каждого из этих факторов, а также прямого определения закономерностей изменения скорости трещины в зоне "пробоя* оказалось целесообразным привлечение модельных представлений и проведение вычислительного ' эксперимента. В основу модели положены представления об изменении энергетических характеристик при пересечении трещиной границы раздела слоев с различит сопротивлением разрушению. Рассматривался баланс между измененном упругой енергии, энергии диссипации и кинетической энергий берегов трещины. Вычислительный эксперимент позволил определить характер изменения скорости трещины в зонэ "пробоя" и выявить незашсшов вЬшнио отдельных факторов на величину "пробоя" ( hat)'

Int ~ t, 6н, , (I)

где t - длина хрупкой трещины; - номинальное растягивающее напряжение в образце», V" - скорость трещины; ft - показатель степени* изменяющийся от 4,0 ¿о 4,5; - разноё^Ь эффективных поверхностных энергий трещины в вязком и хрупком слойх.

Связь долговечности и живучести с другими характеристиками разрушения иллюстрирует табл. 2. В общем виде определяется выражением:

Т3 = f 4 ТР + Тост + Гпд. + t (2)

где ^п.д. - время от начала протекания пластической деформации в вершине надреза до появления магистральной трещины; tp - время, за которое магистральная трещина пересекает первый слой;

Т0ет - время остановки магистральной трещины в зоне поверхности раздела; Тп.$. - время протекания пластической деформации второго слоя до начала распространения магистральной трещины;

Тр - время, за которое магистральная трещина пересекает второй слой.

Очевидно, что наличие всех слагаемых в уравнении (2) будет приводить к максимальной долговечности. Такой случай иллюстрирует схема разрушения, приведенная на рис. 1,6. Из табл. 2 видно, что при высокой прочности поверхности раздела, когда не происходит расслоений, живучесть слабо зависит от скорости разрушения слоев. Если за точку отсчета принять живучесть двухслойного образца с высокой пластичностью одного слоя, то при высокой пластичности обоих слоев живучесть изменяется незначительно ( » на 15-20^). Долговечность же возрастает намного заметнее. Влияние мэжслойного разрушения на долговечность (и живучесть) неоднозначно. С одной стороны, при низкой прочности поверхности раздела расслоение приводит к увеличения Ту , с другой стороны, может наблюдаться и разное уменьшение долговечности, связанное со специфической ориентацией поверхности раздела по отношении к направления приложения нагрузки.

Ккнеткка и энергоемкость разруоеикя биметаллов при дкна-^гаскизс чспитснклх на изгиб. С учетом кинетики деформации и разрушения уравнение баланса энергии при разрушении биметаллического образца динамическим изгибом могло записать в виде:

Щ « Ц, + и4 + \ii.p. +1/5 , о)

где "Ц> - работа внешних см, приложенных к образцу; -

работа, затрачиваемая на дефорлирование всего образца до прохождения магистральной трещины в надрезаяз;ом слое; V/ - работа разрушения надрезанного слоя; V>,р, - работа межслойного роз-

рушения (расслоения); 1\Гг - работа, затрачиваемая на изгиб второго слоя; \\Г3 - работа разрушения второго слоя.

Уравнение (3) позволяет несколько упростить анализ влияния различных факторов на величину энергоемкости разрушения биметаллических образцов. Например, влияние места расположения надреза на величину ударной вязкости объясняется изменением \Г0 • Влияние прочности сцепления слоев связано со слагаемыми

У г. р. И

\/д . Естественно, что при разрушении без расслоения Vг.р.= О и Тл/г резко уменьшается, а следовательно, уменьшается и общая энергоемкость разрушения. В качестве примера в табл. 3 приведены результаты определения ударной вязкости образцов биметалла сталь 454 медь МЗ.

Таблица 3

Ударная вязкость'при разрушении образцов биметалла сталь 45 +• медь МЗ

Прочность сцепления слоев, МПа Месторасположение надреза Тип разрушения Ударная вяз-? кость, ЦЦж/м

> 160 медь МЗ без расслоения 1,2-1,5

160 — с расслоением 2,0

< 160 слой стали не

разрушается

> 160 сталь 45 без расслоения 0,6-0,9

< 160 •с расслоением слой меди не .

разрушается

Основными факторами, приводящими к повышенно энергоемкости разрушения при ударном изгибе, являются трещины-расслоения и пластифицирование хрупких слоев. Причем, расслоения наблюдаются при низкой прочности сцепления слоев, а пластифицирующий оффект - только при достаточно высокой. Механизм же их влияния на энергоемкость разрушения одинаков - ото всегда возрастание и, возможно, увеличение . Если же наличие расслоения

не приводит к увеличению , то не будет и прироста энергоемкости разрушения.

Увеличение числа слоев приводит к появлению дополнительных слагаемых в уравнении (ЗЬ В этой связи в работе проанализированы несколько вариантов разрушения трехслойных образцов с хрупкими наружными слоями и вязкими прослойками. Наиболее благоприятный с точки зрения повышения энергоемкости разрушения вариант наблюдается для трехслойного образца сплав Ре- + + сталь 12П8Н10Т сплав . Верхний слой претерпевает

значительную пластическую деформацию, так как в зоне растягивающих напряжений он плакирован пластичным слоем. Необходимым условием такого пластифицирования является хорошее сцепление слоев. В этом случае работа, затраченная на деформацию и неполное разруиенке трехслойного образца, сопоставима с работой, затраченной на деформацию и неполное раэрупэние двухслойного, у которого толщина вязкого слоя равна суммарной толщине хрупкого и вязкого слоев трехслойного' образца.

Кинетика ынскествекюго разрушения слоистых машиностроительных материалов. При исследований кинетики разрушения.методом АЭ необходимо, учитывать ограничения, связанные как с воз-г можным действием других источников ЛЭ. (в металлических материалах это, в первую .очередь, движение дислокаций), так и с вели-• чйной скорости распространения трещины (амплитуда сигналов АЭ может оказаться ЯедостаточноЙ для регистрации). Было установлено, что метод Ас) позволяет однозначно уценивать скорость разрушения путём измерения Активности АЭ,, если хотя бы один элемент композиционного материала разрушается хрупко. При атом под скоростью разрушения следует понимать интегральную скорость накопления трещин всех типов и масштабных уровней, характерных для данного материала.

Схематическое изображение различных вариантов изменения активности АО (скорости разрушения) при нагружений слоистых материалов приведено на рис. 3.

9 А ,

л е-« А2 !

о I \ /

ж га ж ' V?

к < л/ —С

Удлинение

Напряжение

Нагрузка

Рис. 3. Схематическое изображение различных вариантов кинетики множественного разрушения слоистых материалов.

Вариант, изображенный на рис. 3,а, наблюдался при растяжении образцов стали 45 с закаленным поверхностным слоем.' Процесс разрушения этих образцов состоит из последовательных актов растрескивания поверхностного слоя, приводящих к резким всплескам активности АЭ. Зтп растрескивание продолжается До полного разрушения образца, при этом количество трещин в, поверхностном . ;лое совпадает с количеством пиков АЭ, т.е. каждый пик АЭ от-^ лаягшт од!Ш акт зарождения и развития магистральной для по- .■ черхностНого слоя трещины.

Вариант, изображенный на рий. 3,6, отражает процесс разрушения никелевого покрытия при внедрении индентора. Разрушение юкрытия носит "Микромнояественннй" характер, в зоне отпечатка' образуется система кольцевых и радиальных микротрещин. Актив-теть АЭ зависит от структурного состояния покрытия (в аморфном :остоянии она низке, чем в кристаллическом, которое характеризуйся наличием двух фаз - твердого раствора фосфора в никеле и ¡ястщ N13 Р ), п амплитудное распределение импульсов АВ - от то толщины. В диапазоне толтин 1-25 мкм изменение амплитудного

соотношения импульсов АЭ линейно связано с толщиной покрытия. Это позволило разработать способ определения толщины покрытий по параметрам АЭ.

Для ПКМ наблюдаются два варианта кинетики разрушения (рис. 3,в). Кривая I характерна для образцов. Несмотря на то, чт-о при их разрушении наблюдается несколько типов трещин (разрыв волокон, разрушение матрицы, разрушение по границе раздела волокно-матрица), характер зависимости показывает, что соотношение этих типов трещин остается неизменным, и ведущим (определяющим ход процесса разрушения и дающим наибольший вклад в возникновение АЭ) типом разрушения явлкзтся разрыв волокон. При нагружении оболочек наблюдается более сложный характер изменения активности АЭ (кривая 2), свидетельствующий о существенном снижении на участке ВС иктёгральноЗ скорости разрушения. Анализ показал, что на участке АВ ведущим типом разрушения является разрушение связующего в кольцевых слоях оболочки, преимущественно путем развития трещин, расположенных вдоль волокон. Увеличение доли нагрузки на спиральные слои приводит к торможению этого типа разрушения (участок ВС). В дальнейшем происходит смена ведущего типа разрушения (им становится разрыв волокон) и начинается процесс объединения трещин всех типов (участок СД).

Акустико-змиссионное определение скорости процесса разрушения как способ диагностики прочности машиностроительных материалов. Поскольку метод АЭ позволяет оценивать интегральную скорость процесса разрушения, то очевидно, что АЭ-опреде-ление скорости разрушения на докритической стадии может служить инструментом для диагностики прочностных характеристик материалов, разрушающихся без заметной пластической деформации, т.е. материалов, для которых предел прочности является

критической характеристикой процесса разрушения. Исследования, проведенные на материалах с полностью отсутствующими (ПКМ) или сильно подавленными (закаленные углеродистые стали) деформационными источниками АЭ, подтвердили возможность такой диагностики прочности.

Наиболее перспективным на современном этапе развития метода АЭ оказалось проведение диагностики прочности ПКМ, обладающих развитой докритической стадией разрушения. Установлено, что при одном неизменном ведущем типе разрушения для диагностики прочности могут быть использованы различные характеристики скорости процесса разрушения: средняя скорость или скорость протекания процесса разрушения на каком-либо этапе нагружения. При наличии двух ведущих типов разрушения возможно использование АО-критериев в рамках конкретного ведущего типа разрушения. Такой подход был реализован для случая ступенчатого иагружения оболочек из ПКМ. В качестве параметра АЭ, характеризующего среднш скорость разрушения на отдельных участках нагружеиия, использовался параметр И , представляющий собой определенный интеграл от функции ■* /(Р) (в данном случае - число импульсов АЭ, зарегистрированных на ввдеркке под постоянной нагрузкой в течение 2 мин при ступенчатом иагрукении оболочки). Наилучшая корреляция (коэффициент корреляции -0,979) меяду и разрушащим давлением ( Рр ) наблюдалась в интервале давлений 2-4 МПа, что соответствует участку АВ на кривой 2 (см. рис. 3,в). На рис. 4,а приведена зависимость параметра Т. ^г , определен- -ного на этом интервале, от Рр .

Для ПКМ характерно наличие развитого упругого последействия. Учитывая это обстоятельство, был обоснован, разработан и реализован на практике способ диагностики, основанный на определении относительного изменения скорости разрушения при упру-

гом последействии, протекающем в материале при переходе от активного нагружения к режиму вццержки. Относительный АЭ-крите-рий ( Кц ) определяется по формуле:

Ыт

\

где - число импульсов АЭ, зарегистрированных за три секунды сразу после перехода к режиму постоянной нагрузки; N^ -число импульсов АЭ, зарегистрированных за такой же промежуток времени активного нагружения при подходе к точке выдержки при постоянной нагрузке.

Рис. 4,6 иллюстрирует связь Кц с прочностью ( бе ) тканых стеклопластиковых образцов (снижение прочности было вызвано' малоцикловой усталостью). Определение Кщ проводилось при напряжении 240 Ша.

Х&н о

.-5

0,6 0,3

а

'300 66, МПа

Рис. 4. Связь акустико-эмиссионных критериев с прочностью ШШ.

, Использование критерия Кц оказалось наиболее перспективным, поскольку, наряду с преимуществами проведения относительных измерений, можно проводить.диагностику прочности не только при первом нагружении изделия, но и в процессе эксплуатации после любых воздействий. Это позволяет контролировать степень развития процесса разрушения и определять остаточную прочность и долговечность.

На практике диагностика прочности изделий из ГПШ осуществляется путем определения АЭ-характеристик при контрольном наг-ружении изделия до нагрузки, не превышающей 0,5 Рр .

На основе вышеприведенных результатов разработаны и внедрены в производство методики исследования кинетики.разрушения и диагностики прочности слоистых машиностроительных материалов. Приходящийся на долю автора' экономический эффект составляет 214,6 тыс. рублей (в ценах на 01.01.1990 г.).

0ВД1Е ВЫВОДЫ

1. Процесс разрушения слоистых машиностроительных материалов предопределяется характеристиками слоев и поверхностей раз-дола. Основными из них являются: среди характеристик слоев - ресурс пластичности при разрушении, среди характеристик поверхностей раздела - прочность сцепления слоев и геометрия поверхности раздела.

2. Влияние особенностей разрушения слоев на кинетику разрушения биметаллических материалов наиболее существенно проявляется при хрупком разрушении одного ил слоев. Хрупкое разрушение может быть остановлено вязкими слоями и прослойками вследствие пластической релаксации напряжений в вершине хрупкой трещины или /псслления материала по границе раздела. Наибольшее влияние нь-длительность остановки магистральной трещины в зоне поверхности раздела окаянрпе? механизм разрушения.

3. Экспериментально обнаружен эффект "пробоя", заключающийся в проникновении хрупкой трещины на некоторую глубину в вязкий :.лой. Методе:.'; вычислительного эксперимента установлено, что Ее-ипиня "пробоя" пропорциональна длине хрупкой трещины, квадрату растягивающего напряжения в образце, скорости трещинн в степени М = 4,0+4,5 и обратно пропорциональна разности эффективных

поверхностных энергий трещины в вязком и хрупком слоях.

4. Установлена.зависимость микромеханизма разрушения биметаллических соединений вблизи поверхностей раздела от скорости распространения трещины и'прочности сцепления слоев. Предложена сравнительная классификация микромеханизмов разрушения биметаллических материалов.

5. Проведен анализ взаимосвязи между кинетикой и энергоемкостью разрушения биметаллических соединений при ударном изгибе. Предложен простой метод оценки степени влияния механизма разрушения на валичнну ударной вязкости. Установлено, что основными факторами, приводящими к повышен® энергоемкости разрушения при ударном изгибе, являются трещины-расслоения и пластифицирование хрупких слоев.

6. В результате исследования кинетики множественного разрушения основных типов слоистых машиностроительных материалов методом АЭ установлено, что при хрупком разрушении хотя бы одного элемента композиционного материала возможна однозначная оценка скорости разрушения путем измерения активности АЭ.

7. Исследование кинетики разрушения тонких хрупких покрытий при внедрении индентора показало, что активность АЭ зависит от структурного' состояния покрытия, а амплитудное распре-долениэ шпуяьеов АЭ - от его голщкны. На этой основе разработан АЭ-опособ определения толщины тонких хрупких покрытий.

8. Обоснован подход к диагностике конструкционной прочности на основа оценки кинетики 1! механизма разрушения. Разработаны способы диагностики прочности ПКМ, состоящие в определении характеристик АЭ, отражающих:

а) среднго скорость в рамках одного ведущего типа разрушения;

б) относительное ишэнение скорости разрушения при пере-

ходе от режима активного нагружения к выдержке при постоянной нагрузке.

9. Разработаны и внедрены в производство методики исследования кинетики разрушения и диагностики прочности слоистых машиностроительных материалов. Приходящийся на долю автора экономический эффект составляет 214,6 тыс. рублей (в ценах на 01.01.1990 г.).

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Подгорный А.Н., Гузь И.О., Милешкин М.Б. Разрушение слоистых композиций, полученных сваркой взрывом // Автоматическая сварка.- 1975.- №1.- С. 23-25.

2. Подгорный А.Н., Гузь И.С., Милешкин М.Б. Исследование процесса разрушения слоистых металлических материалов // Физика и химия обработки материалов.- 1975,- №1,- С. 95-99.

3. Гузь И.С., Милешкин М.Б,, Зотов А.Д. Разрушение слоистых металлических материалов при ударном изгибе // Проблемы машиностроения.- Киев: Наук, думка, 1976.- Вып. 2.- С. 30-34.

4. Подгорный А.Н., Гузь И.С., Милешкин М.Б. Исследование закономерностей развития и торможения быстрых трещин при разрушении слоистых металлических материалов // Проблемы прочности.- 1977.- »1.- С. 9-13.

5. Влияние Прочности сцепления слоев на разрушение биметалла сталь 45 - медь МЗ / И.С.Гузь, В.Д.Катихш^ М.Б.Милешкин, Г.М.Сергёев // Металловедение и прочность материалов,- Волгоград, 1978.- Вып. IX.- С. 89-94.

6. Гузь И.С., Милешкин М.Б., Газов В.И. Особенносфи раэ^ вития трещин в слоистых композиционных материалах и юс влияние на энергоемкость разрушения // Физика и химия обработки мате-

риалов,- 1979.- №5.- С. 120-123.

7. Исследование особенностей разрушения стекло- и органо-пластиковых цилиндрических оболочек с днищами / И.С.Гуэь, М.Б.Милешкин, Е.И.Музыка, С.В.Шученко, Е.В.Каневская, И.В.Биб-лик // Механика композитных материалов.- 1981,- №4.- C.63I-636.

8. Милелкин М.Б., Кученко С.В, Исследование особенностей торможения быстрых трещин в слоистых композиционных материалах методом машинного моделирования // Тез. докл. У Всесоюзной конф. по композиционным материалам.- М., 1981,- Вып.2.- C.4I-43.

9. Акустико-эмиссионная диагностика степени поврежденное™ и прочности полимерных композиционных материалов / Й.В.Библик, М.Б.Милешкин, Е.И.Муэдаа, М.И.Палатник // Акустическая эмиссии гетерогенных материалов.- JI,t 1986.- С. 28-32.

10. Милешкнн М.Б,, Музыка Е.И., Библик И.В. Анализ связи параметров акустической эмиссии с особенностями разрушения и прочностью полимерных композиционных материалов // Акустическая эмиссия материалов и конструкций (X Всесоэзная конференция). Часть П.- Ростов н/Ц: изд-во Ростовского университета, 1989.-С. 95-100.

11. A.c. V 1229687 (СССР). Способ определения толщины тонких покрытий / М.Б.Милешкин, Е.И.Музыка, М.И.Палатник, Е.Ф.Лукьянов, Г.И.Мамин, В.М.Налетов, А.П.Савченко.- Опубл. в Б.И.

1986, №17.

12. A.c. № I29527I (СССР). Способ определения прочности изделий / М.Б.Милешкин, Е.И.Музыка, Й.В.Библик.- Опубл. в Б.И.

1987, В9.