автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Комплексное развитие методов определения механических свойств металлических материалов с целью их эффективного использования в промышленности, на транспорте и в строительстве

2 3 "ОП "

Московский государственный строительный университет

На правах рукописи УДК 620.178.2/3/18:669.01.29

ГУДКОВ Анатолий Александрович

КОМПЛЕКСНОЕ РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С ЦЕЛЬЮ ИХ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ, НА ТРАНСПОРТЕ И В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Специальность - 05.16.01. Металловедение и термическая обработка металлов

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук в виде научного доклада

Москва - 1998

Московский Государственный Строительный Университет

На правах рукописи УДК 620.178.2/3/18:669.01.29

ГУДКОВ Анатолий Александрович

КОМПЛЕКСНОЕ РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С

ЦЕЛЬЮ ИХ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ, НА ТРАНСПОРТЕ И В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Специальность — 05.16.01. Металловедение и термическая обработка металлов

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук в виде научною доклада

Москва — 1998

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Е. А. Шур,

доктор технических наук В. Т. Алымов,

доктор технических наук, профессор В. М. Матюнин.

Ведущая организация —

Центральный Научно-исследовательский институт строительных конструкций им. В. А. Кучеренко (ЦНИИСК).

Защита диссертации состоится 1998 г. в м. часов на

заседании специализированного совета Д 114.01.04 во Всероссийском Научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта по адресу: г. Москва, 129851, ул. 3-я Мытищинская, д. 10.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в научно-технической библиотеке института.

Диссертация в виде научного доклада разослана

1998 г.

Отзыв на диссертацию в 2-х экз., заверенный гербовой печатью, просим направить по адресу диссертационного совета института.

Ученый секретарь

специализированного совета Д 114Л1.04,

к. т. и. 1 Г. И. ПЕНЬКОВА

л^Г.И.!

з

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ 5

ВВЕДЕНИЕ 17

1. ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ПРИ СТАТИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ 20

1.2. Разработка и совершенствование методов определения характеристик трещиностойкости низкоцрочных сталей 21

1.2. Исследование трещиностойкости сталей 17Г1С, 16Г2САФ, 20Х2Н4А, 40ХНМА, выплавленных по современным технологиям * 29

1.3. Оценка влияния структуры и размера зерна стали 10Н4Г4Х2МЮ на сопротивление хрупкому разрушению

31

36

1.4. Определение вязкости разрушения (Кю) по данным испытаний на усталость 32

2. ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ 35

2.1. Осциллографирование ударного изгиба в координатах усилие-время и усилие-прогиб 35

2.2. Совместное влияние марганца и хрома на склонность конструкционной стали к хрупкому разрушению

2.3. Методика испытаний на ударный изгиб крупноразмерных полнотолщинных образцов (типа 0\\ТТ) 37

2.4. Определение скорости распространения хрупкой трещины в листовых образцах , 38

3. ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ 40

3.4. Наблюдение за развивающейся усталостной трещиной 41

3.1.5. Метод датчиков последовательного обрыва 41

3.1.6. Метод ступенчатых нагружений 43 .7. Сопоставление экспериментальных данных, полученных различными

егодами наблюдения за развивающейся усталостной трещиной 48

.3. Количественная оценка отдельных зон поверхности усталостного излома 50 .4. Электроннофрактографические исследования поверхности усталостного

азрушения сталей 52

.5. Исследование стадий зарождения и распространения усталостных трещин 55,

>.6. Особенности поведения малых усталостны* трещин 58

3.7. Оценка влияния частоты нагружения на скорость распространения усталостной трещины в стали 14Х2ГМР 62

3.8. Закономерности развития усталостных трещин в сварных стыковых соединениях из низкоуглеродистых и низколегированных сталей 63

4. РАЗВИТИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ СТАНДАРТНЫХ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ 65

4.5. Оценка повреждаемости конструкционных материалов при усталостных испытаниях в условиях резонансного режиц| 65

4.2. Модернизация установки на скручивание образцов при повышенных температурах 68

4.3. Сопоставление экспериментальных методов исследования технологических испытаний листов и лент на выдавливание сферической лунки" 71

4.4. Определение сравнительной износостойкости тонких упрочненных слоев методом ступенчатых лунок 73

4.5. Методика испытаний металлов и сплавов на ползучесть и виброползучесть 77

4.6. Определение влияния ВМТО на сопротивление разрушению при статическом и циклическом нагружении стали 1Х14Н18В2БР1 (ЭИ 726) при температуре испытания 700°С 79

4.7. Методика испытаний на усталость образцов из труб и листов толщиной менее

12 мм. 80

4.8. Оценка работоспособности деталей и конструкций в условиях сложного нагружения при малоцикловой усталости 81

4.9. Исследование эффективности различных схем упрочнения сплава ОХН40МДТЮ (ЭП 543) пластическим деформированием при различных температурах 82

5. СТАНДАРТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ 84

5.1. Стандартизация методов измерения твердости. Анализ отечественного и зарубежного опыта 85

5.1.1. Сопоставление стандартов на метод измерения твердости по Бринеллю 86

5.1.2. Сопоставление стандартов на метод измерения твердости по Виккерсу 88

5.1.3. Сопоставление стандартов на метод измерения твердости по Роквеллу и Супер-Роквеллу 89

5.1.4. Сопоставление стандартов на метод измерения твердости по Шору 91

5.1.5. Анализ работ по стандартизации в международном масштабе (в рамках ИСОиПКССЭВ) 93

5.2. Стандартизация методов испытаний на растяжение при анормальных температурах 94

5.2.1. ГОСТ 11150-75 Металлы. Методы испытаний на растяжение при пониженных температурах 94

5.2.2. ГОСТ 9561-73 Металлы. Методы испытаний на растяжение при повышенных температурах 95

5.3. Стандартизация технологических испытаний листов и лент на выдавливание

по Эриксену (ГОСТ 10510-74) 96

5.4. Унификация методов испытаний в механике разрушения 99

5.4.1. Разработка РД 50.344-82 99

5.4.2. Экспериментальная проверка применимости РД 50.260-81 для определения характеристик трещиностойкости низкопрочных сталей 100

5.4.3. Рассмотрение и анализ ГОСТ 25.506-85 101

6. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 102

6.1. Научно-организационные мероприятия 102

6.2. Модернизация испытательного оборудования 103

6.3. Совершенствование твердомеров и других технических средств измерения 1,08

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

111 117

ПРЕДИСЛОВИЕ

Актуальность проблемы. Стали и сплавы еще долгие годы останутся основным конструкционным материалом, применяемым в промышленности, на транспорте и в строительстве. В нашей стране, как известно, еще совсем недавно металла выплавлялось больше, чем в других странах, но используется он пока менее эффективно. Поэтому повышение эффективности использования черных металлов в народном хозяйстве является многоотраслевой комплексной проблемой, которая требует скорейшего решения. Различные отрасли современной техники предъявляют высокие требования к надежности изделий, а следовательно, и к качеству металла, в частности к таким его свойствам, как прочность, трещиностойкосгь, упругость, выносливость, вязкость, пластичность, твердость[1.3, 1.21, 1.25, 1.28].

Наука о механических испытаниях имеет сравнительно короткую историю. Из небольшого перечня приемов для определения разрушающей нагрузки при разрыве, изломе, кручении выполняемых при проверке качества готовых металлических изделий, эта область инженерного искусства сформировалась'в настоящее время в самостоятельную обширную научную дисциплину. В работе весь комплекс механических испытаний, включающий методы испытаний на трещиностойкосгь, рассматривается как единое целое, как самостоятельное научное направление.

Первыми отраслями промышленности, где эти приемы и ростки науки возникали и развивались, были железнодорожное строительство и металлургия. Ведущая роль в нашем столетии в формировании и создании науки о механических свойствах материалов принадлежит выдающимся русским ученым: Н. Н. Давиденкову, Н. П. Щапову, Я. Б. Фридману, С. В. Серенсену, И. А. Одину, идеи которых продолжают и сейчас оказывать большое влияние на современные концепции экспериментальной оценки характеристик механических свойств металлических материалов.

Большой вклад в развитие механики материалов и разработки новых технологических методов повышения прочности металлов при статических, динамических и циклических условиях нагружения представляют работы отечественных ученых: Н. Н. Афанасьева, Г. И. Баренблата, Н. А. Буше, А. П. Гуляева, М. Э. Гарфа, В. С. Зотеева, В. С. Ивановой, И. В. Кудрявцева, С. Т. Кишкина, Л. М. Качанова, В. П. Когаева, Г. В. Карпенко, Ю. И. Лахтина, Г: С. Писаренко, В. В.

Панасюка, С. И. Ратнер, Ю. Н. Работнова, А. И. Скакова, В. Т. Трощенко, Л. Т. Тимощука, Г. В. Ужика, Г. П. Черепанова, С. О. Цобкало, Е. А. Шура, М. Я. Шашина, а также зарубежных исследователей: А. Гриффитса, Дж. Ирвина, В. Вейбулла, Я. Немеца, П. Форреста, Т. Екобори, С. Коцаньды, П. Париса и др.

Характеристики механических свойств являются основой инженерных расчетов на прочность и надежность деталей машин и сооружений, а также широко используется для оценки качества стайи и выявления роли изменения технологии металлургического производства на качество металлоконструкции. При выборе метода механических испытаний металлов (их около 70) встречаются и иногда приходят в противоречие несколько условий. Главным из них является желание по возможности полнее имитировать служебные условия работы металла в изделии. Но это ограничивается аппаратурой, применяемой для выполнения испытаний, способом изготовления и формой образцов и далеко не всегда можно точно воспроизвести служебные условия нагружения металла. Условие создания новой техники требует знание поведения металла при особых формах его нагружения и эксплуатации. Среди этих особых форм нагружения следует отметить медленные периодические изменения нагрузки как с сохранением её знака, так и с переменным знаком в условиях ползучести,- длительной прочности и усталости при неустановившихся тепловых и силовых режимах нагружения.

В проблеме повышения долговечности машин металловедческие аспекты являются определяющими, ибо только оптимально выбранные качественные материалы в первую очередь способны продлить ресурс и эффективность работы машин и конструкций. С этим связана возможность экономии металла. Метод расчета экономии основан на том, что металлопродукция повышенного качества, как правило, эквивалентна большему объему металлопродукции обычного качества, то есть из металла повышенного качества можно получить больше изделий или более надежные и долговечные, чем из такого же объёма металла обычного качества.

Методы измерения твердости широко применяются, когда требуется осуществить контроль качества каждого изделия, когда размеры • изделия столь малы, что не допускают изготовления образцов, когда необходимо контролировать состояние металлов в производстве или в процессе эксплуатация машин и конструкций, когда требуется исследовать состояние ограниченного объёма металла и качество металлопродукции в производственных условиях.

Более углублённые современные пред' давления о природе разрушения потребовали разработки новых прочностных, деформационных и энергетических характеристик, отражающих свойства материала в локальном объёме у вершины трещины. Разрушение в этом случае рассматривается, как локальный, постепенно распространяющийся процесс, характеризующийся следующими одна за другой стадиями. Сопротивление разрушению на каждой стадии оценивается определёнными показателями, характеризующими многостадийность процесса при статическом, динамическом и циклическом нагружениях. На ряде примеров показано, что вновь разрабатываемые методы определения характеристик трещиностойкости являются развитием и совершенствованием существующих стандартных методов испытаний. В этом проявляется взаимосвязь и преемственность существующих с вновь разработанными методами испытаний по определению характеристик механических свойств металлов. Знание этой связи даёт возможность обоснованно, с определённой степенью вероятности переходить от сложных механических испытаний к более простым.

Одним из способов оценки сопротивления стали хрупкомуразрушению является выявление скорости распространения зародившейся трещины на каждой стадии процесса разрушения. Имеется ряд предложений по оценке значений критической скорости трещины для момента перехода от стабильного к самопроизвольному её распространению в случае статического и циклического условий нагружения. Регистрация длины трещины при динамическом нагружении связана с техническими трудностями в части разработки сложной безынерционной регистрирующей аппаратуры и настройки е6 работы в процессе экспериментальных исследований.

Показано, что важное значение для практических целей имеет установление не только условий возникновения (инициирования)разрушения от исходных трещин, но и условий торможения и остановки движущихся трещин. С одной стороны, установлена связь скорости развития трещины при однократном нагружении с фитерием Ирвина, с другой стороны, показано, что скорость развития усталостной трещины зависит также от коэффициента интенсивности напряжений. Установлена зависимость коэффициента интенсивности напряжений от температурно-скоростного фактора при динамических условиях испытаний. Таким образом намечается единый подход к изучению процесса разрушения при статических, динамических и циклических условиях нагружения.

Важной проблемой развития механических испытаний является ведение работ по стандартизации и унификации методик, поскольку применение единой методики при проведении испытаний позволяет надежно сопоставлять полученные экспериментальные данные; разработке и пересмотру государственных и международных стандартов сопутствовала большая экспериментальная исследовательская работа. Все перечисленные обстоятельства определяют актуальность проведенных исследований.

Представленная работа является результатом 35-летней научно-исследовательской деятельности автора в лаборатории механических испытаний металлов ЦНИИЧМ имени И. П. Бардина и на кафедре «Технология металлов» МИСИ имени В. В. Куйбышева (МГСУ).

При разработке и исследовании методов механических испытаний металлических материалов автор опирался на фундаментальные работы А. Е. Андрейкива, В. Т. Алымова, А. М. Борздыки, В. Н. Данилова, Н. А. Махутова, В. М. Маркочева, Е. М. Морозова, Р. С. Николаева, П. Д. Одесского, А. Н. Романова, В. А. Стрижало, В. Ф. Терентьева, Л. М. Школьника и многих других.

Тема диссертации соответствует научно-технической программе Госкомобразования СССР по решению важнейших проблем машиностроения на 1998 -2000 гг. и, в частности, программе «Строительство», соискателем которой является автор. Работа выполнялась в соответствии с Постановлением ЦК КПСС и Совмина СССР № 814 от 18.03.83 г. «О мерах по ускорению научно-технического прогресса в народном хозяйстве», № 273 от 04.04.83 «Об обеспечении единства измерений в стране», № 540 от 12.05.86 «По коренному повышению качества продукции», а также в соответствии с государственной, целевой комплексной научно-технической программой «Надежность продукций», отраслевыми НИОКР 1962-1998 гг.

Цель работы. Повышение эффективности использования сталей и сплавов, эксплуатирующихся при статических, динамических и циклических условиях нагружения в широком диапазоне температур (от -196°С до +1200°С) в промышленности, на транспорте и в строительстве, путем разработки и внедрения комплекса методов механических испытаний материалов на основе исследования процесса разрушения методами механики разрушения и ■электронной фактографии.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

• теоретически и экспериментально исследовать методы определения характеристик циклической, динамической и статической трещиностойкости сталей различного состава и структуры с целью обеспечения и обоснования единого подхода к изучению процесса разрушения при статических, динамических и циклических условиях нагружения для определения безопасных, против хрупкого разрушения, условий эксплуатации;

• исследовать и обобщить взаимосвязи различных критериев достоверности определения критического коэффициента интенсивности напряжения (Кк) при статическом нагруженни компактных образцов из низколегированных сталей на внецентренное растяжения в условиях отрицательных температур и использования их для построения обобщающих диаграмм, определяющих область истинных значений К1С по температуре и толщине образца;

• разработать аппаратуру и методику испытаний различных материалов при статических, динамических и циклических условиях нагружения в условиях низких и высоких температур для получения новых, предельно возможных объективных характеристик механических свойств материалов, определяющих их конструктивную прочность;

• исследовать. особенности и закономерности влияния общего уровня загрязненности и характера распределения неметаллических включений на параметры, характеризующие служебные условия работы металла для выявления роли изменения технологии металлургического производства на качество стали ;

• разработать методические основы повышения точности определения скорости распространения трещины с целью обеспечения совершенствования комплекса экспериментальных методов оценки сопротивления развитию трещины при различных условиях нагружения;

• изучить особенности развития усталостной трещины в условиях программного нагружения с целью создания условий исключающих эффекты ускорения или торможения трещины при смейе нагрузок в условиях циклического нагружения;

• оценить изменение фронта развивающейся усталостной трещины в плоских образцах для совершенствования метода контроля кинетики ее роста по всей толщине образца;

• исследовать особенности и закономерности развития усталостных трещин в сварных стыковых соединениях из низкоуглеродистых и низколегированных сталей с целью дальнейшего расширения области использования критериев механики разрушения и нахождения оптимальных решений для повышения надежности этих конструкций;

• оценить влияние различных схем упрочнения сталей и сплавов на комплекс механических свойств для расширения сортамента производства и области их применения в технике;

• совершенствовать экспериментальную базу для исследования характеристик механических свойств в связи с развитием методов испытаний их автоматизацией и применением ЭВМ для обработки экспериментальных данных.

Методы исследования. Работа выполнена с применением большого комплекса исследований, включающих аналитические, лабораторные и производственные испытания. В процессе проведения работы использованы следующие методики: стандартные механические испытания образцов; специальные механические испытания образцов для определения характеристик трещиностойкости при статическом, динамическом и циклическом нагружении; определение сравнительной износостойкости тонких поверхностных слоев сталей, упрочненных методами ХТО; методы экспрессного контроля качества листовой металлопродукции и "твердости отливок из цветных сплавов в производственных условиях; новые метода испытаний по определению характеристик механических свойств металлических материалов при различных силовых и температурных условиях нагружения; металлографические исследования; электронно-микроскопические исследования; рентгеноспектральные исследования; статистическая обработка экспериментальных данных; стандартизация методов механических испытаний металлопродукции. Объектами исследования были стали СтЗ, Ст4, 08Ю, 40, 45, 40Х, 10Г2С1, 15Х2МФА, 17Г1С (2. плавки), 14Х2ГРМ, 16Г2САФ, 20Х2НЧА (15 опытных плавок), 40ХНМА (2 промышленные плавки), ЗОХГСФ, 30Х5Н2МСФА, 35ХГ2А (12 лабораторных, плавок), 90Х?Ф, 12Х18Н9Т, 1Х14Н18В2БР1 (ЭИ 726), 10Н4Г4Х2МЮ, Н18К8МЗТЮ; сплавы ОХН40МДТЮ (ЭП 543), ЭИ 652 (ХН70Ю); биметаллы 17Г2СФ — 12Х18Н10Т и 14Х2ГМ — 12Х18Н10Т; жаропрочные композиционные материалы на рснове никелевых сплавов ЭИ 652 (ХН70Ю) и ЭП 747 (ХН45Ю), армированных вольфрамовыми волокнами марки ВА; медь марки М1. Основная часть исследований выполнена на листовом прокате

толщиной 150,0—1,0 мм.

Научная новизна. На основе комплексного исследования и обобщения полученных результатов разработаны научные основы повышения эффективности использования металлических материалов в различных областях промышленности:

1. Изучены методы определения характеристик статической, динамической и циклической трещиностойкости сталей различного состава и структуры с целью обеспечения и обоснования единого подхода к исследованию процесса разрушения при статических, динамических и циклических условиях нагружения для определения бехопасных, против хрупкого разрушения условий эксплуатации. Разработан комплекс экспериментальных методов для исследования скорости роста трещин усталости . (СРТУ) и показано, что метод ступенчатых нагружений является настолько универсальным, что рекомендуется для тарировки косвенных методов оценки СРТУ и различных методов неразрушающего ' контроля качества нагруженных узлов и металлоконструкций в процессе эксплуатации.

При этом впервые обнаружено:

- установлено, что отдельные участки трещины в плоском образце в процессе усталостного разрушения движутся с различной скоростью;

- показано, что в плоском образце усталостная трещина растет в постоянно меняющемся напряженном состоянии;

- установлено различие между фактической длиной трещины и длиной трещины определенной по градуировочному графику при тарировке метода эквипотенциальных поверхностей методом ступенчатых нагружений;

- определено распределение величины Кк по толщине исследованного полуфабриката;

- показано, что предпочтительнее производить запись осциллограммы при ударном изгибе в координатах "усилие-время", а не "усилие-прогиб"

2. Сделаны обобщение связей между составом и распределением неметаллических включений и комплексом механических свойств исследуемых сталей при статических, динамических и циклических условиях- нагружения в диапазоне температур от -196 до +20° С. Показано, что ударная вязкость на поперечных образцах, работа зарождения трещины, работа развития трещины, коэффициент интенсивности напряжений, предел выносливости чувствительны к характеру и количеству содержащихся неметаллических включений в исследованных пределах.

.3. Разработан новый принцип разделения трещин на микроскопическую и макроскопическую, связанный с изменением параметра, контролирующего его рост и уровень нагруженности.

4. Предложена методика оценки износостойкости тонких упроченных слоев методом лунок, позволяющая исследовать темп износа по глубине слоя и выбрать из многочисленных технологических вариантов насыщения поверхностных слоев металла оптимальные, отличающиеся наилучшими антифрикционными свойствами. Реализован метод измерения твердости отдельных слоев в тонких покрытиях.

5. Обобщены результаты оригинальных исследований характера разрушения прочности и пластичности металлических композиционных материалов на основе никелевых сплавов, армированы вольфрамовыми волокнами марки ВЛ при скручивании в экстремальных температурных условиях. Изучено влияние температуры нагрева и величины объемной доли волокон в матрице на характеристики разрушения и деформирования композиционных материалов.

6. Разработан метод экспериментального изучения поведения металлов и сплавов при ползучести в нестационарных тепловых и силовых условиях нагружения и экспериментально исследовано влияние вибрации ограниченной амплитуды на процесс деформирования при ползучести исследованных материалов.

7. Разработан и создан ряд экспериментальных установок, включающий высокоскоростной автоматизированный испытательный комплекс типа ТУРБО-8 для проведения испытаний на усталость консольных образцов при поперечном изгибе в режиме автоколебаний при жестком нагружении, измерительный комплекс, состоящий из датчика последовательного обрыва и прибора для регистрации скорости распространения усталостной трещины, установку для исследования скорости роста усталостной трещины на цилиндрических образцах с наружным разрезом, установку, позволяющую проводить исследования на "виброползучесть" при совместном действии длительной статической нагрузки и вибрации .частотой 400 гц при повышенной температуре.

Достоверность и обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов подтверждены экспериментальными исследованиями автора, сопоставлением результатов с аналогичными данными из литературных источников, а также результатами использования разработанных методов в производственных условиях.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Впервые в нашей стране при создании РД50.260-8}< был разработан и проведен базовый эксперимент,

заключающийся в проведении шестью НИИ и ПО испытаний семи типоразмеров образцов в широком диапазоне температур из стали 15Х2МФА по определению характеристик трещиностойкости при статическом нагружении (всего было испытано 75 образцов толщиной 150 - 25 мм при температуре от -140 до +80°С). Такие испытания позволили проверить правильность требований, заложенных в разрабатываемый нормативный документ для' обеспечения сопоставимости и воспроизводимости экспериментальных результатов и получить важный в научном и практической отношении материал по критериальным характеристикам вязкости разрушения (трещиностойкости) для низкопрочной пластичной корпусной стали ответственного назначения. Результаты базового эксперимента были использованы при разработке стандарта по определению характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении (ГОСТ 25.506-85).

/

Предложена классификация методов механических испытаний, включающая-методы исследования зарождения трещин, распространения трещин, торможения и остановки движущихся трещин.

В качестве основной характеристики трещиностойкости. низкоуглеродистых и низколегированных сталей при статическом нагружении обоснован о использование критического коэффициента интенсивности напряжений К1С, полученного при испытании на изгиб и внецентренное растяжение. Сформулированы и обоснованы условия, определяющие область истинных значений К,с при статическом однократном нагружении компактных образцов из сталей низкой и средней прочности на внецентренное растяжение, в условиях отрицательных температур. Построена обобщающая диаграмма для низколегированной стали 10Г2С1, определяющая область истинных значений К1С по температуре и толщине образца: Изучены распределений К,с по толщине исследуемого полуфабриката.

Проведен анализ напряженного состояния и установлены граничные условия применимости формулы для подсчета коэффициента интенсивности напряжений при изгибе цилиндрических образцов с внешней кольцевой трещиной.

С помощью метода электронной фрактографии получены сведения о характере изменения микрорельефа поверхности усталостного излома от начала движения трещины до зоны окончательного долома и показано, что при программном нагружении на границах колец отсутствуют заметные переходные зоны, как на участке" соответствующем переводу от высокой нагрузки к низкой, так и на участке с обратным

чередованием нагрузки при выбранных условиях нагружения.

Приведенные в исследованиях результаты нашли, широкое применение в виде методик и аппаратуры испытаний как на заводах черной металлургии, так и на предприятиях потребителей металлопродукции во многих отраслях промышленности для контроля качества металла в практике металловедческих исследований. На этой основе разработаны Технические требования к ряду образцов испытательной технике для практического улучшения серийных испытательных машин. В процессе исследований созданы оригинальные разработки, носящие комплексный характер и охватывающие результаты научных исследований и создание аппаратуры для определения характеристик механических свойств металлопродукции, многие из которых внедрены в производство, используются в учебном процессе МГСУ (бывший МИСИ имени В. В. Куйбышева) и Университетах научно-технического прогресса или вошли в нормативные документы комиссии Госстандарта СССР по определению характеристик трещиностойкости конструкционных материалов. Результаты разработок используются для решения различных металловедческих, технологических, конструкторских и других задач при оценке характеристик механических-неслужебных свойств материалов, определяющих надежность изготовления металлопродукции и её дальнейшую эксплуатацию в изделии.

Ряд результатов опубликован в монографиях «Трещиностойкость стали» (М.: Металлургия, 1989. — 376 е.); «Методы измерения твердости металлов и сцлавов» (М.: Металлургия, 1982. — 168 е.); «Стандартизация методов измерения твердости металлопродукции. Анализ-отечественного и зарубежного опыта» (М.: Издательство стандартов, 1985. — 56 е.).

Полученные в работе результаты использованы при разработке следующих стандартов и ведомственных регламентирующих документов:

1. ГОСТ 9651-73. Металлы. Методы испытаний на растяжение при повышенных температурах.

2. ГОСТ 10510-74. Металлы. Метод испытания на выдавливание листов и лент (метод Эриксена).

3. ГОСТ 2999-75. Металлы. Метод измерения твердости алмазной пирамидой по Виккерсу.

4. ГОСТ 11150-75. Металлы. Метод испытания на растяжение при пониженных температурах.

5. ГОСТ 22975-78 (Ст. СЭВ 2190-80). Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Роквеллу при малых нагрузках (по Супер-Роквеллу).

6. ГОСТ 23273-78. Металлы и сплавы. Измерение твердости методом упругого отскока бойка (по Шору).

7. Ст.СЭВ 468-77. Металлы. Определение твердости по методу Бринелля.

8. Ст. СЭВ 469-77. Металлы. Определение твердости по методу Роквелла Шкалы А, В, и С.

9. Ст. СЭВ 470-77. Металлы. Определение твердости по методуВиккерса.

10. РД 50.345-82. Методические указания. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик сопротивления развитию трещины (трещиностойкости) при циклическом нагружении.

11. Рекомендации по применению инструмента и материалов во взрывоопасных производствах (Миннефтехимпром СССР, 1986).

12. Рекомендации по обеспечению искробезопаснбсти инструмента и материалов во взрывоопасных производствах, применяющих пропан-бутан (Миннефтехимпром СССР, 1991)

13. Научно-технические проблемы развития черной металлургии на современном этапе. Учебно-тематический план для народных университетов научно-технического прогресса (общество «Знание» РСФСР, 1985г.).

14. Современные-способы получения и конструирования высококачественных металлических материалов. Примерный план и программа для народных университетов (Общество «Знание» РСФСР, 1990г.)

Рассмотрена проблема совершенствования испытательной техники в связи с развитием методов механических испытаний металлопродукции. Даны рекомендации по комплектованию системы контроля качества отдельных видов металлопродукции и изделий машиностроения с использованием приборов для измерения твердости НВ по глубине отпечатка при создании автоматизированных заводов будущего.

Разработки, выполненные при непосредственном участии автора экспонированы на ВДНХ СССР в павильоне «Металлургия» и отмечены бронзовой медалью (1975) и почетным знаком-общества «Знание» «3»активную работу» (1986).

Апробация работы. Результаты работы были представлены и получили одобрение на IV, VI, VIII, XII, XIV, XVI, XVIII, XX Всесоюзных коллоквиумах предприятий черной металлургии «Опыт ЦЗЛ по контролю и исследованию качества металлопродукции методами металлографии и механических испытаний» (Москва, 1962, 1964, 1966, 1970, 1972, 1974, 1976, 1978 гг.), на III конференции молодых специалистов ЦНИИЧМ им. И. П. Бардина (Москва, 1962 г.), на ежегодных научно-технических конференциях МГСУ (бывший МИСИ им. В. В. Куйбышева) за период 1972, 1983-1992 гг., на семинаре «Проблемы прочности и разрушения металлов» МДНТП им. Дзержинского (Москва, 1970, 1974, 1976 гг.), на VI, VII, VIII, IX Всесоюзном совещании по усталости металлов, ИМет им. А. А. Байкова АН СССР (Москва, 1972, 1977, 1982, 1986 гг.), на научно-техническом семинаре «Новые виды и методы механических испытаний проволоки и канатов» (г. Белорецк, 1973 г.), на научно-техническом семинаре по актуальным вопросам материаловедения Совета НТО института Машиноведения АН СССР (Москва, 1973 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции «Вопросы стандартизации и унификации методов расчета деталей общемашиностроительного применения» (г. Ижевск, 1973 г.), на Всесоюзном научно-техническом семинаре «Опыт применения неразрушающих методов контроля на предприятиях черной металлургии» (Москва, ВДНХ, 1973 г.), на I и II Всесоюзном симпозиуме «Трещиностойкость материалов и элементов конструкций» (г. Киев, 1978, 1985 гг.), на III Всесоюзном симпозиуме «Малочисловая усталость элементов конструкций» (г. Паланга, 1979 г.), на VII научно-технической конференции ВЗМИ (г. Москва, 1980 г.), на Международном коллоквиуме «Механическая усталость металлов» (г. Киев, 1981 г.), на заседании научно-технической комиссии по стандартизации в области механики разрушения Госстандарта СССР (г. Челябинск, 1983 г.), на IV Всесоюзном симпозиуме «Малочисловая усталость - механика разрушения, живучесть и материалоемкость конструкций» (г. Краснодар, 1983 г.), на конференции «Структура и свойства металлов и вопросы методики преподавания технологии конструкционных металлов» (г. Новокузнецк, 1984 г.), на 11-ом совещании по тепловой микроскопии «Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур» (г. Москва, 1984 г.), на научно-технической конференции «Методы оценки и пути повышения трещиностойкости и надежности труб, трубопроводов и сосудов давления» (г. Челябинск, 1985 г.), на Международной профессиональной конференции «О заводе будущего» (BP, Будапешт, 1990 г.), на научно-техническом семинаре ПИСйСМ (КНДР,

г. Пхеньян, 1990 г.), на Международной конференции «Зарождение и рост трещин в металлах и керамике - роль структуры и окружающей среды» (Болгария, г. Варна, 1991 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы создания и эксплуатации испытательной техники» (г. Иваново, 1991 г.), на I совещании металловедов России (г. Пбнза, 1993 г.), на международной научно-технической конференции «Развитие строительных машин, механизации и автоматизации строительства и открытых горных работ» (г. Москва, 1996 г.).

~ Публикации. Диссертация обобщает исследования автора за период с 1962 по 1997 гг. (всего выполнено 164 научно-исследовательские работы). Основное содержание диссертации опубликовано в 66 печатных работах в журналах и сборниках, в том числе в пяти монографиях (из них две в соавторстве), опубликованных в центральных издательствах. Кроме того; отдельные защищаемые вопросы изложены в 25 отчетах по госбюджетным и хоздоговорным научно-исследовательским работам, зарегистрированным во ВНИТИЦёнтре, г. Москва.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из предисловия, введения, 6 разделов, общих выводов и заключения; содержит 16 рисунков и список литературы, включающий отдельно публикации автора по теме диссертации (66 наименований) и цитированную литературу (33 наименования).

ВВЕДЕНИЕ

Рассматриваются и анализируются вопросы развития и совершенствования методов механических испытаний металлов как основы их эффективного использования в изделиях различного назначения. Разрушение в данной работе рассматривается как локальный, постепенно распространяющийся процесс, характеризующийся следующими одна за другой стадиями. Сопротивление разрушению на каждой стадии оценивается определенными показателями, характеризующими многосгадийность процесса при статическом, динамическом и циклическом нагружениях. При этом наибольшая информационность присуща методам испытания образцов относительно большого сечения, ибо в этом случае удается выделить наиболее характерные стадии процесса разрушения материала и исключить из рассмотрения трудное для оценки влияние границ образцов на процесс формирования трещин и их распространение.

Весь комплекс механических испытаний, включающий методы испытании на трещиностойкость, рассматривается как единое целое, как самостоятельное научное направление. Показано, что вновь разрабатываемые методы определения характеристик трещиностойкости являются развитием и совершенствованием существующих стандартных методов испытаний по определению характеристик механических свойств металлов [2.1]. Знание этой связи дает возможность обоснованно, с определенной степенью вероятности переходить от сложных механических испытаний к более простым. При выборе характеристик механических свойств следует отдавать предпочтение тем, которые могут быть использованы как для оценки свойств материалов, так и для расчетов деталей и элементов конструкций на прочность.

Описаны экспериментальные установки, приспособления и методики изучения механических свойств металлических материалов в условиях статического, динамического и циклического нагружения при анормальных температурах. Подчеркнуто, что детально эти особенности в работе описаны потому, что вопросы техники и методики проведения испытаний в литературе отражены недостаточно полно. Освещены методические и метрологические особенности испытаний, дан анализ надежности работы как отдельных узлов экспериментальных установок, так и всего ' испытательного комплекса в целом. Определяются задачи и перспективы их развития, как основы для совершенствования существующих и разработки новых материалов.

Подробно обсуждаются результаты экспериментальных исследований. Основные направления важнейших дальнейших исследований по вопросам металловедения, механических испытаний и совершенствования испытательной техники приведены в работах [2.2-2.7].

Показано, что разрушение в процессе развития трещины представляет собой локальный постепенно распространяющийся процесс. В этом случае сопротивление разрушению материала контролируется не усредненными свойствами, а теми, которые проявляются у вершины трещины в данный момент времени* Однако параметр механики разрушения К определяется как приложенным напряжением, так и длиной трещины. При испытании на циклическую трещиностойкость одинаковые значения коэффициента К можно получить как пря высоком напряжении и малой длине трещины, так и при низком напряжении, но большой длине трещины. Это означает, что идентичность напряженно-деформированного состояния в этом случае можно ожидать лишь на некотором расстоянии от вершины (трещины, при достаточном1 удалении от

кончика трещины напряжения значительно различаются. Это, а также неодинаковая продолжительность испытания при двух уровнях напряжений, приводит к различному изменению - свойств материала на пути следования трещины. Трещина в этих двух случаях развивается как бы в двух разных по свойствам материалах.

Таким образом, скорость развития усталостной трещины определяется не только процессами, идущими в окрестности вершины трещины, но и изменениями свойств во всем объеме циклически деформированного материала. В зависимости от того, какой из этих процессов имеет преимущественное значение, меняется роль коэффициента интенсивности напряжений как контролирующего фактора в отношении скорости распространения усталостной трещины. При этом установлено, что о циклической трещиностойкости нельзя судить лишь по какой-либо одной механической характеристике. Высокое сопротивление развитию усталостной трещины определяет, в основном, оптимальное сочетание характеристик вязкости, прочности и пластичности (Кс,с0,2, у).

Показано, что зависимость скорости роста усталостной трещины ((1а/сШ) от размаха коэффициента интенсивности напряжений (ДК) в^двойных логарифмических координатах описывается Э-образной кривой с несколькими перегибами в области промежуточных скоростей. При этом зависимость <1аЛ1М=Я;дК) характеризуется пороговым значением коэффициента интенсивности напряжений ЛКц, (при ДК=ДКй, трещина не развивается) и циклической вязкостью разрушения К.^, соответствующей долому образца. Отмечено также, что влияние цикличности нагружения на различие характеристик вязкости разрушения конструкционных сталей К(ь и К]с определяется склонностью этих сплавов к упрочнению или разупрочнению при циклических нагрузках, Кгс в два-три раза может быть меньше в зависимости от свойств испытуемого материала. Установлено, что величина К^ зависит, а Кц, не зависит от Я,.

Основной практический вывод, следующий иэ-теории Гриффитса, заключается в том, что наличие трещины в материале не обязано немедленно выводить конструкцию из строя. Это обстоятельство и служит развитие* тясаники разрушения как науки, конечной практической целью которой. дол?®в; быть создание надежных методов защиты конструкций от хрупкого разрушения.

Рассмотрены вопросы стандартизации и унификации методов механических испытаний с целью получения сопоставимых данных. Унификация методов

механических испытаний выполнялась и совершенствовалась в рамках государственных стандартов, международных рекомендаций и стандартов. При этом разработке и пересмотру стандартов и рекомендаций сопутствовала большая экспериментальная исследовательская работа.

Рассмотрены проблемы совершенствования испытательной техники в связи с развитием методов механических испытаний металлопродукции. Показано, что повышение качества и надежности конструкционных материалов связано, в частности, с разработкой новых методов испытаний на усталость, когда стадии зарождения трещины и ее распространения изучают раздельно. Такой подход к исследованию процесса разрушения следует считать более правильным и более полным, но возникают трудности в связи с необходимостью большой перестройки лабораторной техники. Перечисленные выше вопросы применительно к изучению процесса разрушения материалов и определили основные направления исследований при проведении данной работы. "

1. ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ПРИ СТАТИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

Многолетний опыт эксплуатации машин и конструкций показал практическую невозможность и экономическую нецелесообразность создания несущих машин и элементов конструкций без дефектов типа трещин (расслоения, скопления пор, горячие и холодные трещины при сварке и т.д.). Вследствие этого, а также из-за многочисленных повреждений, аварий и катастрофических разрушений машин и конструкций появилась необходимость проведения систематических исследований на образцах и деталях конструкций с трещинами. Интенсивные исследования последних двадцати пяти лет как у нас в стране, так-и за рубежом, в области механики разрушения, были направлены на разработку методов определения характеристик вязкости разрушения (трещиностойкости) с целью введения этих важных характеристик в стандарт. Однако предлагаемые в американских*и английских стандартах методы оценки вязкости разрушения весьма трудоемки, особенно в случае определения характеристик трещиностойкости пластичных металлов и сплавов.

Из отечественных работ в этой области следует отметить разработки ИМАШ АН СССР, ИПП АН УССР, ФМИ АН УССР, ИМЕТ АН СССР, МИФИ, ВИЛС, ЦНИИТМАШ, ВНИИЖТ, ЦНИИЧМ, МИСИ и других институтов, которые были

внедрены в ряде отраслей промышленности при организации контроля качества металлических материалов и заготовок ответственного назначения. Большую работу по стандартизации и унификации методов испытаний металлов на трещиностойкость проводит научно-методическая комиссия по стандартизации (НМКС) в области механики разрушения Госстандарта, возглавляемая чл.корр. РАН H.A. Махутовым.

Важность этой проблемы была впервые оценена в тех отраслях промышленности, где

/

необходимы высокая надежность и безаварийность в эксплуатации. Поэтому современные концепции трещиностойкости металлических материалов получили самое широкое распространение в аэрокосмической промышленности, атомной энергетике и тяжелом машиностроении.

1.1. Разработка и совершенствование методов определения характеристик трещиностойкости низкопрочиых сталей.

В 1976-1982 гг. были разработаны первые отечественные межотраслевые методические указания по испытаниям металлов на трещиностойкость при статических, циклических и динамических условиях нагружекия.

Первыми и наиболее важными в этой серии нормативно-технических документов были РД 50.260.81, регламентирующие такие испытания при статическом нагружении. Основное отличие этого документа от известных стандартов США, Великобритании и других стран заключается в более широком, комплексном использовании не только относительно известных характеристик трещиностойкости, но и других , таких, как критическое раскрытие трещины 5С , коэффициент интенсивности деформаций. К es, предел трещиностойкости 1с.

При создании РД 50.260-81 НМКС по механике разрушения при участии автора работы был разработан и проведен -базовый эксперимент, заключающийся в проведении шестью НИИ и ПО испытаний семи типоразмеров образцов в широком диапазоне 'температур из стали 15Х2МФА по определению характеристик трещиностойкости при статическом нагружении (всего было испытано 75 образцов толщиной 150-25 мм при температуре от -140 до +80°С). Следует отметить, что эксперимент такого рода в рамках работ по стандартизации в нашей стране проведен впервые. Такие испытания позволили проверить правильность требований, заложенных в разрабатываемый нормативный документ, для обеспечения сопоставимости и воспроизводимости экспериментальных результат"« и получить важный в научном и

практическом отношении материал по критериальным характеристикам трещиностойкости для низкопрочной пластичной стали ответственного назначения. В работе [2.8] на основании полученных экспериментальных результатов были сделаны следующие выводы:

1. Целесообразно дополнить РД 50.260-81 более детальной методикой обработки и анализа результатов, рекомендовать его более тщательное соблюдение. Вследствие' объективных факторов при обработке и анализе результатов в разных организациях полоса разброса характеристик трещиностойкости шире по сравнению с обработкой в одной организации. Точность полученных характеристик может быть значительно повышена, если во всех лабораториях будут использоваться малоинерционные силоизмерительные устройства и датчики раскрытия трещины промышленного производства.

2. Показано, что при ручной обработке диаграмм типов III и IV разброс значений Pq может достигать 22%. Это является одним из основных факторов, резко влияющих на полосу разброса окончательных значений Кю или IQ .Одним из способов снижения этого разброса является обработка диаграмм на ЭВМ. Учитывая формальность операций по определению Kq с использованием значений Pq предлагается обсудить целесообразность сохранения этой операции в будущем стандарте.

3. Установлено, что для материалов с aoj £ 980 МПа РД 50.260-81 не дает достаточно определенных рекомендаций по выбору толщины образца. Поэтому временно рекомендуется предварительный выбор толщины образца для сталей этого класса проводить по полученным экспериментальным данным. По мере накопления экспериментальных данных необходимо разработать дополнительный подход к определению ориентировочных размеров образцов.

4. Показано, что рекомендуемое условие корректности испытаний. Kq = (1,050,95) Kcj позволяет использовать не более 10% результатов определений Kic по критическому раскрытию трещин 8С. Значение К се , полученное расчетом, зависит от точности определения других характеристик (Sc-, 00,2, Е, а«> и т.д.) и условных допущений. Наибольший вклад в неточность определения К^ вносит параметр 5С.

5. Оценку подрастания трещины при статическом нагружении рекомендуется осуществлять визуально по излому образца, в связи с тем, что не все лаборатории располагают соответствующими средствами и методами, которые однозначно давали возможность определять медленный подрост трещины в процессе испытания.

6. Эксперимент показал, что образцы, у которых обнаруживается относительный лодрост трещины Д1 > 1% имеют соотношения Р</Р<5 > 1,5, а номинальные разрушающие напряжения ст м в два раза превосходят предел текучести сто,2 Соответственно характеристики Ко Кс5, 8С, подсчитанные для этих образцов, значительно отличаются (на •50-100%) от действительных значений, полученных на образцах без подроста. Кроме того, необходимо отметить, что результаты, полученные на образцах, имеющих и меньший подрост (-0,30%) отбраковываются по всем другим критериям корректности. Особенно это заметно на образцах толщиной 100-150 мм. В связи с этим для пластичных конструкционных сталей рекомендуется уточнить критерий корректности Д1 < 2% в сторону его ужесточения.

7. Показано, что практически 1.00% результатов с учетом существующих критериев (кроме К<5 = (1,05-0,95) КС! ) получены при условии а со / сто,2 =А, где А=1. Однако не надо забывать, что величина сто,2 получена при осевом растяжении гладкого цилиндрического образца, а ст со на образцах с трещиной и преобладающим действием изгиба.

8. Экспериментально установлено, что коэффициент рк в формуле 1р= рк(К<э /сто,г)2 может быть принят равным 1,5 для низкоуглеродистых и низколегированных сталей с ст0,2<980 МПа.

Таким образом, проведенные исследования позволили экспериментально проверить основные положения и предпосылки методических рекомендаций РД 50.260-81. Основным недостатком выполненной работы следует считать то, что не был проведен статистический анализ разброса полученных экспериментальных данных в зависимости от участвующих организаций. Однако можно утверждать, что несмотря на различное испытательное оборудование, записывающую и регистрирующую аппаратуру, различный опыт и подготовленность шести лабораторий, полученные результаты вполне сопоставимы, что позволяет рекомендовать их для широкого практического использования.

С целью изучения возможностей распространения методов механики разрушения на низколегированные пластичные стали была разработана" и проведена широкая программа исследований, предусматривающая следующие разделы:

• изготовление компактных образцов из листа стали 10Г2С1 толщиной 60 мм, предусматривалось изготовление образцов четырех типоразмеров толщиной 10,20,40,60 мм, проектирование и изготовление захватных приспособлений;

■ • испытания компактных образцов различных типоразмеров при температурах: -196" С; -100° С; -60 °С; -20 °С; 0 °С; 20 °С;

• получение температурных зависимостей в этом интервале для каждого типоразмера образца, определение влияния на К 1с (Кс) толщины образца и изменения Кс (Кс) по толщине и ширине листа;

• анализ изломов разрушенных образцов при различных температурах и толщинах образцов, определение формы усталостных трещин, зоны вязкого и хрупкого разрушения, направления развития разрушения, утонения образца, характера разрушения;

• анализ результатов испытаний, определение граничных условий и критериев для определения критического коэффициента интенсивности напряжений для низколегированной стали.

Рассмотрим некоторые результаты. Для статического внецентренного. растяжения компактных образцов при отрицательной температуре была разработана установка, позволяющая проводить запись диаграммы "нагрузка - смещения трещины", где решен ряд методических вопросов по регистрации при нагружении длины трещины и ее раскрытия при отрицательных температурах [2.9]. Проведен анализ надежности работы датчиков смещения при отрицательных температурах и даны рекомендации по его изготовлению и сборке. Разработано и опробовано приспособление для выноса тензодатчиков из зоны охлаждения образца.

Приспособление (рис.1) состоит из двух латунных штанг 1, 2, нижние концы которых закреплены винтами на образце 3 по равные стороны от надреза, а верхние отведены из ванны 4, и на них крепятся призмы 5 для крепления датчиков смещения 6. Расстояние между штангами устанавливается винтовым соединением с помощью которого это расстояние сохраняется во время испытания, а в продольном направлении относительное перемещение штанг происходит свободно. В этом случае датчик смещения находится вне охлаждающей жидкости и иск.-дэчается возможность выхода из строя защитного слоя, нанесенного на тензорезисторные датчики. Кроме того, сохраняется неизменной тарировка при различных температурах, в то время как для

датчика смещения, находящегося в ванне, в зависимости от температуры тарировка изменяется, и ее проверить с помощью микрометра сложно.

Рис.1. Схема установки образца с выносным приспособлением для замера смещение

1,2 - латунные штанги;

3 - образец;

4 - ванна;

5 - призмы;

6 - датчик смещения;

7 - винтовое соединение;

8 - захваты

Показано, что определенный интерес для сравнительной оценки материалов представляет измерение работы, затраченной на пластическое раскрытие трещины до ее страгивания, особенно тогда, когда каким-либо опытным путем можно установить момент страгивания трещины. Для записи диаграммы «нагрузка - длина трещины» при статическом растяжении образцов большого сечения разработана установка с раздельной записью роста длины трещины с каждой стороны от центрального надреза. Показано, что рост каждой ветви трещины от центрального надреза начинается при различной нагрузке, а изменение их скорости при постоянной скорости нагружения имеет немонотонный характер. Разработанная система регистрации длины трещины при монотонном статическом нагружении позволила установить неравномерность подроста ее в разные стороны от надреза я получить кинетику движения ее ветвей.

Вопрос о том, что считать критерием хрупкого разрушения для материалов низкой и средней прочности, имеющих зону вязкого разрушения, является довольно

сложным. Согласно классическому определению Гриффитса-Ирвина, критическим моментом в развитии трещины называется переход разрушения в неконтролируемую стадию. При плавной диаграмме «нагрузка - смещение» начало движения трещины не является признаком перехода образца через критическое состояние. Следовательно, коэффициент Кк, определенный по 5% допуску является не критической, а докритической характеристикой. По-видимому для расчета Кю следует принимать силу Р тах, при которой заведомо известно, что трещина растет. При наличии трещины при Ртах и достаточно хрупком состоянии разрушения, необходимо ограничить нелинейную часть диаграммы «нагрузка - смещение». В работах [2.9, 2.10] предложено в качестве критерия РтахЛР<5 = 1,1, что допускает определение К1С при возникновении в зоне разрушения небольшой пластической деформации. На рис. 2 приведено сопоставление экспериментальных значений определения Кю при различных температурах для сталей 14Х2ГМР(а) и 17Г1С(б), подсчитанных по Ртах при испытании малогабаритных компактных образцов (50x50x20 мм), крупногабаритных образцов с односторонней трещиной (300x450x20 мм) и образцов с центральной трещиной (120x220x20 мм).

Из графика на рис. 2 видно, что для стали 14Х2ГМР расхождение по величинам К1С, подсчитанным,по результатам испытаний крупногабаритных образцов и образцов с центральным надрезом, с одной

стороны и по Ртах для образцов на внецентренное

растяжение с другой, составили соответственно: при I = -100° С 20% и 8 % и при

1=-60°С 6% и 7 %, что говорит о хорошем совпадении результатов опыта:

Довольно значительное отличие по величине К]с отмечается для стали 17Г1С при

температурах выше -20°С, т.е. в том случае, когда зона вязкого разрушения составляет

весьма большую величину для образцов малогабаритных.

Проведен анализ применимости различных критериев достоверности для

определения истинных значений Кю при статическом однократном нагружении

компактных образцов с исходной трещиной. Получена температурная зависимость К(с

(Кс) для четырех типоразмеров компактных образцов из низколегированной стали

10Г2С1 ( толщиной 10, 20, 40, 60 мм) при внецентренном растяжении; что позволило

установить критерии, при одновременном соблюдении которых найденная

х

экспериментальным путем величина Кю может считаться достоверной: а) 1,1 ^ 0,25(Кю/о о,г)2 по моменту возникновения вязкой зоны, либо 1д > 0,80(К1с/ст о,г)2 по моменту появления утонения образца

I ■

б) 2 1,1 Р

в) Ф ни* 5 1,5%.

Рис. 2. Температурная зависимость критических коэффициентов интенсивности напряжений для стали марки 14Х2ГМР (а) ,17Г1С (б) а) б)

\(в1)-юа к

04-яе -ю •а -*> -¡о в

Генлерат/ра, *С

Компактные образцы на внеценгрениое растяжение (50x50x20 мм)

-ПОР(з

-поР„

► с учетом г,

- крупногабаритные образцы с односторонней трещиной (300x450x20 мм);

- образцы с центральной трещиной (120x220x20 мм)

Кроме того, на основании полученных в работе [2.11] экспериментальных данных можно сделать дополнительно следующие выводы:

1. Установлено, что возможность применения методов расчета критичейкого коэффициента интенсивности напряжений Кю в условиях плоско-деформированного состояния зависит от температуры и толщины образца. Построена обобщающая диаграмма для низколегированной стали 10Г2С1, определяющая область истинных значений по температуре и толщине образца ( рис. 3).

о

X

х

¡50 л

§40 о .

£зо

ю

0

1 20

Iм

0

ч \ «за) 1

# Ч' ж/1 ч Ч \ ч р

ч \ ч|

Температура Т С

Рис. 3.' Обобщенная диаграмма, определяющая область истинных значений К;с по температуре и толщине образца

1 - экспериментальная кривая;

2 - аппроксимирующая кривая;

3 - экспериментальная кривая

4 - аппроксимирующая кривая

1,2 - по моменту возникновения вязкой зоны;

3,4 - по моменту появления утонения образца

2. Установлено, изменение Кю (Кс) в средней части листа толщиной 60 мм по сравнению со средним значением КгС (Кс) может достигать 30% (например, уменьшение значений Кю (Кс) по толщине при температуре испытаний -19б°С составляет 5%, при -100°С — 25%, при -60°С — 23%, при -20°С — 30%).

3. Установлено, что результаты испытаний, проведенных на различных типах машин (ЦДМ-ЮОтс и Инстрон) в условиях различных охлаждающих сред и закрепления датчиков смещения, разнятся незначительно в пределах естественного разброса. Отмечается также, что на результаты испытаний не оказывает влияния охладительная среда и способ закрепления датчика смещения, что косвенно характеризует надежную работу сконструированных выносных приспособлений.

4. Экспериментально установлена связь между относительными долями вязкой зоны Д УЦ,, %(макроскопический 1фйтерий разрушения) и утяжки еЛ, % (микроскопический критерий разрушения) (рис. 4).

s*

s ->

2

3

fA

£ 10 i 8

Ь 5

20 40 60 80 Относительная доля вязкой зоны

Гтр

Рис. 4. Зависимость относительной утяжки (еЛ, %) от относительной доли вязкой зоны (Ш/Ц, %), для различных типоразмеров компактных образцов

1, 2, 3, 4 — толщина образцов 10, 20, 30, 60 мм, соответственно

Как видно из рис. 4, интенсивность возрастания относительной утяжки с увеличением относительной доли вязкой зоны уменьшается, и тем больше, чем больше толщина образца. Из графика (рис. 4). также следует, что все кривые 1-4, соответствующие различной толщине образцов, пересекают вертикальную ось при Д I. /.Ц> = 0 ( т.е. при отсутствии вязкой зоны) при значении 'относительной утяжки приблизительно s/t =1,5%, которое и является, по нашему мнению, критерием <р„„= е /1*1,5%.

5. Экспериментально обоснован допустимый интервал изменения относительной длины трещины для различных типоразмеров образцов №=0,5-5-0,55.

1.2. Исследование трещиностойкости сталей 17Г1С, 16Г2САФ, 20Х2Н4А, 40ХНМА, выплавленных по современным технологиям.

На примере сталей 17Г1С, 16Г2САФ, 20Х2Н4А, 40ХНМА, выплавленных по современной технологии(обработка жидкими синтетическими шлаками (МСШ), нитридное упрочнение, получение металла с различными видами включений и разной степенью загрязненности и др.), изучены особенности влияния неметаллических включений на трещиностойкость. Показано, что уменьшение количества неметаллических включений при рафинирующих обработках увеличивает деформационную способность феррита в процессе нагружения, когда последний

достаточно вязок и его разрушение происходит путем образования и роста микропор. При статическом нагружении наиболее низкое сопротивление хрупкому разрушению оказалось у стали 17Г1С, выплавленной по обычной технологии. В интервале от -Ю0°С до -20°С значение К к: для нее изменяется от 41,5 до 81,5 МПа . м"2. Сталь, обработанная МСШ, имела величину К[с выше в том же интервале температур в среднем на 23%. Особенно существенное повышение параметра К|с для сопоставляемых сталей отмечено при повышении температуры от -40°С до -20°С (на 33% и 29% соответственно). Рафинированная сталь с нитридным упрочнением имела более высокое сопротивление хрупкому разрушению по сравнению со сталью обычного способа производства: К |С для нее была выше в 1,5 раза при температуре -100°С и в 1,8 раза при температуре -10°С .

При выплавке стали 20Х2Н4А ставилась задача получения металла с преобладанием в каждом варианте однотипных по составу и различно-распределенных неметаллических включений. Состав включений определялся металлографическим, рентгено-спектральным, электронно-микроскопическим методами (всего было исследовано 15 опытных плавок). Испытания на вязкость разрушения (трещиностойкость), в отличие от стандартных методов механических испытаний в диапазоне отрицательных температур показало, что сталь 20Х2Н4А оказывается чувствительной к характеру и количеству содержащихся неметаллических включений. Характер распределения включений и общий уровень загрязненности снижает значения Ко =12,4-15,5 МПа • м"2. При этом минимальные значения К1с= 54,25 МПа. м"2 имеют плавки с пластичными силикатными включениями, а максимальные значения Кю= 71,3 МПа • м"2 имеют плавки с включениями корунда. Грубые строчечные скопления включений из сложных окислов и корунда оказывают отрицательное влияние на Юс. Результаты получены при практически одинаковом коэффициенте вариации, равном 0,07. Разрушение в этом случае развивается в результате образования трещины на границе «включение - матрица» и разрушения, как правило, самого неметаллического включения [2.12]1

ИсследЬвание влияния различных видов неметаллических включений на структуру и механические свойства конструкционной улучшаемой стали 40ХНМА было проведено на двух промышленных плавках, раскисленных ферросилицием (пл.А) и алюминием (пл.Б). Экспериментально установлено, что влияние включений проявляется наиболее существенно при определении ударной вязкости И вязкости

разрушения на поперечных образцах. Относительно более крупные включения пластичных силикатов (пл.А) по сравнению с включениями дисперсного корунда в виде строчек (пл.Б) понижают ударную вязкость в интервале температур от 20°С до -196°С на 20-30%. Значение К|с для плавки Б составляет 82,15 МПа • м |я, а для плавки А уменьшается на 10-15%, что дополнительно свидетельствует о более резком влиянии на сопротивление хрупкому разрушению включений типа силикатов. Полученный результат свидетельствует о том, что как и ударная вязкость, так и коэффициент интенсивности напряжений определяются в условиях, когда пластическая деформация неспособна в заметной степени сгладить концентрацию напряжений, создаваемую в окрестности малопластичных неметаллических включений. Наоборот, предел текучести, а тем более временное сопротивление и пластические характеристики в исследованных сталях определяются после значительной пластической деформации. В этом случае пластическая деформация приводит к устранению пиков напряжений у неметаллических включений и присутствие последних не сказывается на указанных характеристиках механических свойств изученных сталей.

1.3. Оценка влияния структуры и размера зерна стали 10Н4Г4Х2МЮ на сопротивление хрупкому разрушению.

Трещиностойкость стали 10Н4Г4Х2МЮ была изучена в различных структурных состояниях, полученных путем закалки и варьирования режимов отпуска [2.12]. Кроме того,- с целью получения мелкого и супермелкого зерна образцы были подвергнуты термоциклированию при различных температурах и с различным числом циклов: )) нагрев до 800°С и охлаждение на воздухе; 2) то же, 5 циклов; 3) нагрев до 850°С и охлаждение на воздухе; 4) то же, 5 циклов. В первом и втором случаях соответственно было получено зерно №10 и № 13 с крупными включениями карбидов по границам; в третьем и четвертом случаях, карбиды были растворены, зерно сохраняло тот же размер. На рис. 5 представлена температурная зависимость критического ^ коэффициента интенсивности напряжений К1С для образцов из стали 10Н4Г4Х2МЮ. Видно, что вязкость разрушения в соответствии с охрупчиванием материала монотонно уменьшается с понижением температуры.

Испытание образцов стали 10Н4Г4Х2МЮ показало, что уменьшение величины зерна от №7 до №10 увеличивает значение К[с на 10%; дальнейшее уменьшение величины зерна до №13 практически не сказывается на уровне вязкости разрушения

(см. рис. 5 кривые 3,4). Нагрев до 850°С и 800°С обуславливает неодинаковый наклон линий температурной зависимости К,с. При нагреве до 800°'с в большей степени сохраняются карбиды, и с понижением температуры испытания величина К1С уменьшается более резко. Старение стали 10Н4Г4Х2МЮ после закалки с 950°С повышает условный предел текучести и временное сопротивление соответственно с 1150 до 1500 МПа и с 1250 до 1600 МПа за счет выделения упрочняющей фазы (Fe, Ni,) A\i При этом существенно снижается вязкость разрушения стали (с 105,4 до 34,1 МПа.

м"Ъ.

К1скгс/мм3/г(НПа^м)

Ш

Ш

300 (95)

200 (ег)

100 (*/)

1

и

\~~~~~~~

5 Б

-200 -150 -100 -50 О Z0t,C

Рис. 5. Зависимость К!С от г для образцов из стали 10Н4Г4Х2МЮ

1 — аустенизация при 920°С, продольный образец; 2 — то же, поперечный; 3 аустенизация при 950°С, термоциклирование при 800°С, охлаждение на воздухе, 5 циклов; 4 — то же, 1 цикл; 5 — аустенизация при 950°С, старение при 550°С, продольный образец; 6 — аустенизация при 950°С, закалка при 750°С, Старение при

1.4. Определение вязкости разрушения (К1С) по данным испытаний на усталость.

Разработана методика механических испытаний, которая совмещает два вида испытаний - на трещиностойкость и усталость [2.1, 2.13]. Были сопоставлены значения К|С, определенные при растяжении плоских образцов с центральной трещиной (120x220x20 мм) и по данным испытаний цилиндрических образцов на усталость для

листовых сталей полупромышленной выплавки 17Г1С (2 плавки) и 14Х2ГМР. Основа таких методов была заложена в классических работах В. С. Ивановой.

При испытании на усталость использовали гладкие цилиндрические образцы с радиусной рабочей частью диаметром 7,5 мм (тип 1 по ГОСТ 23026-78). Образцы на усталость испытывали до разрушения, затем по поверхности излома определяли глубину усталостной трещины. Глубину усталостной трещины замеряли на инструментальном микроскопе с точностью до 0,01 мм. Испытания на усталость проводили в зоне ограниченной долговечности при 6-7 уровнях напряжения, причем на каждом уровне напряжения испытывали не менее 3-5 образцов.

Глубина усталостной трещины в зависимости от уровня напряжений изменялась:

а) для стали 14Х2ГМР от 1,48 мм (атгх = 470 МПа) до 2,0 мм (стт« = 410 МПа);

б) для стали 17Г1С ( пл.2) от 1,16 мм (отах = 420 МПа) до 2,47 мм (Огг.ах= 360 МПа);

в) для стали 17Г1С ( пл.1) от 0,63 мм (аш„= 380 МПа) до 1,71 мм (сттах= 310 МПа).

Колебания максимальной глубины усталостной трещины для. серии'образцов при одном уровне напряжений иногда достигали 20%. Форма усталостного пятна изменялась от почти правильного сегмента до вытянутого серпообразного сечения. При этом наибольшая вытянутость серпообразного сечения наблюдалась на изломах образцов стали 14Х2ГМР. На некоторых изломах образцов этой стали внешняя протяженность зоны распространения усталостной трещины составляла не менее 80% периметра образца.

Была замерена также площадь усталостного пятна в изломе для всех испытанных образцов и вычислено отношение площади усталостного пятна ко всей площади излома образца, а также определены средние значения этого соотношения для уровней напряжений, при которых проводили испытания на усталость. Средние значения этого отношения для исследованных марок сталей различны и колеблются в довольно широких пределах. Так, для стали 14Х2ГМР оно было равно 35,2%, для стали 17Г1С (пл.2)-30%, а 17Г1С( пл.1)-только 18,X

Это отношение является качественной характеристикой металла и оно может быть использовано для сравнительной оценки сопротивления распространению трещины и склонности металла к хрупкому разрушению. Указанное отношение может

быть полезно при предварительных испытаниях для выбора оптимального состава сплавов и режимов их обработки.

Значение Кю по данным испытаний на усталость определялось по формуле Ирвина, выведенной для плоского образца с одной боковой трещиной в условиях чистого изгиба при следующих допущениях:

а) цилиндрическое сечение было заменено эквивалентным прямоугольным с соотношением 2вЛ=5;

б) размеры эквивалентного прямоугольного сечения определяли из условия равенства максимальных растягивающих напряжений (а„и) в цилиндрическом и эквивалентном сечениях;

в) отношение площади усталостного пятна к площади излома для эквивалентного прямоугольного и цилиндрического сечений принимали одинаковым.

На основе этой формулы, допускающей изменение размеров прямоугольного сечения образца в пределах 2 < 2вЛ < 8, значения Кю, вычисленные для эквивалентных прямоугольных сечений с крайне допустимыми соотношениями 2вЛ, изменялось на 29%.

Показано, что значения Кк, определенные двумя разными методами, изменяются в пределах от 9 до 12%, что с практической точки зрения вполне допустимо.

Очевидно трудно ожидать полного совпадения результатов определения вязкости разрушения (К1с), полученных этими двумя методами, из-за различных скоростей роста трещины в докритический период.

Средние значения отношения площади усталостного пятна в изломе к площади всего излома для исследованных сталей располагаются в ряд так же, как средние значения вязкости разрушения (Кк)/. Самого большого значения это отношение достигает для стали 14Х2ГМР, которое имеет максимальное значение вязкости разрушения, минимальное отношение - для стали 17Г1С (пл. 1), имеющей минимальное значение (К^)/.

Показано, что методика определения (Кю)/ по данным испытаний образцов на усталость имеет преимущества перед методикой ее определения при однократном статическом растяжении: совмещает два вида испытаний - на вязкость разрушения и усталость; не нужно наносить острые надрезы на образец, что сопряжено с большими технологическими трудностями; не требуется специальной аппаратуры для регистрации трещины, нет необходимости в испытании крупногабаритных образцов;

можно качественно различать металлы по отношению площади усталостного пятна в изломе к площади всего излома при испытании на усталость в зоне ограниченной долговечности. Чем больше площадь усталостного пятна в изломе при напряжениях сравнения, тем менее склонен материал к хрупкому разрушению. Сравнение материалов проводят при одинаковых относительных напряжениях.

2. ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ПРИ УДАРНОМ НАГРУЖЕНИИ

Обсуждаются результаты, полученные при совершенствовании и развитии метода испытаний на ударный изгиб образцов с надрезами. Создана установка для осциллографирования процесса разрушения при ударном изгибе'в координатах «усилие - время» на базе маятникового копра ПСВО-ЮОО и исследованы ее технические параметры. Показано, что разработанная установка обеспечивает достаточно точную регистрацию процесса разрушения, поскольку наблюдается хорошее совпадение между расчетными значениями работы разрушения, определенными по диаграмме, и замеренными по шкале маятникового копра, что дополнительно свидетельствует об отсутствии частотных и амплитудных искажений канала измерения усилия в диапазоне частот от нуля до 30 кГц. Установлено, что наиболее высокоскоростная часть процесса разрушения высокопрочных и низколегированных сталей при ударном изгибе соответствует частотам порядка 13...18 кГц (длительность наиболее быстрой части процесса разрушения при спаде нагрузки составляет около 10 мксек).

2.1. Осциллографирование ударного изгиба в координатах усилие-время н усилие-прогиб.

Рассмотрены процесс обработки и анализа экспериментальных данных при ударном изгибе с осциллографированием процесса разрушения, включающий определение работы зарождения -Щ и работы развития трещины ар, максимальной нагрузки на образец Pmlx, нагрузки срыва Рср, время до срыва нагрузки t до срыва, время срыва нагрузки Ц,, скорости развития трещины V-ф. Средняя скорость трещины для образцов типа 1 высокопрочной стали 30Х5Н2МФСА была равна 390 м/сек, а для образцов типа 11- 470...490 м/сек. Установлено, что работа зарождения трещины (а3) является интегральной характеристикой сопротивления материала пластической деформации, поскольку она зависит, как и полная работа разрушения, от приложенной

нагрузки и от пластической деформации, в то время как даже небольшое уменьшение работы развитая трещины, порядка десятых долей МДж/м2, однозначно связывается с технологией производства и обработки стали, что дополнительно указывает на важность работы развития трещины в качестве характеристики сопротивления материала распространению трещины даже в случае ее относительно небольшой величины.

Разработана установка одновременной записи осциллограммы при ударном изгибе в координатах «усилие - время» и «усилие - прогиб». Показано, что с точки зрения надежности в работе и полноты информации о процессе разрушения при ударном нагружении предпочтительнее производить запись осциллограммы в координатах «усилие - время».

Разработан метод определения прогиба при ударном изгибе по осциллограмме, записанной в координатах «усилие - время». Установлено, что изменение прогиба в начальный период нагружения линейно зависит от времени, пока нагрузка не достигнет предела текучести. При этом прогиб нарастает быстрее при более высокой начальной скорости маятника.

Исследована статическая прочность и сопротивление разрушению при ударном изгибе стали 30Х5Н2МФСА толщиной 10 мм после термомеханической обработки с обжатием 30% при температурах 900, 750 и 650°С с последующим охлаждением на воздухе и отпуском 260°С. Показано, что работа развития трещины снижается при переходе от температуры деформации 900°С к 650вС. Экспериментально установлено, что небольшое уменьшение работы развития трещины, порядка десятых долей МДж/м2, сопровождается значительным увеличением скорости роста трещины (для стали 30Х5Н2МФСА это увеличением скорости роста трещины составило примерно 100 м/сек т.е. 20...25% Vcp). Показано, что сталь 30Х5Н2МФСА, подвергнутая термомеханической обработке при температуре деформации 650°С, обладает меньшей надежностью против разрушений, чем та же сталь, подвергнутая термомеханической обработке при температуре 900°С.

2.2. Совместное влияние марганца и хрома на склонность конструкционной стали к хрупкому разрушению.

Выполнено исследование по изучению совместного влияния марганца и хрома на склонность конструкционной стали к хрупкому разрушению [2.14]. Работа проводилась

на 12 основных лабораторных плавках, химический состав и выбранные композиции охватывают 'диапазоны содержаний углерода, хрома и марганца, наиболее часто используемых в хромомарганцовистых конструкционных сталях. Оценку производили по ударной вязкости и по критическим температурам хрупкости - Т50, Т,<2. Установлена связь между Т50 и Тй для исследованных сталей, хотя несомненно, верна точка зрения проф. Гуляева А.П., что склонность к хрупкому разрушению более точно отражает порог хладноломкости, найденный по доле хрупкой составляющей в изломе.

Показано, что увеличение присадок хрома или марганца при совместном легировании ими стали повышает порог хладноломкости, также повышает порог хладноломкости и увеличение содержания углерода в хромомарганцовистой стали.

Установлено, что при содержании в стали около 1,0% Сг на положение порога хладноломкости наиболее сильное влияние оказывают присадки марганца величиной выше 2,0%. Напротив, при более высоком содержании хрома в стали (2%) более заметно повышают порог хладноломкости начальные присадки марганца, а в интервале 2-3% Мп, действие последнего затухает.

Показано, что увеличение содержания углерода в стали уменьшает отрицательное влияние совместного легирования (Сг + Мо) на порог хладноломкости; порог хладноломкости быстрее повышается для стали с более низким содержанием углерода. В свою очередь отрицательное влияние углерода на положение порога хладноломкости оказывается меньше при более высоких степенях легирования стали.

•Установлено, что повышение степени. совместного легирования хромом и марганцем при увеличении содержания углерода, повышает чувствительность металла к надрезу. Особенно существенно снижают сопротивление надрезу присадки марганца величиной: более 2,0%.

2.3. Методика испытаний на ударный изгиб крупноразмерных полнотолщинных образцов (типа 0\УГТ)

Проанализированы • особенности применения в качестве характеристики трещиностойкости процента вязкой составляющей (%В) в изломе при испытании на ударный изгиб крупноразмерных полнотолщинных образцов (типа ДWTT). Показано, что температура перехода металла в хрупкое состояние Т50, определяемая при 80%В в изломе образцов Д\УТТ наиболее удовлетворительно соответствует результатам пневматических испытаний труб диаметром 1420 мм.

Обращено внимание на тот факт, что при сравнительных испытаниях температура, при которой происходит резкое падение сопротивления разрушению на образцах Д\УТТ, сдвигается в сторону более высоких температур, а температурный интервал перехода от верхнего плато к нижнему значительно сокращается по сравнению с испытаниями стандартных образцов. Кроме того, определение полной энергии разрушения полнотолщинных образцов Д№ТТ позволяет включить в оценку сопротивления металла вязкому разрушению толщину стенки трубы и тем самым повысить объективность оценки сопротивления стали в газопроводах [2.1].

2.4. Определение скорости распространения хрупкой трещины в листовых образцах.

Рассматриваются методические особенности определения температуры остановки хрупкой трещины (Тот) при различных условиях охлаждения, уточнены режимы этапов и лабораторные способы их достижения, а также показательность данного метода по сравнению с другими при оценке металла хрупкому разрушению. За температуру перехода от вязкого к хрупкому разрушению принимается температура остановки хрупкой трещины (Тот), которая позволяет связать температуру перехода от вязкого к хрупкому разрушению с действующим напряжением, причем различия в абсолютных значениях температуры не превышает 3°С. При определении' температуры Тот применялись две различные схемы охлаждения по ширине образца: испытания в переменном температурном поле (примерно в интервале от 20° до -150°С) и при изотермическом охлаждении. При этом испытания в изотермическом поле по ширине образца рекомендуется проводить для подтверждения надежности оценки сопротивления хрупкому разрушению исследуемого материала; Следует отметить, что У температура Тот не зависит от ширины образца, градиента температуры, механической обработки граней образца. Экспериментально дополнительно показано, что Тот не зависит от условий инициирования хрупкой трещины путем изменения типа надреза и скорости охлаждения.

Разработанная схема нагружения образца в пяти точках позволила существенно упростить его конструкцию и методику проведения испытаний по сравнению с известными методами определения температуры Тот Измерение напряжений вдоль предполагаемой траектории трещины показало, что отклонение действующих напряжений от расчетных не превышало 10% при номинальном напряжении 200 МПа.

За температуру Тот была Принята температура, соответствующая вершине линии, разграничивающей хрупкую и вязкую части излома (рис. 6).

Анализ полученных результатов показал, что для испытания низколегированных сталей на Тот характерно образование весьма криволинейного фронта трещины. Именно учет этой криволинейности и дал возможность получить, с нашей точки зрения, достоверные значения К«, при проведении испытаний на разработанной экспериментальной установке. При этом важно, что интервал изменения скорости хрупкой трещины на разработанной установке удовлетворительно соответствует наблюдаемьм при натурных испытаниях газопроводов. Подчеркнуто, что дальнейшие исследования процесса торможения хрупкой трещины позволят найти конкретные рекомендации для предотвращения хрупких разрушений [2.15].

Рис. 6. Характер излома после дорыва образца, испытанного с градиентом температуры

1 - поверхность хрупкой трещины;

2 - место остановки хрупкой трещины;

3 - место остановки вязкой трещины;

4 - поверхность вязкого долома

В работе было проведено исследование по совершенствованию метода скоростного фотографирования для возможности его применения на разработанной установке по определению температуры Тот- Показано, что регистрация распространения динамической хрупкой трещины с помощью установок сверхскоростного фотографирования из-за ограниченного времени съемки и небольшого времени распространения трещины, возможна только при точной синхронизации момента съемки и изучаемого процесса. Анализ известных способов

синхронизации времени съемки с временем протекания процесса показал, что ни один из них не может быть применен для регистрации скорости трещины в листовом образце, испытываемом на разработанной установке по определению температуры Тот-Особое внимание уделено синхронизации фоторегистратора СФР с тем, чтобы сброс маятника осуществлялся не самостоятельно и независимо от положения зеркала, а при заданном положении зеркала. Рассмотрена последовательность проведения эксперимента по определению скорости распространения хрупкой трещины в листовом образце и техника фотографирования с помощью СФР динамической трещины в отраженном свете при освещении шлифованной поверхности образца двумя лампами ИФК-2000. Проведенные эксперименты показали, что для значений К1д=15,5-31,0 МПа • м ш и = 500 -г 1000 МПа ширина трещины при ее динамическом распространении составляет от 0,001 до 0,01 мм. При такой небольшой ширине трещины дефекты поверхности должны быть еще меньше, приближаясь к длине волны света, т.е. поверхность образца должна быть зеркальной, что чрезвычайно удорожает и усложняет подготовку образца, имеющего размеры 300x70 мм.

Все эти обстоятельства приводят к тому, что автором, видимо, впервые было опробовано скоростное фотографирование трещины в непрозрачном образце в проходящем свете. Установлено, что съемка трещины в непрозрачном образце в проходящем свете с помощью скоростного фоторегистратора, дает более четкие и резкие изображения ее, чем съемка в отраженном свете. При этом отпадает необходимость дорогостоящей операции доведения поверхности крупногабаритного образца до зеркального состояния. Все это позволяет рекомендовать рассмотренный способ при скоростной фоторегистрации распространяющихся трещин.

3. ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ

С переходом от однократного нагружения к циклическому основным параметром процесса разрушения становится скорость роста усталостной трещины скЛШ, определяемая экспериментально в практике лабораторных и натурных испытаний на трещиностойкость.

Рассмотрены и подробно обсуждены результаты исследований зарождения и скорости роста трещины сталей 45, 17Г1С, 14Х2ГМР, Н18К8МЗТЮ в условиях симметричного растяжения-сжатия, пульсирующего растяжения и симметричного

изгиба с вращением. Приведены программы испытаний, которые были реализованы на разработанных установках, конструкции этих установок, проанализированы особенности работы систем контроля зарождения и регистрации длины трещины при циклическом нагружении.

Проведен анализ применимости и дана классификация методов аналитического описания распространения усталостной трещины. Подчеркнуто, что построение зависимости скорости роста трещины от коэффициента интенсивности напряжений (диаграмма циклической трещиностойкости - ДЦТ) позволяет получить универсальную характеристику циклической трещиностойкости для данных условий испытаний. Для аппроксимации экспериментальных данных использовалось уравнение Париса-Эрдогана. Особое внимание в" работе уделено исследованию изменения параметров Сип уравнения Париса от свойств материала и условий испытаний.

3.1. Наблюдение за развивающейся усталостной трещиной.

В работе дана классификация методов наблюдения и регистрации роста усталостных трещин и предложены для широкого практического использования в лабораториях два достаточно простых и надежных метода: метод датчиков последовательного обрыва и метод ступенчатых нагружений [1,16,17,18]. Эти методы не нашли достаточно широкого применения, хотя на наш взгляд обладают существенными преимуществами перед остальными. Они на первом этапе позволяют автоматизировать процесс измерения, а в дальнейшем - обработку результатов испытаний на ЭВМ, постоянно связанной с экспериментальной установкой. Методом ступенчатых нагружений изучена зависимость скорости роста усталостной урещины (<Ы(Ш, мм/цикл) от размаха коэффициента интенсивности напряжений (АК, МПа • м"2) в цилиндрических образцах при изгибе с вращением, когда применение иных методов затруднительно.

3.1.1. Метод датчиков последовательного обрыва.

Для регистрации скорости распространения трещины в зависимости от числа циклов нагружения был разработан измерительный комплекс, состоящий из датчика последовательного обрыва и прибора, названного регистратором [2.19]. Датчик представляет собой 10-40 параллельных фольговых тензонитей, замкнутых единым токовыводом с одн0*ЭР конца и имеющих индивидуальные токовыводы с другого. В

зависимости от размеров образца используют фольговые тензорегисторы с длиной ветвей 40 мм и расстояниями между ними 1 мм или датчик с длиной ветвей 10 мм и расстоянием между ними 0,5 мм. Тензорезисторы изготовляют из фольги сплава константен толщиной 0,004 мм. Блок-схема установки для регистрации роста трещины представлена на рис. 7.

В схеме предусмотрена блокировка от ложных срабатываний при повторном замыкании порвавшейся нити тензорезистора. Причем токи питания рабочих и блокирующих реле, протекающие через нить датчика, направлены встречно и компенсируются, что исключает нагрев нити тензорезистора и повышает надежность датчика в целом. Применение разработанного регистратора делает ненужным слежение оператора за развитием процесса и исключает источник субъективных ошибок эксперимента, неизбежных при визуальном наблюдении за развитием трещины. Кроме того, была оценена возможность погрешности регистрации движения трещины при испытании вследствие неравномерности запаздывания разрыва нитей тензорезистора на разных стадиях ее развития. Показано, что запаздывание практически не зависит от длины развивающейся усталостной трещины и на всей длине тензорезистора составляет не более 0,1 мм.

Рис. 7. Блок-схема установки для регистрации роста трещины методом датчиков последовательного обрыва

Недостаток описанной методики заключается в том, что оца может быть использована только для наблюдения за развитием усталостной трещины в плоском и относительно тонком образце, где справедливо предположение о неизменности фронта развивающейся трещины.

3.1.2. Метод ступенчатых нагружений.

Для получения данных о распространении трещины использовался метод ступенчатых нагружений, когда для фиксации вершины трещины применялись иные нагрузки (низкие или высркие),прикладываемые к и9пытуемому образцу через определенное число циклов приложения нагрузки. Известно, что если после приложения некоторого числа циклов нагрузки при постоянной высокой амплитуде, при которой происходит развитие трещины, дать определенное число циклов нагрузки меньшей амплитуды, то вершина трещины зафиксируется соответствующей меткой, четко наблюдаемой в изломе разрушенного образца. Этот метод наблюдения за развитием трещины не имеет ограничений по форме и размерам образцов, был опробован на сталях различного состава и структуры при испытании на усталость в условиях симметричного растяжения-сжатия, пульсирующего . растяжения и симметричного изгиба с вращением (предел текучести исследованных сталей изменялся от 360 до 1440 МПа). Для круглого образца, например, вся поверхность разрушения разделена на концентрические круги (рис. 8), каждый из которых образовался при движении трещины на соответствующей ступени нагружения.

При испытании же плоского образца поверхность разрушения разделена на фигуры, форма которых меняется по мере движения трещины. Изменение формы этих фигур указывает на более быстрое продвижение трещины в середине толщины образца по сравнению с ее концами, выходящими на поверхность. В результатй^редняя часть фронта постепенно приобретает все более вытянутую форму. Более быстрое продвижение трещины в середине толщины образца, по-видимому, следует связать с тем, что в этом случае трещина развивается в условиях трехосного растяжения, тогда как ближе к поверхности, как известно, создаются условия двухосного растяжения, сопровождаемого некоторой долей пластической деформации. Таким образом, используя этот метод, можно определить скорость распространения трещин в любой точке поперечного сечения образца на всех стадиях процесса разрушения при значительном изменении коэффициента интенсивности напряжений (КИН).

Для фиксации вершины развивающейся трещины при проведении испытаний по методу ступенчатых нагружений применяли две принципиально различные схемы нагружения (рис. 9): когда для маркировки вершины развивающейся трещины

использовали низкие напряжения (схема I) и когда для маркировки применяли высокие напряжения (схема II).

При этом схема I применялась дал испытаний при высоких и промежуточных напряжениях, а схема II - при низких уровнях напряжений. Основная часть программы испытаний была проведена по схеме I. Схема II была использована для проведения испытаний вблизи предела выносливости. Так, установив уровень основной нагрузки (рабочий уровень для проведения испытаний) ар=400МПа, выбираем уровень для маркировочной нагрузки а„=200МПа (схема I). И, наоборот, установив уровень основной нагрузки стр=160МПа, выбираем уровень для маркировочной нагрузки см=320МПа (схема II).

Рис. 8. Поверхность разрушения цилиндрического образца

Сталь 14Х2ГМР; напряжение о = 400 МПа; наружный диаметр -Э =17 мм; диаметр дна надреза <1 = 14,5 мм; радиус при вершине надреза Я = 0,2 мм; а0 = 4,1; 1-7 - положение вершины усталостной трещины на разных этапах разрушения-

При переходе с одной ступени нагружения на другую возможно взаимное влияние на скорость распространения трещины. Для уменьшения этого влияния необходимо

выбрать уровни рабочей и маркировочной нагрузок так, чтобы трещина распространялась преимущественно при первой нагрузке. Тогда расстояние, проходимое трещиной при маркировочной нагрузке, будет мало, что приведет к образованию на поверхности разрушения лишь узкой круговой метки.

С целью расширения возможностей методики ступенчатых нагружений для определения скорости роста трещины измеряли ширину колец, образовавшихся как при основной, так и при маркировочной нагрузках. Получение данных сразу для двух уровней напряжений при испытании одного образца существенно расширило диапазон изменения коэффициента интенсивности напряжений и сократило объем испытаний. Практически экспериментальные точки на таких диаграммах охватывают диапазон изменения скорости роста трещины не менее, чем на пять-шесть порядков в интервале от Ю'10 до 104 м/цшсл. Эти границы диктуются практической потребностью, разумной длительностью испытаний и возможностью измерений.

При правильном выборе режима нагружения средние значения долговечности образцов при постоянном и ступенчатом нагружениях совпадают, а концентрические метки на поверхности разрушения получаются достаточно тонкими и четкими, удобными для проведения многократных и точных измерений. В работах [2.1, 2.20] рассматриваются методические особенности определения скорости роста усталостных трещин методом "меток". Показано, что для достоверного построения кривых "длина трещины - число циклов нагружения" программа ступенчатых нагружений обычно предусматривала 10-15 смен нагрузки, уровень маркировочной нагрузки принимали равным 0,3-0,5 от основной. Возможность определения скорости роста трещины при основной и маркировочной нагрузках проверяли непосредственным сопоставлением величин скорости при двух режимах ступенчатых испытаний, в которых основная рабочая нагрузка одного режима была равна маркировочной нагрузке другого. Проведенная проверка показала хорошее соответствие сопоставляемых экспериментальных значений скорости роста трещины Утр.

Подчеркнуто, что степень влияния чередований напряжений оценивали при сопоставлении поверхностей разрушения изломов образцов после непрерывных и ступенчатых испытаний и с использованием гипотезы Майнера. Показано, что метод ступенчатых нагружений не оказывает заметного влияния на размеры отдельных зон усталостного излома и величину докритической трещины. В этом случае степень

суммарного повреждения была близка к единице, изменяясь от 0,9 до 1,1. Причем суммарное повреждение при маркировочной нагрузке обычно составляло 0,05-0,2.

Особое внимание в работе было уделено исследованию условий, исключающих эффект ускорения и торможения трещины при смене нагрузок в процессе усталостного нагружения, что является основным фактором, обеспечивающим обоснованное применение и широкое внедрение метода "меток" в практику исследований. Рассмотрены и обсуждены результаты микрофрактографических исследований поверхностей усталостного разрушения сталей Ст4, 10Г2С1, 14Х2ГМР, Н18К8МЗТЮ, 12Х18Н9Т при программном нагружении [2.21, 2.22]. Структурные исследования, выполненные на стали 12Х18Н9Т в окрестности шестого кольца (рис. 8), расположенного наиболее близко к зоне окончательного долома, где наиболее вероятно проявление эффектов ускорения и торможения трещины, показывают, что на границах колец при выбранных условиях нагружения отсутствуют заметные переходные зоны как на участке, соответствующем переходу от высокой нагрузки к низкой (левая часть шестого кольца рис. 8), так и на участке с обратным чередованием нагрузки (правая часть шестого кольца рис. 8). Отмечено, что граница, соответствующая смене нагрузки, четко различима при больших увеличениях(хЗЗОО). Отсутствие зон ускорения и торможения трещины при выбранных условиях программного нагружения объясняется тем, что напряжение течения в этом случае в 2-3 раза выше предела текучести при одноосном растяжении. Это обусловлено тем, что в вершине трещины возникает объемное напряженное состояние, а также тем, что скорость деформации при циклическом нагружении больше, чем при статическом деформировании. Приложение напряжений ар в этих условиях приводит к образованию впереди растущей трещины пластической зоны настолько малой протяженности, что и создаваемое повреждение структуры металла не оказывает заметного влияния на кинетику роста трещины при последующем цикле нагружения.

Наряду с этим выявлено, что для поверхностей разрушения, образовавшихся при напряжении ар (рис. 9, схема I), характерна более грубая морфология.

Схема!

Рис. 9. Схема погружения для фиксации вершины развивающейся трещины при проведении испытаний по методу ступенчатых нагру-жечий

Установлено также, что при большом увеличении (хЗЗОО) на этой поверхности наблюдаются вторичные сепаратные микротрещины, расположенные перпендикулярно поверхности основной трещины. Предположено, что наблюдаемая система вторичных микротрещин на поверхности усталостного разрушения может быть связана с наличием радиального напряжения в вершине трещины. Под влиянием такого растягивающего напряжения впереди вершины трещины возникают микроразрывы металла, направленные перпендикулярно основной поверхности, но вследствие быстрого снижения напряжения их развитие прекращается.

Таким образом, по результатам исследования поверхности разрушения видно, что изменения скорости роста трещины, вызванное сменой нагрузки, происходит скачкообразно, без заметных ускорений или торможений при использовании напряжений меньше предела текучести при программном и циклическом нагружении образцов, .что дополнительно подтверждает справедливость гипотезы линейного накопления повреждения на стадии разрушения.

Существенными преимуществами методики ступенчатого нагружения являются простота, доступность для каждой лаборатории, возможность повторных замеров и, как следствие этого, высокая надежность экспериментальных данных. Описанная методика применима к любым условиям, в том числе и при изучении влияния окружающей среды. Дополнительно! указано, что испытание может проводиться на обычном

токарном станке без какой-либо его переделки в условиях консольного изгиба. В этом случае изготовленный цилиндрический образец с нанесенным надрезом не снимается со станка, что практически полностью исключает его биение при последующем испытании на усталость.

Показано, что метод создания меток на поверхности разрушения путем ступенчатого нагружения может быть использован для тарировки при применении различных косвенных методов исследования скорости распространения трещины (акустического, электросопротивления и т.д.), что позволит повысить их надежность и точность. Кроме того в настоящей работе метод "меток" использовался для уточнения некоторых методических вопросов техники испытаний с использованием датчиков последовательного обрыва. В частности, была уточнена форма фронта развивающейся '

усталостной трещины, а также момент обрыва нити тензорезистора и его запаздывание

1

по отношению к вершине трещины.

Подчеркнуто, что рассмотренные выше методики непрерывного контроля за развивающейся трещиной допускают определение момента зарождения трещины заданных размеров.

3.2. Сопоставление экспериментальных данных, полученных различными методами наблюдения за развивающейся усталостной трещиной.

В работе проведена сопоставление экспериментальных результатов определения скорости роста трещины, полученных методом визуального наблюдения за движением на поверхности плоского образца и методом ступенчатого нагружения. При сопоставлении скорость роста трещины определяли на боковой поверхности образца.

Результаты сопоставления показывают, что практически в процессе всего усталостного разрушения средняя скорость роста трещины, определенная визуальным методом, примерно на 5-25% меньше, чем ее значение, определенное методом ступенчатых нагружений. Следует отметить, что указанное различие в скорости движения трещины, определяемое этими двумя методами, практически не обнаруживается при изображении результатов эксперимента в виде зависимости скорости роста трещины от размаха коэффициента интенсивности напряжений. Те и другие, данные хорошо совпадают и в пределах разброса могут быть описаны одной зависимостью вида: ёаМЫ=С(ДК)п. Таким образом, для изучения факторов, влияющих

на параметры п и С этой зависимости, могут быть использованы как методы наблюдения за движением отдельных участков трещины, так и методы, дающие усредненные представления о движении усталостной трещины. Возможно, что построение зависимости <1а/с1К от ДК в двойных логарифмических координатах затушевывает некоторые различия в скорости движения трещины, определяемые этими двумя методами.

Полученные данные показывают, что отдельные участки трещины в плоском

у

образце движутся в процессе разрушения с различной скоростью (рис. 10).

Отмечено, что в условиях изменяющегося напряженного состояния, когда

появляются кромки скола, фронт трещины постоянно меняется, и его изменение тем

больше, чем шире кромки скола, т.е. изменение формы трещины происходит не

ч

мгновенно, а постепенно в пределах усталостного разрушения. Видимо, именно этим можно объяснить тот факт, что во многих исследованиях не было обнаружено изменения скорости роста трещины при переходе от плоской деформации к плоскому напряженному состоянию.

Рис. 10. Поверхность разрушения усталостного излома образца с двумя боковыми надрезами

а - а; б - б — граница области плоской деформации

1-1—10-10 — фронт усталостной трещины на различных этапах разрушения.

В условиях плоской деформации при отсутствии кромок скола фронт трещины имеет выпуклую в направлении движения форму, так что Скорость роста трещины на боковых поверхностях образца меньше, чем в середине сечения. По мере изменения

напряженного состояния в вершине развивающейся трещины, доказательством чего являются кромки скола, фронт трещины приобретает зигзагообразную форму с загнушмя вперед концами. Скорость распространения отдельных участков усталостной трещины на этой стадии выравнивается. На основе экспериментального исследования циклической трещиностойкости сталей различного состава и структуры установлено, что дня описания кинетики роста усталостной трещины по всей толщине образца наиболее приемлема методика ступенчатых нагружений.

Описаны результаты "исследования усталостных изломов плоских образцов различной толщины в широком интервале приложенных напряжений. Подчеркнуто, что при одной и той же толщине переход от одной области к другой происходит при тем меньшей длине трещины, чемзыще уровень напряжения, и при тем большей длине трещины, чем больше толщина образца При постоянном уровне напряжения.

3.3. Количественная оценка отдельных зон поверхности усталостного излома.

В работе рассмотрены особенности строения усталостного излома цилиндрических образцов в зависимости от размаха коэффициента интенсивности напряжений. Были "Испытаны стали 14Х2ГМР, 17Г1С (2 плавки), 45, Н18К8МЗТЮ, 12Х18Н9Т, 10Г2С1. Показано, что зона усталостного разрушения при испытаниях гладких образцов на изгиб с вращением сталей 17Г1С и 14Х2ГМР изменялась от почти правильного сегмента до Вытянутого серпообразного сечения. Причем наибольшая вытянутость серпообразного сечения наблюдалась на изломах образцов стали 14Х2ГМР, на некоторых изломах образцов из этой стали внешняя протяженность зоны распространения усталостной трещины составляла не меньше 80% периметра образца. Для всех испытанных образцов определена площадь усталостного пятна в изломе и вычислено отношение площади усталостного пятна ко всей площади излома образца. Средние значения этого отношения дня исследованных сталей различны и колеблются довольно в широких пределах. Так, для стали 14Х2ГМР оно было равно 35, для стали 17ПС (плавка Б)-30, а для стали 17Г1С (плавка А) только 18,5%. Таким образом показано, что это отношение является количественной характеристикой металла и рекомендуется для использования при сравнительной оценке сопротивления металла распространению трещины при циклическом нагружении, а также при предварительной оценке материалов для выбора оптимального состава сплава и режима

его обработки. Изучение этого вопроса имеет важное значение в связи с разработкой методов определения статической трещиностойкости материалов по данным испытаний на усталость.

Установлено, что геометрическая форма отдельных зон усталостного излома цилиндрических образцов с наружным надрезом при испытании на изгиб с вращением постоянна при всех уровнях приложенного напряжения. Характер усталостного излома стали 14Х2ГМР при различных уровнях приложенного напряжения представлен на рис.11.

Рис. 11. Поверхность разрушения усталостного излома стали 14Х2ГМР при различных уровнях приложенного напряжения, МПа

1 — 500; 2 — 400; 3 — 320; 4 — 240; 3 — 200

Подчеркнуто, что характерной особенностью поверхности разрушения таких образцов является отсутствие ярко выраженного отдельного фокуса излома. Фокусом излома в данном случае является весь периметр испытуемого образца. В этом случае зародившаяся трещина замыкается и охватывает весь периметр испытуемого образца в течение ограниченного числа циклов нагружения. В исследованном интервале приложенных напряжений площадь зоны распространения усталостной трещины (Р|) увеличилась на 12,8%, в то время как размеры зоны окончательного долома (р2) уменьшились в 3,6 раза. Следовательно, интенсивность изменения параметра Рг значительно выше, чем параметра Р]. Показано, что отношение параметров Р] и Бг зависят от свойств материала, чем выше прочность, тем больше зона роста усталостной трещины. Величина отношения Р^г является важной дополнительнрй характеристикой материала и устанавливает исследуемые стали в ряд: чем выше это отношение, тем выше способность материала сопротивляться распространению уже

имеющейся усталостной трещины, тем представляются лучшие возможности к своевременному обнаружению дефектной детали с трещиной.

Обсуждены результаты исследования усталостных изломов гладких и надрезанных образцов и показано, что соотношения между усталостной зоной и зоной окончательного долома изменяются также от типа испытуемого образца и состояния его поверхности. Отмечено, что переход от гладкого образца к надрезанному приводит к увеличению зоны распространения усталостной трещины более чем в два раза. Значительная разница, по-видимому, связана с различными условиями возникновения и роста усталостной трещины в процессе нагружения. Полученные результаты указывают на то, что это обстоятельство необходимо учитывать при использовании характеристик излома для оценки условий роста трещины и уровня действующих в эксплуатации напряжений.

Проведенные исследования поверхностей разрушения цилиндрических образцов с

надрезом при испытании на изгиб с вращением по стандартной методике и по методу

ступенчатых нагружений позволили еще раз оценить степень возможного влияния

чередования напряжений на скорость роста усталостной трещины и длину

докритической трещины. Показано, что метод ступенчатых нагружений не оказывает

заметного влияния на размеры отдельных зон усталостного излома и размер

докритической трещины, т.е. величина и продолжительность приложения

маркировочной нагрузки не оказали существенного влияния на длину докритической

трещины. Эти данные подтверждают корректность измерения ширику колец,

образовавшихся как при основной, так и при маркировочной нагрузках, для 1

определения скорости роста трещины в процессе испытания.

3.4. Электроннофрактографическое исследование поверхности усталостного разрушения.

Описываются результаты элекгроннофрактографического исследования поверхности усталостных изломов сталей 14Х2ГМР, Н18К8МЗТЮ, 12X18Н9Т, 10Г2С1, Ст4 в условиях симметричного растяжения-сжатия, пульсирующего растяжения и изгиба с вращением. Исследование выполнено на сканирующем микроскопе ^М-ЗУ и электронном микроскопе "Тез1а". Изучение поверхности разрушения осуществляли одновременно как методом реплик, так и методом

сканирования поверхности электронным лучом, что позволило более правильно расшифровать микрофотографии, полученные этими двумя методами [2.1,2.21,2.22].

Фрактографические исследования поверхности излома сталей 14Х2ГМР и Н18К8МЗТЮ охватывали все стадии процесса разрушения от зарождения трещины до окончательного долома образца. Показано, что в зоне, непосредственно примыкающей к надрезу, микробороздки в исследованных сталях не образуются. В зоне зарождения усталостной трещины и вблизи нее микрорельеф довольно гладкий и имеет общую вытянутость в направлении движения трещины. При продвижении трещины вглубь вытянутость структуры сохраняется, однако поверхность разрушения характеризуется более развитым микрорельефом. Встречаются участки излома с неявно выраженной квазибороздчатой структурой, занимающие небольшую часть излома. Расстояние между микрополосками в этом случае достаточно удовлетворительно коррелирует с макроскопической скоростью роста трещины. Следует также отметить, что на поверхности излома были обнаружены отдельные грубые микрополоски, расстояние между которыми не соответствовало макроскопической скорости роста трещины. В зоне ускоренного роста усталостной трещины, примыкающей,к зоне окойчательного долома, поверхность разрушения характеризуется, в основном, чашечным строением и практически не отличается от чашечного рисунка, наблюдаемого при пластическом разрушении. Полученные данные указывают таким образом, что в целом при циклическом н'агружении даже зона зарождения трещины свидетельствует о значительной роли пластической деформации в усталостном разрушении.

Сопоставление поверхностей разрушения усталостного и хрупкого изломов (сталь 14Х2ГМР, растяжение-сжатие) показывает, что даже участки усталостного излома' в которых полностью отсутствуют микрополоски, имеют микрорельеф, который значительно отличается от микрорельефа хрупкого излома.

При просмотре поверхности разрушения цилиндрических образцов, испытанных в условиях изгиба, особое внимание было уделено нахождению следов повторного соприкосновения берегов развивающейся трещины, которое в этих условиях можно было ожидагь. Однако, каких-либо доказательств соприкосновения разделенных поверхностей трещины не найдено.

"Классические" усталостные бороздки с направлением поперек движения трещины в образцах стали 12Х18Н9Т наблюдали в 4оне после кольца б (рис.; 8) при К1=195 МПа • мш, т.е: в участках, близких к окончательному долому образца. Эта

бороздчатая структура при больших увеличениях имела волнообразный характер без признаков микроразрывов во впадинах отдельных волн. При этом скорость роста трещины, рассчитанная по расстояниям между микробороздками, практически совпадала со средней макроскопической скоростью в этой зоне.

Подчеркнуто, что фрактограммы сталей Ст4 и 10Г2С1, полученные методом реплик и на сканирующем микроскопе, существенно отличаются от фрактограмм стали 12Х18Н9Т. На поверхности разрушения этих сталей "классические" усталостные бороздки не наблюдались. На фрактограммах стали 10Г2С1 в области зарождения макротрещин при низких значениях КИН (К|=68,2 МПа • м"2) и скорости роста трещины 4 • 10'9 м/цикл наблюдали многочисленные уступы, совпадающие с направлением движения трещины. Можно полагать, что эти уступы - следствие начального развития трещины в нескольких параллельных плоскостях и последующего их объединения. Усталостные бороздки, похожие в этом случае на вторичные микротрещины, разобщены, имеют небольшую длину, а шаг их неравномерен. По такой структуре оценить скорость развития трещины затруднительно. По мере роста трещины продольные уступы наблюдаются реже, а бороздчатая структура приобретает стабильный шаг, увеличивающийся по мере увеличения КИН. Отмечено, что при переходе трещины через границу зерна направление бороздок и их шаг изменяется, что, очевидно, связано с изменением ориентировки зерен относительно направления макротрещины.

Фрактограммы сталей Ст4 и 10Г2С1 на большей части длины трещины по общему характеру микрорельефа аналогичны, но в области, прилегающей к зоне долома, на поверхности разрушения образцов стали Ст4 усталостные бороздки превращаются в развитые трещины, продвигающиеся перпендикулярно поверхности разрушения, т.е. в глубь образца. Можно полагать, что наличие таких трещин, а возможно, и усталостных бороздок, связано с существованием высокого радиального напряжения на некотором расстоянии от вершины трещины, под влиянием которого возникают микроразрывы металла, направленные перпендикулярно основной поверхности, но вследствие быстрого снижения напряжения их развитие прекращается.

Предположено, что образовавшаяся перемычка между вершиной магистральной трещины и вторичной микротрещиной разрывается под действием осевого напряжения.

Таким образом, при различных значениях КИН и скорости роста трещины различие в характере микроразрушения сталей обусловлено структурными особенностями их деформирования при циклическом нагружении.

3.5. Исследование стадий зарождения и распространения усталостных трещин.

В работе подробно обсуждается вопрос о сильной локальной чувствительности сопротивления стали развитию усталостной трещины при циклическом нагружении в широком диапазоне приложенных напряжений. Показано [2.1, 2.23, 2.24], что скорость развития усталостной трещины определяется не только процессами, идущими в окрестности вершины трещины, но и изменениями свойств во всем объеме циклически деформированного металла. Рассмотрены особенности этого явления при циклическом деформировании. Подчеркнуто, что в зависимости от того, какой из этих процессов' имеет преимущественное значение, меняется роль коэффициента интенсивности напряжения как контролирующего фактора в отношении скорости распространения усталостной трещины. Это означает, что с ростом уровня напряжений увеличивается доля участия пластических деформаций в накоплении необратимых усталостных повреждений и в изменении конфигурации трещины. В результате этих обстоятельств у вершины трещины, сформированной при высоких напряжениях, будет больше объем пластически деформированной зоны, а сама вершина притуплена.

Отмечено, что при низких приложенных напряжениях преимущественное влияние на механизм распространения усталостной трещины оказывает напряженно-деформированное состояние в вершине трещины. Наоборот, при высоких напряжениях возрастает -роль изменяющихся в процессе испытания' свойств во всем объеме материала. Таким образом, в результате проведенных исследований показано, что интенсивность влияния ДК на скорость роста трещины уменьшается по мере возрастания приложенного напряжения. Возможно, что при изгибе, вследствие наличия градиента напряжения, это влияние более заметно, чем при однородном растяжении [2.25,2.26].

Полученные результаты показывают, что зарождение макротрещины % цилиндрическом образце с концентратором напряжения начинается в отдельных разобщенных центрах, расположенных но периферии надреза, которые, концентрически развиваясь, сливаются и образуют общий кольцевой фронт трещины,

равномерно продвигающийся к центру образца. Количество зародышевых центров и момент их слияния в общий фронт зависит от радиуса в вершине надреза: чем он меньше, тем больше центров и тем раньше происходит образование общего фронта трещины. Так, при радиусе 1 мм и более трещина развивается из одного центра, как и в гладком образце. При радиусе менее 1 мм на периферии надреза возникает, как правило, не менее шести центров, слияние которых происходит на расстоянии примерно 3,5 мм от вершины надреза. В то же время при радиусах менее 0,2 мм количество исходных центров настолько велико, что уже на глубине 0,1 мм образуется сплошной кольцевой фронт трещины, равномерно продвигающийся к центру образца. Характерной особенностью поверхности разрушения, таких образцов является отсутствие ярко выраженного фокуса излома. Так, например, при испытании образцов из стали 14Х2ГМР было обнаружено, что макротрещина глубиной 0,08 мм уже была замкнута по всему периметру образца при 'долговечности менее 10% от общей долговечности образца. Следовательно, в этом случае образец в течение более 90% общей долговечности испытывался с наружной кольцевой трещиной.

Таким образом показано, что относительный вклад стадий зарождения и распространения трещины в полную усталостную долговечность образцов с надрезами зависит от радиуса кривизны в вершине концентратора (г) и уровня нагруженности. При значениях г менее 0,2 мм основной вклад в полную долговечность вносит стадия распространения трещины, в противоположность этому при значениях г более 5 мм полная долговечность почти целиком определяется стадией зарождения трещины. При значениях г=1,0 мм вклад в усталостную долговечность стадий зарождения и распространения трещин примерно одинаков. При одинаковом значении г относительный вклад стадий зарождения и распространения будет зависеть от уровня приложенного напряжения, причем вклад стадии зарождения трещины становится больше при низких уровнях приложенного напряжения, соответствующих большому числу циклов до разрушения.

Подчеркнуто, что зарождение усталостной трещины как при низких напряжениях, так и при цысоких циклических напряжениях представляет собой процесс наименее поддающийся аналитическому описанию. Показано, что существенной проблемой для количественного определения сопротивления зарождению трещины является определение момента появления трещины. Установлено, что в зависимости от применяемого метода, чувствительности регистрирующей аппаратуры сопротивление

зарождению трещины получается различным у различных исследователей. Отмечено, что в большинстве исследований не учитывался тот факт, что в определенных условиях при наличии концентраторов напряжения возникают усталостные трещины, которые полностью приостанавливают свой рост, так называемые "нераспространяющиеся трещины". В этих условиях унификация понятия макро- и микротрещины, по нашему мнению, позволит устранить имеющиеся здесь некоторые противоречия. Существующие классификации связывают понятие макро- и микротрещины с ее надежно фиксируемым размером в испытуемом образце либо без увеличения вообще либо с небольшим увеличением (обычно до хЗО). Размер трещины в этом случае в зависимости от размеров испытуемых образцов и способа наблюдения за трещиной колебался в довольно широких пределах (обычно изменялся от 0,076 до 1,0 мм включительно). Такое разделение является механистическим.

Предлагаемая классификация разделения трещин на макроскопическую и микроскопическую связывается с изменением параметра контролирующего ее рост и уровень нагруженности в вершине трещины. В этом случае размер трещины, где контролирующим параметром является коэффициент интенсивности напряжений в ее вершине, относится к макроскопическим, в то время трещины, рост которых контролируется приложенным внешним напряжением будут микроскопическими.

Предлагаемый метод разделения трещин на макро- и микроскопическую позволяет сделать следующий шаг по классификации процесса разрушения, связывая разрушение тел, имеющих макротрещины, с механикой р'йзвития трещин, а разрушение тел с микротрещинами относить к микромеханике разрушения. Следовательно выполнение расчетов на прочность элементов машин и сооружений с микротрещинами! должно проводиться методами "сопротивления материалов, а расчет элементов машин и сооружений на прочность с макротрещинами должен проводиться методами "механики развития трещин".

Предложенная моДель связывает размер трещины с параметрами структуры материала и позволяет йредположить, что, по-видимому, существует предельная характерная длина трещины, ниже которой используемые в механике разрушения критерии неприменимы для малых трещин при номинально упругом напряжении. Другими словами, нарушение подобия, которое приводит к неприменимости континуального метода, происходит тогда, когда размер гр зоны пластической

деформации, во-первых, меньше размера зерна (1, во вторых, составляет более 0,05 длины трещины а.

Таким образом, минимальное отношение аМ, при котором поведение малой трещины совпадает с поведением большой трещины, равно 20. Следовательно, довольно просто может бьггь определена характерная длина трещины для различных материалов, больше которой возможно использование подходов линейной механики разрушения для анализа кинетики усталостных трещин. И наоборот, если трещины меньше характерной длины, применение критериев линейной механики разрушения становится невозможным, так Как в этом случае зона циклической пластической деформации ограничивается размерами только одного зерна, и материал нельзя рассматривать, как однородный континуум.

3.6. Особенности поведения малых усталостных трещин.

В работе рассмотрены некоторые принципиальные подходы к описанию поведения малых трещин с использованием модифицированных критериев механики разрушения [2.1].При этом установлено, что для трещин некоторой критической длины (от размера, эквивалентного размеру зерна до 1,0 мм) вряд ли можно использовать подходы линейной механики разрушения, поскольку длина трещины соизмерима с элементами микроструктуры, и материал нельзя рассматривать, как однородный континуум (что является первым и основным допущением линейной механики разрушения). Причем, аномальные изменения скорости роста малых трещин обусловлены взаимодействием малых трещин с границами зерен или другими структурными элементами, влиянием напряженного состояния и пластичности в

N

надрезе, неточностью соотношений, используемых для определения коэффициента интенсивности напряжений, из-за неопределенности истинной геометрии малых трещин и рядом других факторов. Трудности здесь связаны с тем, что еще не выяснено, • какой из этих факторов является определяющим и главным.

Проблема малых трещин в работе рассмотрена шире и совместно с так называемыми "неразвивающимися усталостными трещинами". Подчеркнуто, что для дальнейшего совершенствования методов раЬчета и прогнозирования роста малых трещин необходимо рассматривать как условие их ускоренного роста, так и процессы, приводящие к их замедлению и приостановке. Считается, что указанные эффекты возникают в результате кристаллографических взаимодействий, когда микротрещины

стремятся внедриться в новые зерна. При этом ориентация отдельных зерен оказывала большое влияние на рост микротрещин. Большинство результатов в этом направлении связано с исследованием торможения малых трещин границами, а также взаимодействием их на границе зерна, когда направление роста микротрещины меняется на обратное. Основные особенности поведения малых трещин следующие:

1. Анализ с использованием обычных методов механики разрушения показывает, что поведение малых усталостных трещин отличается от поведения длинных трещин. Основной причиной этого различия является некорректность принятых допущений, основанных на механике сплошных сред.

2. Малые трещины Могут распространяться при меньших значениях размеров трещин и приложенных напряжений, вем определенные на основании ДКц, для длинных трещин.

3. Малые трещины распространяются с более высокими скоростями, чем скорости, определенные из зависимости «ЗаМЫ - ДК для длинных трещин.

4. Наличие характерной длины трещины, при превышении которой поведение большой и малой трешин одинаково, является следствием того, что ДК не характеризует уровень нагруженности в вершине малой трещины, как это имеет место в случае больших трещин.

5. Для объяснения особенностей поведения малых трещин необходимо рассмотреть изменение напряженно-деформированного состояния и дислокационной структуры в зоне циклической пластической деформации у вершины этих трещин в процессе их роста.

6. Особенности поведения малых трещин учитываются при анализе пуТ4*£ прибавления длины 10 к физическому размеру трещины размером а; выражение а+10 рассматривается как эффективная длина трещины, которая учитывает поведение малых трещин; 10 - константа материала для данных условий испытаний, которая определяется из других известных характеристик материала по формуле:

П <7_,

Этот метод обеспечивает достаточно точное прогнозирование порогового и кинетического поведения малой трещины.

7. Для создания более полного и универсального метода прогнозирования усталостной долговечности необходимо рассматривать отдельно стадии зарождения и распространения трещины, а также учитывать поведение малой трещины и влияние пластичности в надрезе (в частности, для деталей с надрезами).

Таким образом перечисленные обстоятельства послужили обоснованием к рассмотрению проблемы малых трещин, расположенных в зоне влияния концентраторов напряжений с учетом их замедления и приостановки с целью выбора критериальных характеристик и методов прогнозирования усталостной долговечности конструкций.

Проведенные исследования позволили заключить, что зарождение и рост усталостной трещины на ранней стадии определяются пластичностью в надрезе, а последующее распространение - пластичностью в вершине трещины, которая может быть определена на основе линейной механики разрушения. Взаимодействие этих двух контролирующих процесс параметров может вызвать начальное снижение роста и привести к затуханию роста трещины. Это означает, что нераспространяющиеся усталостные трещины имеются тогда, когда напряжение, инициирующее возникновение трещины, меньше напряжения, необходимого для распространения трещины.

Отмечено, что в этом случае следует различать два уровня предельных переменных напряжений: по полному разрушению и по трещинообразованию. При этом между указанными уровнями напряжений может существовать значительная разница, в пределах которой трещины возникают, но не распространяются. Предположено, что измельчение зерна, упрочнение поверхности и создание в поверхностных слоях остаточных сжимающих напряжений расширит область напряжений между пределом выносливости и напряжением, п£и котором появляются нераспространяющиеся усталостные трещины.

Установлено, что глубина надреза влияет на возникновение нераспространяющихся трещин в среднеуглеродистой стали в отожженном и термообработанном состоянии. Это свидетельствует о том, что существуют критические размеры надрезов, определяющие появление нераспространяющихся трещин [2.1]. В целом результаты исследования поведения малых трещин, расположенных в зоне влияния концентраторов напряжений, сводятся к следующему:

1. Существует минимальное пороговое переменное напряжение стл, необходимое для полного разрушения образца, которое не зависит от а„.

2. Имеется критическое значение ссоКр, выше которого могут возникать нераспространяющиеся трещины.

3. Переменное напряжение, используемое для прогнозирования зарождения трещины в конструктивном элементе или детали с надрезом, определяется из соотношения Дст.1/а„.

Рассмотрено влияние концентраторов напряжений на_сопротивление разрушению при циклических нагрузках с учетом возникновения и наличия нераспространяющихся трещин у надрезов. Проведен анализ величин, входящих в расчетную зависимость по определению коэффициента чувствительности материала к надрезу я и исследована взаимосвязь между К„ и а„. Показано, что критерий К„/аа может быть использован при прогнозировании и в расчетах на циклическую долговечность только при определенных видах надреза и одинаковых размерах образца и детали.

При этом установлено, что изменение взаимосвязи между а„ и К„ при испытании на усталость, а также значительное рассеяние результатов экспериментальных исследований, может быть обусловлено тем, что К, определяют по критерию полного разрушения образца без учета возможности существования нераспространяющихся трещин. Действительно, методика усталостных испытаний, с помощью которой регистрируют только число циклов до разрушения, не дает картины зарождения усталостных повреждений, возникновения, приостановки и распространения усталостных трещин. В том случае, когда анализ результатов испытаний на усталость проводится с позиции многостадийности процесса, сопротивление разрушению при циклическом нагружении определяется только двумя параметрами - пределом выносливости образца без надреза - (ст.О и теоретическим коэффициентом концентрации напряжений (а„). Таким образом, при раздельном изучении процессов зарождения и распространения усталостной трещины удается освободиться, хотя бы частично, от наложения влияния многих факторов и провести более четкую границу между свойствами материала и образца.

Рассмотрены методы оценки и прогнозирования усталостной долговечности конструкций при учете особенностей поведения мадых трещин, образующихся в зоне влияния концентраторов напряжений в условиях локальной пластической деформации.

3.7. Оценка влияния частоты нагружения на скорость распространения усталостной трещины в стали 14X2ГМР.

Исследовано влияние частоты нагружения на скорость распространения усталостной трещины в стали 14Х2ГМР в условиях чистого изгиба вращающегося образца с наружным острым надрезом [2.27]. Подтверждено, что основное влияние скорости нагружения ■ на процесс разрушения при циклических нагрузках низколегированной стали связано с областью ограниченной долговечности, в которой достаточно интенсивно протекают процессы пластической деформации. Установлено, что четырехкратное увеличение частоты "нагружения сопровождается почти параллельным сдвигом всей кривой усталости в сторону больших значений долговечности. Среднее увеличение числа циклов до разрушения составило около 60%. При этом предел выносливости практически не изменился.

Анализ экспериментальных данных показывает на заметное влияние частоты приложения нагрузки на скорость распространения усталостной трещины: увеличение частоты приложения нагрузки сопровождается изменением параметров п и С степенного уравнения Париса, причем изменение последнего параметра более существенно: при изменении частоты с 260 до 1000 цикл./мин. коэффициент п

I

увеличивается примерно на 20%, тогда как С уменьшается более чем на один порядок. При равных приложенных напряжениях скорость роста трещины тем больше, чем меньше частота приложения нагрузки. Снижение С вызывает уменьшение скорости .роста усталостной трещины, тогда как увеличение п сопровождается повышением интенсивности зависимости Угр=/(ДК.) при увеличении частоты нагружения. Такой характер влияния Сип приводит к тому, что разница в скоростях движения трещины, вызванная изменением частоты нагружения, довольно существенная в начале разрушения, постепенно уменьшается к его концу. Кроме того, экстраполяция экспериментальных данных в сторону больших значений ДК наводит на мысль о возможности существования у них общей точки сходимости, в которой скорость роста трещины не зависит от частоты и приложенного напряжения. Однакч в реальных условиях, вследствие преждевременного разрушения, эта точка ни разу не достигалась, и ее наличие требует дальнейших подтверждений. Доказательство существования этой точки затруднено двумя обстоятельствами: 1) прямые У^ССДК)" пересекаются под

довольно острым углом; 2) естественный разброс экспериментальных данных не позволяет определить точное значение постоянных Сип для данного условия опыта.

3.8. Закономерности развития усталостных трещин

в сварных стыковых соединениях из низкоуглеродистых и низколегированных сталей.

Подходы линейной механики разрушения были применены для исследования процесса разрушения сварных стыковых „ соединений из низкоуглеродистых и низколегированных сталей [2.28, 2.29]. Подтверждено, что период зарождения трещины в сварном соединении в присутствии различного рода дефектов мал и не превышает 5-10% от общей долговечности. Показано, что скорость роста усталостных трещин является основным критерием оценки чувствительности отдельных зон сварного соединения к торможению усталостного разрушения. В работе установлено, что наплавленный металл сварного шва обладает наибольшей сопротивляемостью распространению трещин по сравнению с зоной термического влияния и основным металлом в любой момент развития трещины. Анализ прямых' \\р=/(ДК) в двойных логарифмических координатах для различных зон сварного соединения показывает, что коэффициент п для наплавленного металла сварного шва несколько меньше, чем п для зоны термического влияния и основного металла, а коэффициент С меняется в обратном направлении. Наиболее заметно значения параметров пи С меняются в области, лежащей между осью симметрии шва и поперечным сечением образца, отстоящим от нее на расстоянии 20-30 мм. В дальнейшем по мере удаления от оси симметрии сварного шва изменения этих параметров незначительны. Таким образом показано, что различные зоны сварного стыкового соединения обладают неодинаковым сопротивлением развитию усталостных трещин, на которое существенное влияние оказывает режим сварки. Сопротивление разрушению определяется характеристиками механических свойств материала, в котором распространяется трещина и напряженным состоянием, создаваемым внешней нагрузкой и сварочными напряжениями.

Представляет интерес установленный в работе факт влияния режима сварки на рост усталостных трещин. Таким образом показано, что изменение режима сварки приводит не только к уменьшению средних скоростей развития усталостной трещины в различных зонах Сварного соединения, но и к существенному их перераспределению по зонам. При сварке на низшем допустимом диапазоне силы тока (1=200-220 А)

наибольшим сопротивлением развитию трещины обладает сечение в середине сварного шва, а наименьшим — сечение, расположенное на расстоянии примерно 1035 мм от оси шва. Сварка образцов при промежуточных значениях силы тока (1=250-260 А) привела к некоторому снижению средней скорости трещины в сечении, расположенном на расстоянии 10-35 мм от середины шва и повышению скорости роста трещины в наплавленном металле. Дальнейшее повышение силы тока сварки до 1=280-300 А существенно снизило среднюю скорость роста тещины в сечении, расположенном на расстоянии 10-20 мм,, и она стала более чем в 1,5 раза меньше средней скорости движения трещины в наплавленном металле. В этом случае долговечность образца, в котором трещина распространялась в зоне термического влияния на расстоянии 10-20 мм от середины шва, оказалась наибольшей. Это означает, что построение графиков изменения средней скорости развития усталостных трещин в зависимости от силы тока при сварке для разнвгх зон сварного соединения позволяет определить наиболее рациональный режим сварки с точки зрения получения равнопрочного соединения, обладающего наилучшим сопротивлением распространению усталостных трещин.

В работе показана возможность использования измерения твердости НЯВ для достаточно точной оценки изменения предела текучести стт в различных зонах сварного соединения. При этом установлено, что при увеличении силы тока сварки происходит снижение твердости НЯВ наплавленного металла шва и некоторое увеличение ее в зоне термического влияния. Это обстоятельство дополнительно свидетельствует, что, изменяя режим хварки, можно менять место расположения наиболее слабого, с точки зрения усталостных трещин, места всего соединения и добиваться того, что трещина будет распространяться либо по самому сварному шву, либо рядом с ним.

Представлены данные о возможности и степени повышения работоспособности сварных соединений посредством засверловки и наложения дополнительных валиков, корректирующих поле остаточных напряжений. Показано, что метод наложения сварного валика дает лучшие результаты и является предпочтительным. Полученные данные показывают, что наибольшая эффективность'этого метода достигается на ранних стадиях развития трещины, когда ее длина не превышает 30% полной ширины образца.

Рассмотрены особенности применения исследованных методов приостановки роста усталостных трещин в реальных металлических конструкциях и даны

рекомендации по наиболее эффективному их применению для торможения усталостного разрушения.

На основе анализа представленного экспериментального материала раскрываются возможности единого подхода к изучению процесса разрушения сталей различного состава и структуры. при . статических, динамических и циклических условиях нагружения [2.1,2.30,2.31 —2.36].

4. РАЗВИТИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ СТАНДАРТНЫХ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ

Рассматривается современное состояние и перспективы развития механических испытаний по определению характеристик механических свойств на предприятиях промышленности как при контрольных испытаниях, так и при- испытаниях по нестандартным методикам. Показано, что в отраслях промышленности потребляющих металл (машиностроение, строительство, транспорт и др.) применяются более сложные методы, чем в металлургической промышленности, приближающие условия испытания образцов к натурным условиям работы металла [2.37].

4.1. Оценка повреждаемости конструкционных материалов при усталостных испытаниях в условиях резонансного режима.

Эффективным способом определения повреждаемости при циклическом нагружении и роста усталостной трещины является метод регистрации частоты собственных колебаний усталостного образца в процессе нагружения. В связи с этим для создания автоматизированного испытательного комплекса на базе машины ТУРБО-8 автором в рамках настоящих исследований была разработана методика и создана установка, позволяющая проводить испытания на усталость, когда стадии зарождения и

I

распространения трещины изучают раздельно [2.1, 2.38]. К числу первых публикаций в этой области относятся работы С. В. Серенсена и М. Э. Гарфа.

Обоснованы методы определения с требуемой точностью резонансной частоты и амплитуды колебаний образца при проведении испытаний, описаны схемы и способы измерения этих величин, а также основные узлы й порядок настройки разработанной установки. Разработана, опробована и испытана система автоматизации метода регистрации процесса повреждаемости при циклическом нагружении применительно к

испытательной машине ТУРБО-8. Подчеркнуто, что испытательная машина ТУРБО-8 может работать как в режиме независимого возбуждения, так и в режиме автоколебаний. Режим независимого возбуждения используется при настройке программы испытания образца, а испытания при консольном изгибе проводятся в режиме автоколебаний. При этом автоматически регистрируется частота колебаний образца с помощью цифрового частотомера с цифропечатающим устройством. Кроме того разработаны рекомендации по повышению надежности машины ТУРБО-8 и созданию на ее основе нового автоматизированного комплекса.

Таким образом, возникает возможность регистрировать не только момент разрушения, но и момент появления трещины, что чрезвычайно важно для определения живучести материала.

При испытании на этой установке амплитуда колебаний образца поддерживается постоянной, а резонансная частота автоколебательной системы изменяется. Показано, что накопление повреждений и рост усталостной трещины в образце в процессе испытаний линейно зависит от изменения резонансной частоты колебательной системы, включающей испытуемый образец. На основании этого разработана количественная методика определения размера усталостной трещины по собственной частоте в данный момент испытания.

Испытания проводили как по критерию окончательного разрушения, так и по моменту возникновения трещины, при этом в процессе испытаний записывалась зависимость изменения резонансной частоты от числа циклов нагружения и оценивалась степень повреждаемости материала от момента зарождения трещины до окончательного разрушения. За окончательное разрушение было принято резкое изменение собственной частоты образца и как следствие этого - резкое падение амплитуды колебаний образца, которое вызывало остановку машины.. В момент разрушения неповрежденной оказывается приблизительно одна треть поперечного сечения образца.

7 N

Рис.12 Кривая усталости для плоских образцов толщиной 7 мм из стали СтЗ в отожженном состоянии

1-8— номера испытанных образцов

Началом зарождения макротрещинь! считается относительное изменение частоты на 0,2%, при этом на образце возникает трещина глубиной 0,2-0,3 мм. На рис. 12 приведена кривая усталости для гладких плоских образцов толщиной 7 мм из стали марки СтЗ в отожженном состоянии, а на рис. 13 - зависимость относительного изменения частоты собственных колебаний для этих же образцов толщиной 7 мм из стали СтЗ.

Рис. 13. Зависимость относительного изменения частоты собственных колебаний 4/" плоских образцов толщиной 7 мм в отожженном состоянии от числа циклов погружения N

1-8 - номера испытанных образцов

Видно, что при испытании образцов при напряжениях выше в вблизи предела выносливости зависимость относительного изменения резонансной частоты от числа циклов имеет принципиально различный характер. В случае проведения испытаний при напряжениях значительно выше предела выносливости частота начинает уменьшаться сразу же после первых циклов нагружения и продолжает уменьшаться с постоянным

увеличением скорости вплоть до резкого падения частоты в период, предшествующий окончанию испытаний (кривые 1-6). При напряжениях вблизи предела выносливости уменьшение частоты не наблюдается. Частота практически во время испытаний остается постоянной с тенденцией к незначительному увеличению (кривые 7,8).

Таким образом, постоянство резонансной частоты испытаний при напряжениях вблизи предела выносливости может быть связано с тем, что при этих напряжениях накопление повреждений практически отсутствует. Наоборот, значительные изменения резонансной частоты испытаний при напряжениях выше предела выносливости могут быть связаны с тем, что при этих напряжениях возникновение и рост трещины обнаруживается по изменению частоты собственных колебаний испытуемого образца.

Были испытаны сталь СтЗ и два типа биметаллов на плоских образцах с надрезом (г=0,25мм). Показано, что разработанная методика испытаний чувствительна к масштабному фактору и способу отбора проб при испытании плоских образцов из стали СтЗ. При увеличении толщины материала с 1,5 до 7 мм предел выносливости снизился со 140 до 95 МПа, т.е. на 32% (скорость роста трещины увеличилась приблизительно в 2 раза с 2 • 10'5 до 4,1 • 10"5 %/цикл). Поперечные образцы обнаруживают на 4-6% более низкий предел выносливости, чем продольные. Сравнительные испытания двух типов биметаллов в зоне ограниченной выносливости показали преимущество пары 17Т2СФ-12Х18Н10Т по сравнению с парой 14Х2ГМ-12Х18Н10Т (скорость роста трещины соответственно 3,6 • 10 и 4,8 • 10"5 %/цикл).

Применение машины ТУРБО-8 вместо стандартных установок позволяет увеличить производительность труда и снизить себестоимость усталостных испытаний.

Такой подход к исследованию процесса разрушения при циклических нагрузках следует считать более правильным и более полным, но возникают трудности в связи с необходимостью большой перестройки лабораторной техники.

4.2. Модернизация установки По скручиванию образцов при повышенных температурах.

В работе [2.39] рассматриваются результаты исследования процесса разрушения при скручивании жаропрочных композиционных материалов на основе никелевых сплавов, армированных вольфрамовыми волокнами. Испытания проводили на модернизированной установке для скручивания металлов с предельным крутящим моментом 5 кгс • м. Конструкция установки позволяла определять число скручиваний с

погрешностью ±0,1 оборота и максимальный момент; угловая скорость скручивания составляла 60 об./мин. Образцы нагревали в трубчатой печи, установленной соосно с захватами, конструкция печи позволяла скручивать образец непосредственно в рабочей камере. Образцы изготовляли из прутков жаростойких сплавов ЭИ 652 (ХН70Ю) и ЭП 747 (ХН45Ю), армированных вольфрамовыми волокнами марки ВА.

Результаты предварительных испытаний показали, что при скручивании волокнистых материалов происходит выход волокон на поверхность деформированных образцов. В связи с этим испытания проводили в инертной азотной среде (расход газа составил 40 см3/мин). Образцы испытывали при температурах нагрева от 900 до 1200°С, охватывающих интервал температур, используемых для деформации композиционных материалов. Вид образцов до и после испытаний показан на рис. 14.

После скручивания волокна переориентировались под углом 50-70° по отношению к продольной оси образца. При этом во внутренних слоях рбразца сохранилась плотность материала.

, Были проведены две серии испытаний. В первой на композиционных материалах с матрицей из сплава ХН70Ю изучали влияние объемной доли V/ волокон на характеристики пластичности п и прочности Мкр. Во второй на материалах, изготовленных на основе сплавов ХН70Ю и ХН45Ю, изучали влияние температуры испытаний на те же характеристики. Показано, что с увеличением объемной доли волокон от 0 до 40% в матрице сплава ХН70Ю, крутящий момент возрастает с 1,1 до 2,6 кгс • м по зависимости, близкой к линейной. Такая же зависимость отмечена и при температуре 900°С, однако в последнем случае кривая изменения величины крутящего момента в зависимости от объемной доли волокон располагается выше кривой для И00°С.

Исследования пластичности композиционных материалов в зависимости от изменения объемной доли волокон показало, что изменение объемной доли волокон от 0 до 12% приводит к резкому уменьшению значений п, а при значениях V( от 12 до 40% п остается на неизменном уровне. При этом образцы допускали деформацию при скручивании до 2-3 оборотов.

"Щ

А-А

Рис. 14. Образцы композиционных материалов а — до испытания; б — после испытания; в — продольное сечение испытанного образца

Было изучено влияние температуры нагрева на изменение характеристик п и Мкр при скручивании армированных и неармированных сплавов ХН70Ю и ХН45Ю. Установлено, что для всех армированных испытанных материалов с изменением температуры нагрева от 1000 до 1200°С величина п практически не изменяется, в то же время Мкр с повышением температуры уменьшается. Сравнение армированных и неармированных материалов выявило, что при 1100-1200°С п неармированных материалов превышает п армированных материалов примерно в 7-9 раз, а крутящий момент для армированных материалов выше, чем для неармированных, причем это не зависит от температуры нагрева.

Полученные результаты испытаний, очевидно, связаны с характером деформации армирующих волокон в матрице. Можно полагать, что с повышением

количества волокон и с понижением температуры нагрева композиции сопротивление деформации волокон возрастает, это и приводит к повышению значений крутящего момента. Пластичность армирующих волокон по сравнению с пластичностью матрицы не велика, поэтому разрушение волокон при первых 2-3 оборотах приводит к разрушению всей композиции. При этом установлено, что изменение температуры, нагрева от 1000 до 1200°С практически не сказываются на изменении пластичности вольфрамовых волокон. Этим можно объяснить горизонтальный ход кривой значений п в зависимости от температуры нагрева армированных материалов.

. Таким образом можно считать, что метод скручивания при повышенных температурах может быть успешно применен для оцецки пластических и прочностных свойств металлических композиционных материалов. Показано, что прочностные свойства армированных материалов по сравнению с неармированными резко возрастают с повышением объемной доли волокон в матрице. Изменения температуры нагрева при деформации в интервале температур от 1000 до-1200°С приводит к незначительному изменению этих свойств. При этом пластичность материалов понижается с повышением объемной доли волокон и мало зависит от температуры нагрева.

4.3. Сопоставление экспериментальных методов исследования технологических испытаний листов и лент на выдавливание сферической лунки.

• Рассмотрены и сопоставлены экспериментальные методы исследования технологических испытаний листов и лент на выдавливание сферической лунки по критериям появления трещины на колпачке и моменту спада нагрузки.

Показано, что основное несоответствие методов касается прежде всего различия критериев окончания испытания. Данные, полученные по этим двум критериям, дают возможность считать, что в ГОСТе 10510-63 за такой критерий принят момент спада нагрузки, который;

а) дает иную, несопоставимую с общепринятой, глубину выдавливаемой лунки; .

б) вызывает принципиальные споры, т.к. спад нагрузки может быть не только перед разрушением, но и на площадке текучести (зубе текучести);

в) приводит к разногласиям между поставщиками и потребителями, т.к. в ГОСТах на металлопродукцию указаны нормы по критерию появления трещины, а не по спаду нагрузки;

г) делает практически невозможной метрологическое обеспечение испытательного оборудования.

Отмечено, что для успешного введения в действие стандарта (ГОСТ 10510-74) на метод испытания листов и лент по Эриксену с окончанием испытания в момент появления трещины на лунке необходимо, оснащение промышленности соответствующими приборами. В связи с этим в рамках настоящих исследований [2.40] были разработаны методика испытаний и модернизированный прибор МТЛ-10Г, позволяющий проводить испытания по критерию появления на выдавливаемой лунке сквозной трещины, видимой на просвет, взамен ранее используемого критерия спада нагрузки. Подчеркнуто, что для оценки соответствия модернизированного прибора МТЛ-10Г бьии проведены испытания стали 08Ю толщиной 1,5 мм и меди марки М1 толщиной 1,0 мм по трем вариантам:

1) испытания по спаду нагрузки;

2) испытания по появлению трещины на колпачке с ручным отключением прибора;

3) испытания по появлению трещины на колпачке на автоматическом режиме при помощи реле времени.

Для испытаний по критерию появления трещины на автоматическом режиме опробовали две методики определения времени запаздывания отключения прибора, которое необходимо устанавливать на реле, времени для каждого конкретного материала. Результаты испытаний обработаны методами математической статистики. Описаны изменения, внесенные в принципиальную электрическую схему прибора МТЛ-10Г и приведена рекомендуемая последовательность его работы по новой схеме. Показано, что стабильность результатов по новой методике в большой степени зависит от постоянства скорости перемещения пуансона в конце испытаний.

Таким образом, проведенные испытания и статистический анализ результатов, показали возможность использования модернизированного прибора МТЛ-10Г для технологических испытаний на выдавливание по спаду нагрузки и по появлению трещины, причем как на ручном, так и на автоматическом режиме в полном ¿оответствии с ГОСТ 10510-74 (действие стандарта установлено без ограничения срока действия).

4.4. Определение сравнительной износостойкости тонких упрочненных слоев методом ступенчатых лунок.

Разработана методика исследования сравнительной износостойкости тонких поверхностных слоев, полученных после низкотемпературных процессов нитроцементации и цианирования на машине Шкода - Савина [41]. На поверхность упрочненного образца наносится серия лунок различной глубины (рис. 15), полученных при различном числе оборотов внедряемого диска: 3000, 1500, 750, 380, 190, 95, 47.

Рис. 15.Образец с нанесенными лунками для оценки износостойкости упрочненного слоя

Максимальное значение п было принято таким, чтобы глубина полученной лунки превышала толщину исследованного слоя (характер строения диффузионного слоя, глубину различных его зон оценивали металлографическим анализом).

При оценке сравнительной износостойкости упрочненных сталей область, соответствующую началу испытаний (до п = 47' об/мин) не учитывали. Целесообразность такого подхода объясняется влиянием микропрофиля поверхности, на характер образующейся лунки в первый момент испытания. Кроме того, начальной стадии внедрения диска в испытуемый образец соответствуют максимальные неконтролируемые удельные нагрузки.

При оценке свойств упрочненных слоев, имеющих несколько резко разграниченных диффузионных зон, . важно иметь возможность контролировать не

только износостойкость каждого участка слоя, но и характер сцепления каждой зоны

/

слоя с подслоем. Метод ступенчатых лунок позволяет на одном образце проследить влияние износа на прочность сцепления каждой зоны слоя с нижележащим подслоем. Изготавливая микрошлиф с поперечным разрезом по имеющимся лункам, можно получить развернутую картину поэтапного износа упрочненного слоя.

Разработанная методика была использована для исследования сравнительной износостойкости цианированных и нитроцементированных сталей 45 и 40Х.

Цианирование проводили в расплавах цианистых солей при температурах 540-600°С в течение 0,5-10 ч.

Нитроцементацию осуществляли в газовой смеси аммиака, азота и продуктов разложения триэтаноламина в интервале температур 540-700°С в течение 2-10 ч.

После испытания на поверхности обработанных сталей получали диффузионные слои, состоящие из поверхностного слоя химических соединений азота и углерода (карбонитридного слоя) и диффузионного подслоя. Толщина карбонитридного слоя 550 мкм, а диффузионного подслоя 0,1-0,4 мм. Темп износа упрочненного материала в значительной мере определяется способностью к приработке тонких поверхностных фильмов изделия.

Показано, что глубина, фазовый состав, структура упрочненных слоев и, как следствие, износостойкость зависят от технологического режима обработки.

Показано, что, несмотря на различный темп износа карбонитридного слоя в зависимости от режима упрочнения, невозможно объективно оценить его антифрикционные свойства без учета толщины карбонитридного слоя. Как отмечалось, толщина карбонитридного слоя находится в пределах 5-50 мкм.

Тонкий карбонитридный слой (5-10 мкм) выявляется при микроструктурном исследовании упрочненных материалов в виде плотного белого слаботравящегося (в 4%-ном растворе НЖ)э в спирте) поверхностного фильма. Изменения режима цианирования (нитроцементации) не только изменяет его глубину, но и отражается на изменении микро- и макростроения слоя.

На поверхности карбонитридного слоя толщиной более 10-15 мкм появляются точечные поры, переходящие при его дальнейшем росте в микропоры столбчатого вида, направленные параллельно к поверхности изделия.

Микропоры, увеличивая рельеф поверхности, в одних случаях могут способствовать адсорбции смазочных материалов и повышению износостойкости изделия, а в других случаях рыхлый поверхностный слой (микропоры), выкрашиваясь в начале испытания в виде абразива, резко интенсифицирует процесс износа. Это означает что получить сравнительную износостойкость слоя, базируясь на его определенной толщине, практически невозможно. В этом случае рекомендуется оценивать износостойкое» таких слоев в приведенных величинах типа аР/Н(пР/У), где

Н (или V) - соответственно толщина карбонитридного слоя (объем вытертой лунки на поверхности испытуемого образца при данном числе оборотов и постоянной нагрузке Р=10 кгс (100 Н). В работе исследован темп износа упрочненного слоя в зависимости от температуры и продолжительности обработки.

Таким образом, проведенные исследования и полученные данные позволили из многочисленных технологических вариантов насыщения поверхностных слоев металла рекомендовать оптимальные, отличающиеся наилучшими антифрикционными свойствами.

Рассмотрены результаты исследования антифрикционных характеристик сталей 45 и 40Х, упрочненных низкотемпературным цианированием [2.42]. Низкотемпературное цианирование проводилось при температурах 540, 570, 600°С в течение 0,5; 1,0; 2,0; 4,0; 6,0; 8,0; 10,0 ч. После достижения рабочей температуры и расплавления ванна имела следующий состав: 60-70% КС, 25-30% KCNO. Содержание цианита (KCNO) повышалось до 40-49% при аэрации ванны воздухом в течение 70-80 ч.

Показано, что после цианирования на поверхности исследуемых сталей образуется упрочненный слой, включающий две зоны: карбонитридный слой и диффузионный подслой - твердый раствор азота и углерода в а- и у-железе с возможными включениями карбонитридов. Установлено также, что толщина карбонитридного слоя в зависимости от продолжительности и температуры процесса изменялась от 7-8 (насыщение при 570°С - 1 ч ) до 58 мкм (обработка при 600°С в течение 8 ч).

Подчеркнуто, что при определенных режимах цианирования в карбонитридном слое возникают поры точечного или столбчатого характера. При этом глубина пористой зоны может достигать ИЗ толщины карбонитридного слоя. Было установлено, что микропоры столбчатого характера фиксируются после насыщения сталей в течение 6-10 ч. Таким образом можно считать, что микропустоты этого типа в карбонитридном слое тормозят образование и развитие хрещин, ведут к шелушению и выкрашиванию поверхности в процессе трения.

Можно полагать, что точечные поры сферической формы не являются источниками образования трещин в вязкой матрице. Наличие точечных микропустот увеличивает маслоемкость поверхности, локализует микроскопические сдвиги,

вызывает аннигиляцию дислокаций, благоприятно отражаясь на антифрикционных свойствах материала.

Установлено, что при всех режимах цианирования развитие диффузионного слоя и образование пор протекает более интенсивно в стали 40Х.

Причем с повышением температуры процесса охрупчивание карбонитридного слоя наблюдается для обоих сталей при небольших выдержках, для легированной стали такая зависимость проявляется резче. Кроме того были проведены измерения твердости НУ5 и микротвердости Н200.

При толщине карбонитридного слоя от нескольких единиц до десятков микрометров поверхностная твердость, замеренная при нагрузке 5 кг (НУ5),соответствует некоторой интегральной величине твердости карбонитридного слоя и примыкающего к нему диффузионного подслоя (ввиду продавливания индентором карбонитрида).

Использование нагрузки 0,2 кг позволяет дифференцировать поверхностную твердость карбонитрида и подслоя. И лишь при охрупчивании карбонитридного слоя и его частичном разрушении- под действием индентора (даже при нагрузке 0,2 кг) возможен замер усредненной твердости с участием подслоя. Видимо, в этом случае пересечения кривых твердости (НУ5 и Н200) дает представление о пластичности (хрупкости) карбонитридного слоя.

Для оптимизации технологии процесса цианирования с целью получения максимальной износостойкости упрочненных материалов использовался метод математического планирования эксперимента.

Таким образом, примененный метод исследования, включающий измерение твердости НУ5 н микротвердости Н200, определение характеристик прочности, пластичности, износостойкости, а также металлографический анализ, позволил исследовать структуру и свойства диффузионного слоя сталей 45 и 40Х после низкотемпературного цианирования. Установлено, что во. внутренней зоне поверхностного карбонитридного слоя образуются поры. Зона пористости достигает в ряде случаев 2/3 от общей толщины карбонитридного слоя (40-60 мкм). Показано также, что твердость внутренней зоны, карбонитридного слоя в 2-3 раза выше пористой. Установлено с помощью методики математического планирования эксперимента, что максимальной износостойкостью обладают образцы, планированные при температуре 570°С в течение 2 ч. При этом режиме упрочнения

толщина карбондтридного слоя составляет 13-16 мкм с присутствием на его поверхности отдельных точечных пор.

4.5. Методика испытаний металлов и сплавов на ползучесть и виброползучесть.

Показано, что в рабочих условиях детали и конструкции некоторых машин (турбинные лопатки, детали самолетов сверхзвуковой скорости, ракетные двигатели, трубопроводы высокого давления и др.), работающих длительное время при повышенной температуре, находятся под совместным воздействием постоянно действующих (статических) и переменных напряжений. Переменное напряжение, например, может накладываться на среднее постоянно действующее статическое напряжение в виде высокочастотной вибрации ограниченной амплитуды. Разрушение некоторых из вышеперечисленных деталей и конструкций, рассчитываемых на прочность на основе данных ползучести, иногда носит усталостный характер. Поэтому работы проведенные по развитию методов испытаний на ползучесть касаются как испытательного оборудования, так и методики испытаний [2.43]. В связи с этим для проведения специальных испытаний была разработана методика и создана установка, позволяющая проводить испытания на "виброползучесть" при совместном действии длительной статической нагрузки и вибрации частотой 400 Гц при повышенной температуре.

. Обоснованы методы определения с требуемой точностью пластической деформации и усилий при высокотемпературных испытаниях, описаны схемы и способы измерения этих величин, а также используемая аппаратура.

Приведены программы испытаний, которые были реализованы на разработанной установке, рассмотрены конструкции ее отдельных узлов, проанализированы особенности систем нагружения и нагрева, а также систем измерения и записи усилий и деформаций при испытаниях. Показано, что амплитуда переменной составляющей нагрузки, создаваемой электромагнитным вибратором, путем изменения напряжения может быть установлена в пределах от 100 до 320 Н. На рис. 16 представлена, типичная осциллограмма. для средней постоянно действующей нагрузки 3500 Н.

Рис. 16. Типичная осциллограмма для среднего напряжения 3500 Н

Результаты экспериментов по раздельному исследованию сопротивления металла действию длительной статической (Од.„.) и длительной переменной нагрузки (см) при повышенных температурах позволяют сделать заключение, что существует такая

длительная статическая нагрузка.

Подтверждается отмеченное в литературе предположение о возможности изменения направления влияния вибрации на ползучесть при изменении температурь! испытания.

Исследованы начальные участки кривых ползучести и виброползучести стали 1Х14Н18В2БР1 (ЭИ 726) и сплава ЭИ 652 (ХН70Ю) при времени испытания до 40 ч. Испытания проведены как в условиях постоянного, так и переменного температурного и силового режима. Сталь ЭИ 726 при температурах испытания 600 и 700°С как при постоянном, так и при переменных режимах при наложении вибрационной нагрузки обнаружила повышенную скорость ползучести в самом начале испытания (1-3 ч.). После этого скорости ползучести и виброползучести остаются примерно одинаковыми. В любой момент времени абсолютное удлинение при виброползучести оказывается больше, чем при ползучести. Наложение вибрации на статическую часть нагрузки для сплава ЭИ652 при температурах 900 и 1000°С вызвало противоположное влияние. В первом случае вибрация несколько упрочняет сплав, а во втором случае существенно способствует его деформированию.

Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что помимо выяснения долговечности металла в условиях совместного действия длительных статических и переменных нагрузок, можно также получить указания для назначения режимов обработки Металлов давлением (ковкой, прокаткой, волочением.

температура, ниже которой более опасной является переменная нагрузка, а выше —

штамповкой и др.). Полученные данные показывают, что применение переменного деформирующего усилия может облегчить процесс формообразования изделия, но может и затруднить его.

4.6. Определение влияния ВМТО на сопротивление разрушению при статическом и циклическом нагружении стали 1Х14Н18В2БР1 (ЭИ 726) при температуре испытания 700°С.

В работе исследовано влияние высокотемпературной механико-термической обработки на сопротивление разрушению при статическом и циклическом нагружении аустенитной стали 1Х14Н18В2БР1 (ЭИ 726) при температуре испытания 700°С [2.44].

Процесс ВМТО заключался в том, что заготовки диаметром 90 мм ковали при 1170-1200°С на заготовки прямоугольного сечения такой толщины, чтобы при последующей прокатке (при температуре 900°С) за один проход получить степень обжатия 5, 10, 25 и 50%. Каждая заготовка пройдя через валки, попадала в ванну с холодной водой, где остывала до нормальной температуры. Отпуск заготовок при более низких температурах после прокатки не производили Контрольная заготовка прошла тот же цикл термической обработки, но без прокатки. Одна заготовка получила стандартную термическую обработку (исходное состояние) - закалка от 1170°С и отпуск при 750°С. Полученные результаты указывают на то, что после прокатки в условиях ВМТО сопротивление металла деформации после всех видов испытаний выще, чем в исходном состоянии. Это увеличение тем значительнее, чем больше степень обжатия при прокатке. Исключение составляет только истинное сопротивление при разрыве (Бк). После закалки от 900ЬС без обжатия эта характеристика несколько увеличилась по сравнению с исходным состоянием, однако прокатка с обжатием на 10% привела к её снижению. Увеличение степени обжатия до 50% не влияло на истинное сопротивление разрыву.

Установлено, что предел текучести в результате ВМТО изменяется более интенсивно, чем временное сопротивление. Так, при обжатии 50% предел текучести возрос примерно на 70%, а временное сопротивление на 35% по сравнению с исходным состоянием (после закалки от 900°С без обжатия — соответственно на 45 и 25%). Показано, что способность металла к упрочнению по мере увеличения степени обжатия в условиях ВМТО уменьшается.

По мере увеличения степени обжатия в результате BMTÓ пластичность стали уменьшается, особенно относительное удлинение (при обжатии на 50% уменьшается примерно на 30%).

Результаты испытаний на ползучесть показывают, что в результате ВМТО время до разрушения увеличивается, а скорость ползучести на втором участке кривой ползучести уменьшается примерно на один порядок. Следует указать, что существенного различия между сопротивлением ползучести для металла в исходном состоянии и после закалки с 900°С без обжатия не установлено. Подчеркнуто, что положительный эффект упрочнения после ВМТО сохраняется длительное время: испытание образца на ползучесть при ст = 180 МПа, изготовленного из металла, обжатого на 50%, продолжалось более 4,5 мес. В этом случае разрушение образца не было достигнуто.

Длительная прочность стали после ВМТО с обжатием 50%, определенная на базе 100 ч увеличилась примерно на 24%, а на базе 1000 ч — на 30% по сравнению с исходным состоянием.

Подчеркнуто то, что наиболее существенные изменения усталостной прочности после ВМТО наблюдаются в области ограниченной долговечности. Это тем более важно отметить, поскольку в исходном состоянии исследуемая сталь при действии переменных напряжений весьма чувствительна к перегрузкам. Деформирование стали в условиях ВМТО увеличивает область ограниченной долговечности на три - четыре порядка. Предел выносливости в результате ВМТО также значительно повышается. После обжатия при ВМТО на 10,25 и 50% предел выносливости увеличивается, соответственно, на 6,18 и 29%. Кроме указанных испытаний, была определена твердость по Бринеллю стали при той же температуре.

Таким образом, пластическая деформация стали 1Х14Н18В2БР1 (ЭИ 726) при высоких температурах в условиях, когда сохраняются последствия такой обработки, не только повышает статическую прочность и сопротивление ползучести, но существенно повышает усталостную прочность при повышенных температурах.

4.7. Методика испытаний на усталость образцов из труб и листов толщиной менее 12 мм.

Разработана методика проведения испытаний на усталость образцов из труб и листов толщиной менее 12 мм на реконструированной машине типа НУ [2.45]. Эта

установка обеспечивает проведение испытаний цилиндрических образцов при консольном изгибе с вращением, форма и размеры рекомендуемых образцов соответствуют требованиями ГОСТ 2860-65 "Металлы. Методы испытания на усталость". Отмечено, что для сравнительных испытаний допускается применение образцов с диаметром рабочей части менее 5,0 мм и образцов с кольцевой выточкой круглого профиля. Представлены результаты испытаний на усталость по предлагаемой методике образцов стали ЗОХГСФ, изготовленных из стенок бурильных труб.

4.8. Оценка работоспособности деталей и конструкций в условиях сложного нагружения при малоцикловой усталости Приведены результаты исследования сопротивления, разрушению при жестком циклическом нагружении нормализованной стали 40Х в условиях постоянного и одноступенчатого нагружения [2.46].Структура стали представляет сорбитообразный перлит и феррит. Цилиндрические образцы диаметром 15 мм и рабочей частью 70 мм испытывали на малоцикловую усталость на машине УМЭ-ЮТМ при симметричном знакопеременном цикле нагружения с частотой 1,5ц/мин, при этом велась запись петли гистерезиса в координатах "усилие-деформация". Полученные результаты указывают на то, что исследованная сталь является циклически стабильной: с увеличением амплитуды пластической деформации возрастала площадь петель гистерезиса, что указывает на увеличение рассеянной в металле подведенной энергии. Установлено, что зависимость циклической долговечности от заданного размаха пластической деформации в двойных логарифмических координатах хорошо аппроксимируется

прямой (трафик Коффина): -И =1,239-103.

Анализ изломов показал, что с увеличением амплитуды пластической деформации возрастает зона хрупкого долома и уменьшается зона подрастания усталостной трещины.

Определено, что исследование процесса накопления повреждений при малоцикловой усталости в условиях одноступенчатого нагружения позволяет количественно оценить долговечность деталей и конструкций при сложной программе циклического нагружения. В этом случае при переходе с верхнего уровня деформации на нижний исследуется влияние перегрузок на долговечность материала, в то время,,

как в противоположном случае изучается влияние тренировок. На основании полученных результатом были построены кривые повреждаемости в координатах

"г ~ Щ -я, N. /V,'

которые позволяют непосредственно установить зависимость между конечными результатами испытаний и характером начального нагружения при заданных условиях пластической деформации. Необходимо отметить, что как в случае тренировок, так и перегрузок не соблюдается закон линейного накопления повреждений. Показано, что тренировки стали 40Х при жестком циклическом нагружении оказываются наиболее эффективными при начальной относительной долговечности 10-20%. Проведенная проверка показала хорошее соответствие расчетных кривых повреждаемости и результатов эксперимента.

На основании приведенных работ разработан метод прогнозирования работоспособности деталей и конструкций, работающих в условиях перегрузок и повторяющихся пиковых нагрузках по результатам экспериментальных исследований лабораторных образцов при малоцикловом жестком одноступенчатом нагружении.

4.9. Исследование эффективности различных схем упрочнения сплава ОХН40МДТЮ (ЭП 543) пластическим деформированием при различных температурах.

Представляет интерес исследования эффективности различных схем упрочнения пластической деформацией при различных температурах, когда сохраняются последствия такой обработки. В связи с этим в данном исследовании пластическую деформацию сплава ОХН40МДТЮ (ЭП 543) осуществляли различными способами: прокаткой сплава с окончанием при 900-925°С, обеспечивающей отсутствие рекристализации (режим I), и статическим растяжением при комнатной температуре (режим II). Прокатку проводили на профильном стане при степени обжатия в последнем пропуске 25%. В результате получали заготовки в виде прутков диаметром 16 мм, подвергавшиеся старению при 650°С 5 ч. Для оценки свойств сплава после различных режимов обработки, кроме характеристик, определяемых при испытаниях на статическое растяжение исследовали также ударную вязкость и усталостную прочность гладких и надрезанных образцов при круговом изгибе [2.47, 2.48].

Показано, что после высокотемпературной деформации все прочностные характеристики заметно возрастают. Особенно значительно увеличивается предел текучести и предел выносливости по сравнению с закаленным состоянием сплава (без деформации). Установлено, что более интенсивное упрочнение сплава после высокотемпературной деформации объясняется действием следующих основных факторов:

1) наклепом твердого раствора при деформации;

2) старением, протекающем в процессе охлаждения сплава после деформации и проходящим в наклепанном металле более интенсивно.

При Последующем изотермическом старении деформированного сплава при 650°С лишь, незначительно повышаются прочностные характеристики, вероятно, за счет дополнительного вьщеления частиц упрочняющей фазы типа N3 (П, А1). Пластичность сплава при этом почти не изменяется.

Показано, что для сплава, обработанного по режиму I, возможно дальнейшее увеличений усталостной прочности за счет дополнительной обработки поверхности образца дробью. При этом предел выносливости гладких образцов повышается приблизительно на 8 %, а надрезанных на 12 %.

Для изучения влияния обработки по режиму II сплав после закалки на воздухе от 1100°С деформировали растяжением 5,10, 20,30% при комнатной температуре. Часть образцов испытывали после деформации, а остальные образцы подвергали старению по режиму: нагрев до 750°С, выдержка 10 ч, охлаждениена воздухе.

Показано, что зависимость ограниченной усталостной долговечности от степени деформации характеризуется кривой, имеющей максимум при 10-20% деформации. Указанный характер кривой особенно четко выражен после старения. Установлено, что структура образца с минимальной долговечностью, (деформированного на 30% и состаренного), отличается большим количеством двойников и линий скольжения. Видимых нарушений сплошности в образце не обнаружено.

Сопоставление и. анализ экспериментальных результатов, полученных для сплава ОХН40МДТЮ (ЭП 543) по двум схемам упрочнения показывает, что более эффективна обработка по режиму I.

При обработке , сплава , по режиму I значительно повышается прочность при сохранении достаточно высоких пластичности и ударной вязкости. Предел выносливости повышается приблизительно на 100 % по сравнению с исходным

закаленным состоянием сплава и может быть дополнительно повышен поверхностным пластическим деформированием, в частности дробеструйным наклепом.

При обработке сплава по режиму II повышаются прочностные свойства при одновременном интенсивном снижении пластичности и ударной вязкости во всем „исследованном диапазоне степеней предварительной деформации. ;

При этом режиме обработки существует оптимальная степень предварительной деформации (10-20%), при которой усталостная прочность достигает максимального значения. Старение, проводимое после предварительной деформации до 15-20%, увеличивает, а при больших деформациях уменьшает прочность сплава.

Полученные в данном разделе экспериментальные результаты позволили установить некоторые новые закономерности, характеризующие взаимосвязь характеристик механических свойств, исследованных материалов при различных режимах их упрочнения и обработки, а также при испытании по вновь разработанным методикам.

Полученные результаты являются основой для разработки новых материалов, методов их упрочения и обработки, а также расширения сортамента и области применения существующих сталей и сплавов.

5. СТАНДАРТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ

В данной работе механические испытания металлов рассмотрены во взаимосвязи с проблемой контроля и управления качеством металлопродукции, ибо методы механических испытаний очень широко используются металлургами и металловедами для оценки качества стали, а характеристики механических свойств прочно вошли в состав сертификата на продукцию металлургических заводов и стали важным показателем качества металла при его поставке. потребителю. На металлургических заводах все чаще используется статистическая обработка характеристик механических свойств для корректировки технологического процесса получения стали или обработки её давлением.

При сдаче металла потребителю в сертификат обычно вносятся характеристики механических свойств. Совершенно очевидно, что поскольку эти численные характеристики зависят от применяемого метода испытания (ранее неоднократно

приводились примеры определения конкретных характеристик механических свойств, зависящих от метода испытания), постольку необходимо, в целях сопоставления результатов, придерживаться единой методики при проведении испытаний. Подчеркнуто, что только применяя ГОСТы на методы механических испытаний может быть достигнута полная ясность взаимоотношений между поставщиком и потребителем и станет возможным применение методов математической статистики для оценки качества и стабильности свойств выпускаемых металлов и для совершенствования металлургического производства.

5.1. Стандартизация методов измерения твердости.

Анализ отечественного и зарубежного опыта.

Среди испытаний механических свойств металлов, широко применяемых в практике заводов - поставщиков металла и заводов - потребителей металлопродукции, следует особо указать на измерение твердости металлов. [2.49]. Методы измерения твердости были предложены вместе с приборами, для выполнения этой операции. Так, методы Бринелля, Роквелла и Виккерса вошли в практику вместе с приборами, предложенными этими авторами. Все эти методы основаны на внедрении в испытуемое тело шарика, конуса или пирамиды, изготовленных из другого, значительно более твердого материала. Размер и форма внедряемого тела, применяемые нагрузки и время их действия на испытуемое тело определяют получаемый цифровой результат испытания твердости. Это приводит к необходимости унификации методов измерения твердости металлов. В связи с разработкой унифицированных методов измерения твердости в международных организациях по стандартизации (ИСО, ПКС СЭВ), приводятся и анализируются современные исследования, имеющие целью совершенствование и расширение области применения существующих в мировой практике стандартных методов измерения твердости по Бринеллю, Виккерсу и Роквеллу, Супер-Роквеллу, Шору и др.

Впервые в обобщенном и систематизированном виде приведены новейшие работы в области испытания высокопрочных материалов и металлов в тонких сечениях, измерения твердости на криволинейных поверхностях и внедрения методов определения твердости при оценке качества металлопродукции на агрегатах непрерывного действия в производственных условиях металлургических заводов

Вопросы стандартизации методов измерения твердости рассмотрены с учетом личного опыта автора, и последних достижений науки. В работе [2.50] выполнено сопоставление основных параметров и условий измерения твердости по приведенным выше методикам с зарубежными стандартами и рекомендациями. При этом были сопоставлены стандарты и рекомендации СЭВ и ИСО, а так же стандарты ряда зарубежных стран: НРБ, ВНР, ГДР, СРР, ЧССР, Англии, Италии, Испании, США, Франции, Японии, ФРГ, Индии и др.

Анализ выполненных автором работ по стандартизации наиболее распространенных методов измерения твердости позволяет сделать следующие выводы [2.49,2.50, 2.54]:

5.1.1. Сопоставление стандартов на метод измерения твердости по Бринеллю.

Метод измерения твердости по Бринеллю металлов и сплавов с твердостью не более 450 единиц устанавливает ГОСТ 9012-59 (действие стандарта установлено без ограничения срока действия). С 1979 года этот стандарт полностью соответствует СТ СЭВ 468-77. Как положительные стороны ГОСТ 9012-59 необходимо отметить следующее. Расширен диапазон температур испытуемого металла и времени выдержки под нагрузкой для цветных сплавов (разд. 4 ГОСТ 9012-59). Указаны стандартные нагрузки, применяемые ко всем диаметрам шарика и различным значениям К (табл. 1 ГОСТ 9012-59). Наравне с шариками диаметром 2,5; 5 и 10 мм введены инденторы диаметром 1 и 2 мм, что значительно расширило область использования данного стандарта. Даны конкретные значения отношений ¥Ю2 (или К) для отдельных металлов и сплавов. Например, для черных металлов и высокопрочных сплавов рекомендуется использовать только К=РЛЭ2=30 во всем диапазоне твердости 96НВ-450НВ (вместо 10 и 30 как ранее). Перечислены и конкретные цветные металлы и сплавы с рекомендуемыми значениями К, а следовательно, и диаметров шариков. Погрешность измерения диаметра отпечатка установлена ± 0,25%0, вместо постоянной погрешности любого диаметра отпечатка от шарика любого диаметра. Кроме того, совершенно обоснованно увеличен допуск (до 5%, вместо 2%) на разность измерений диаметров одного отпечатка в различных диаметральных направлениях. В приложении 1 ГОСТ 9012-59 приведены обозначения и определения всех параметров и величин, используемых при измерении твердости по Бринеллю. При измерении

твердости НВ введены два новых отношения (К) нагрузки на индентор к квадрату диаметра шарика 1 и 5 (приложение 2 ГОСТ 9012-59), что позволяет испытывать детали и заготовки (листы) малых толщин (приложение 2 ГОСТ 9012-59). В приложении 3 ГОСТ 9012-59 приведены таблицы значений твердости по Бринеллю отдельно для каждой нагрузки, К и диаметра шарика, что упрощает процедуру определения твердости по тому или иному конкретному диаметру шарика.

Однако ГОСТ 9012-59 и СТ СЭВ 468-77 решают не все проблемы связанные с совершенствованием методов измерения твердости по Бринеллю. Так, например, ГОСТ 9012-59 и СТ СЭВ 468-77 распространяются на металлы с твердостью не более 450 НВ, тогда как стандарты ряда зарубежных стран, а также рекомендации ИСО/Р79-73 допускают проведение испытаний более твердых материалов (более 450 НВ). Анализ этих документов показывает, что одним из путей расширения диапазона измерения твердости может стать применение инденторов из более твердых материалов, например, карбида вольфрама или алмаза.

Показано, что следует значительно расширить работы по совершенствованию методов и технических средств определения твердости НВ по глубине отпечатка под нагрузкой. Это позволит существенно повысить производительность процесса измерения твердости по Бринеллю и создаст условия для его автоматизации. Определенные шаги в этом направлении уже сделаны. В ПО "Точприбор" (г. Иваново) впервые в СССР разработаны и созданы приборы для измерения твердости НВ по глубине отпечатка (модели 2098 ТБА, 2109 ТБ, 2110 ТБ, 2122 ТБ, 2098 ТБ). Применение этих приборов позволило создать автоматизированную систему для контроля твердости НВ заготовок и разнообразных деталей в условиях серийного производства в металлургической, автомобильной и машиностроительных отраслях промышленности. Основной частью такой автоматизированной системы является прибор для определения твердости НВ по глубине отпечатка с электронным блоком, обеспечивающим разбраковку изделий по трем группам твердости: "Больше", "Норма", "Меньше" с помощью световой сигнализации. Результаты измерений фиксируются на световом табло в единицах Бринелля. Для автоматизации обработки результатов испытаний предусмотрено цифропечатающее устройство. Автоматизация разбраковки снижает утомляемость оператора, исключает субъективные погрешности при измерении. Работа оператора при этом сводится к установке и снятию испытуемого изделия после испытайия. Производительность этих приборов в 3-6 раз выше

существующих твердомеров Бринелпя, они не чувствительны к загрязнениям и повышенной запыленности в помещениях. Кроме того, автоматизированные системы для контроля твердости заготовок в условиях поточного производства должны включать устройства для: перемещения заготовок к прибору; обработки места замера твердости на заготовке; цветной маркировки забракованных заготовок; маркировки годной продукции; сортировки заготовок после проведения испытаний; транспортировки испытанных деталей.

Подчеркнуто, что требует своего решения вопрос о стандартизации метода измерения твердости по Бринеллю при аномальных температурах, особенно при пониженных температурах, в связи с увеличением объема исследований склонности сталей к хрупкому разрушению.

5.1.2. Сопоставление стандартов на метод измерения твердости по Виккерсу.

Метод определения твердости по Виккерсу нашел широкое применение в лабораторной и промышленной практике у нас в стране и регламентирован ГОСТ 299975 (действие стандарта установлено без ограничения срока действия).Сопоставление основных параметров и условий измерения твердости по ГОСТ 2999-75 с зарубежными стандартами и рекомендациями показывает, что он соответствует современному уровню требований к методике измерения твердости и не уступает ни одному из рассмотренных зарубежных методических стандартов и рекомендаций. Удобство применения четырехгранной пирамиды заключается в том, что результаты измерения твердости по этому способу сопоставимы с твердостью по Бринеллю в пределах до значений твердости 300-320 единиц по Бринеллю и Виккерсу. Это объясняется тем, что отношения с!/Е>=0,375 при измерении твердости по Бринеллю соответствует углу вдавливания шара 136°, а следовательно, и углу между гранями пирамиды. При дальнейшем увеличении твердости испытуемого металла значения НВ и НУ расходятся из-за влияния упругой деформации шарика. В 1979 году ГОСТ 299975 приведен в соответствие с СТ 470-77.

ГОСТ 2999-75 отличается от всех предыдущих не только по форме, но и по содержанию [2.51].Существенно расширен диапазон измеряемой твердости материалов

— до 2000. Шире стал диапазон температуры измерения твердости - от 0 до 40°С.

/

Введены новые испытательные' нагрузки 9,8 и 19,6 Н, что позволяет проводить

испытания металлических изделий и заготовок с тонкими стенками и небольшими толщинами. Установлены более жесткие требования на продолжительность времени испытания и измерения диагоналей отпечатков пирамиды. Регламентированы требования по измерению твердости на криволинейных поверхностях (сфере, цилиндре) малых радиусов кривизны (менее 5 мм). В приложении 1 ГОСТ2999-75 приведены таблицы значений твердости по Виккерсу при измерении на плоской поверхности, а в приложении 3 приведены значения наименьшей допускаемой толщины образца или изделия. Приложение 4 содержат таблицы значений твердости при определении ее на цилиндрических и сферических поверхностях. Наличие в стандарте указанных таблиц имеет большую практическую ценность, поскольку для образцов с радиусами кривизны менее 5 мм при данной диагонали 'отпечатка твердость металла получает искаженные значения в сравнении с испытаниями на плоскости. Поэтому использование стандартной формулы для подсчета твердости и построения таблиц не представляется возможным, так как приводит к значительным систематическим погрешностям.

Однако ни в одном из существующих стандартов на метод определения твердости по Виккерсу не рассмотрен вопрос об измерении твердости на вогнутых поверхностях малых радиусов кривизны, а также на криволинейных поверхностях более сложной формы, чем сфера или цилиндр, т.е. на поверхностях с различными малыми радиусами кривизны в главных плоскостях сечений (двояковогнутых, двояковыпуклых и выпукло-вогнутых). В то. же время в лабораторной и производственной практике (в машиностроении и подшипниковой промышленности) имеется потребность в таких измерениях. Указанные вопросы, по-видимому, следует рассмотреть при очередном пересмотре стандартов на методы измерения твердости по Виккерсу, тем более, что в качестве положительного примера успешного решения данного вопроса можно назвать ГОСТ 22975-78, разработанный под руководством автора работы.

\

»

5.1.3. Сопоставление стандартов на метод измерения твердости по Роквеллу и Супер-Рожвеллу. Метод измерения твердости по Роквеллу устанавливает ГОСТ 9013-59 (действие стандарта установлено без ограничения "срока действия). В 1979 г. ГОСТ 9013-59 приведен в соответствие с CT СЭВ 469-77. Стандарт регламентирует измерение твердости на выпуклых цилиндрических поверхностям диаметром менее 38 мм (шкалы А и С) и менее 25 мм • (шкала В) - п. 9.9

ГОСТ 9013-59. В стандарте приведены поправочные таблицы, позволяющие определить твердость НИА, ИКС, НИВ непосредственно на цилиндрических испытуемых поверхностях при использовании . стандартной аппаратуры и аналогичной для испытания на плоской поверхности методики (см. табл. 1, 2 ГОСТ 9013-59). Введение в стандарт указанных таблиц имеет большую практическую ценность при контроле твердости деталей и образцов малых диаметров.

Однако отметим, что вопрос решен только относительно испытаний выпуклых цилиндрических поверхностей. • Для испытания же на сферических и вогнутых , цилиндрических поверхностях необходимо по прежнему устанавливать соглашение сторон.

Говоря о методах измерения твердости по Роквеллу, необходимо остановиться; и на стандартах, регламентирующих измерения этой твердости при малых нагрузках по шкалам N и Т. В нашей стране впервые разработан и действует ГОСТ 22975-78 (действие стандарта установлено без ограничения срока действия), регламентирующий метод измерения твердости по Роквеллу при малых нагрузках Н1Ш и НЯТ (по Супер-Роквеллу путем использования конусного (угол 120°) и шарикового (ё=1/16"=1,5875 мм) инденторов, при нагрузках от 147 Н (15 кгс) до 441 Н (45 кгс) [2.52]. В 1983 году ГОСТ 22975-78 приведен в соответствие с СТ СЭВ 2190-80. Содержание стандарта базируется'на принципиальных положениях метода измерения твердости по Роквеллу НКС и НКВ. В стандарте изложены требования, предъявляемые к испытательной аппаратуре и отдельным узлам загружающего устройства (раздел 1 ГОСТ 22975-78), требйвания к подготовке испытуемых образцов (раздел 2 ГОСТ 22975-78), условия и порздок проведения испытаний при использовании шарового и конического

инденторов (раздел 3). Приведены__таблицы измерения твердости по Роквеллу

(шкалы N и Т) для цилиндрических образцов (приложение ! ГОСТ 22975-78).

Сопоставление основных параметров и условий измерения твердости по ГОСТ 22975-78 с зарубежными стандартами и рекомендациями показывает, что он соответствует современному уровню требований к методике измерения твердости и не уступает ни одному из рассмотренных зарубежных методических стандартов и рекомендаций. Основным отличием данного ¿тандарта от существующих стандартов на методы измерения твердости является то, что в нем впервые рассматриваются условия измерения твердости и даются конкретные рекомендации по измерению твердости образцов с самыми различными формами испытуемой поверхности малых радиусов

кривизны (приложение 2. ГОСТ 22975-78). Новые положения этого стандарта, устанавливающие методику испытаний непосредственно на криволинейных поверхностях малых размеров должны быть распространены и на другие числа твердости. Таким образом впервые в мировой практике стандарт содержит номограммы для определения поправок к значениям твердости для образцов с криволинейными поверхностями, отличными от выпуклых цилиндрических. Номограммы, разработанные расчетно-экспериментальным методом приведены в стандарте в справочном приложении 2 "Поправхи к значениям твердости по Роквеллу по шкалам N и Т для образцов с выпуклыми и вогнутыми поверхностями". Подчеркнуто, что при очередных пересмотрах стандартов на методы измерения твердости по Роквеллу и Супер-Роквеллу (ИСО, СЭВ) необходимо решить вопрос о включении рекомендаций по измерению твердости не только на цилиндрических формах поверхностей, но и всех других (вогнутых цилиндрических, выпуклых и вогнутых сферических, поверхностях с двоякой кривизной и др.), тем более, что в качестве положительного примера успешного решения данного вопроса можно назвать ГОСТ 22975-78.

5.1.4. Сопоставление стандартов на метод измерения твердости по Шору.

В РФ впервые разработан и действует ГОСТ 23273-78 (действие стандарта установлено без ограничения срока действия) [2.53]. Стандарт распространяется на металлы, сплавы, металлоизделия и устанавливает метод измерения твердости по Шору от 20 до 140 единиц при температуре 20!|5°С. В шкале-Шора за 100 единиц принята максимальная твердость стабилизированных после закалки на мартенсит образцов из углеродистой эвтектоидной инструментальной стали. Этот метод рекомендуется для испытания разнообразных металлоизделий (например, стальных и чугунных прокатных валков) в производственных условиях.

Метод измерения твердости, изложенный в стандарте соответствует требованиям действующих стандартов ряда зарубежных стран (США, Япония, Италия, Испания. Индия, ГДР, Румыния и др.). (> .

В разделе 1 ГОСТ 23273-78 изложены требования к массе и геометрическим, размерам металлических изделий и образцов, обеспечивающих получение сопоставимых результатов.

В разделе 2 изложены требования к прибору для измерения твердости, уточнены и конкретизированы требования к алмазному наконечнику, что будет способствовать

совершенствованию методики испытаний и, как следствие этого, - уменьшению рассеивания экспериментальных данных; указаны методы и средства контроля рабочей поверхности алмазного наконечника, уточнены технические требования к образцовым мерам твердости (МТШ), применяемым при поверке приборов, обсуждены вопросы периодической и текущей поверки прибора. Сформулированы основные требования, предъявляемые к сталям и методам их обработки для изготовления МТШ.

В разделе 3 обсуждены вопросы подготовки и установки прибора при проведении испытаний образцов разнообразных как по геометрической форме, так и по массе. По результатам исследований приведены обоснованные требования к поверхности испытуемых изделий или образцов: указано, что она должна быть свободной от масла," грязи и иметь шероховатость не более Яа = 2.5 мкм по ГОСТ 2789-73 (СТ СЭВ 638-77). В разделе введены также требования к поверхности столика на который помещают испытуемый образец, сформулированы основные условия подготовки к испытанию крупногабаритных изделий. Рекомендовано при этом использовать стойку-призму для правильной установки съемной части прибора на это изделие.

В разделе 4 изложены требования по технике и методике проведения испытаний. Дополнительно оговорено, что при измерении твердости должна быть обеспеченна горизонтальная установка изделия (образца), а также плотное прижатие колпачка прибора к испытуемой поверхности. Дано описание метода и указано, что при измерении твердости по Шору боек определенной массы свободно и вертикально падает с определенной высоты на испытуемую поверхность. Высота отскока бойка принимается за характеристику .твердости и измеряется в условных единицах. Твердость по Шору обозначается ШО и указывается с округлением до целой единицы шкалы НЭО, например, 85 ШВ. В данном разделе приведены значения допустимого разброса значений.твердости при проведении испытаний. Указано при этом, что на участке образца или изделия, подлежащего определению твердости производится не . менее пяти измерений. Среднее арифметическое результатов этих измерений принимается за твердость данного' образца при условии, что разнреть показаний твердости не превышает пяти единиц. В противном случае испытания повторяют, а ' количество отпечатков при этом удваивают.

В стандарте подробно оговорены способы установки испытуемого образца. Регламентирована также скорость проведения испытаний. Для метрологического обеспечения выполнения требований техники и методики, проведения испытаний

экспериментально установлены допустимые расстояния между центрами двух соседних отпечатков и от центра отпечатка до края образца (экспериментальные исследования были проведены на образцах сталей 40 и 90Х2Ф). Дополнительно отмечено, что в одну и ту же точку испытуемой поверхности допускается производить не более одного удара бойка, поскольку это приводит к искажению полученных результатов.

Выполнено сопоставление технического уровня средств поверки приборов Шора в РФ и за рубежом. Дан критический анализ работ по совершенствованию методов и средств поверки приборов для измерения твердости по Шору. Подчеркнуто, что для совершенствования и унификации методики измерения твердости методом упругого отскока бойка (пс) Шору) следует запланировать разработку ряда соответствующих стандартов, что будет способствовать повышению точности определения характеристик механических свойств металла и повышению уровня качества металлопродукции.

5.1.5. Анализ работ по стандартизации в международном масштабе (в рамках ИСО и ПКС СЭВ).

Показано, что' в последние 30 лет международной организацией по стандартизации ИСО и постоянной комиссией СЭВ по сотрудничеству в области стандартизации (ПКС СЭВ) проделана большая работа по обобщению мирового опыта использования методов твердости и новых разработок в этом направлении. В результате были разработаны рекомендации ИСО и СЭВ на методы ' измерения твердости, которые позволили унифицировать методики измерения твердости, создать однотипные национальные стандарты в различных странах, а также разработать и внедрить, в практику новые стандарты СЭВ. В работе проанализированы стандарты ИСО и СЭВ, которые создают основу для замены в будущем национальных стандартов, так как они являются документами, обобщающими мировой опыт испытания на твердость, более совершенными и по. форме, и по содержанию, и по сути процесса

ч

измерения твердости; включает в себя наиболее достоверные и апробированные элементы усовершенствования методик измерения твердости.

Дополнительно отметим, что имеющиеся отличия в стандартах РФ, СЭВ, ИСО,, а также рекомендациях ИСО я СЭВ на рассмотренные выше методы измерения твердости являются достаточно существенными и' устранение этих отличий при очередных пересмотрам стандартов - актуальная задача на ближайшее время. Кроме

того это позволит в перспективе полностью унифицировать методики измерения твердости в мировой практике их использования и исключить необходимость наличия различных национальных стандартов на один и тот же метод измерения твердости.

Полученные результаты показывают, что в настоящее время имеется достаточно ; ! большое количество стандартов, прямо относящихся к измерению твердости, а так же

стандартов, в которых затрагиваются те или иные вопросы контроля твердости

материалов, изделий, заготовок и полуфабрикатов. В работе [50] проведен анализ таких

стандартов, существующих в нашей стране, а также стандартов и рекомендаций ИСО и

СЭВ, которые либо могут быть применены при разработке новых национальных

стандартов, либо использованы для проведения испытаний на твердость.

-Л

5.2. Стандартизация методов испытаний на растяжение I ■

' при анормальных температурах.

Показано, что испытания на растяжение при высоких и низких температурах наряду с испытаниями при комнатной температуре стали к настоящему времени массовыми контрольными испытаниями в металлургии, машиностроении, теплоэнергетике и других .отраслях производства. Были разработаны государственные стандарты на растяжение при анормальных температурах [2.55,2.56,2.57].

5.2.1. ГОСТ 11150-75 "Металлы. Методы испытаний на растяжение при'пониженных температурах".

ГОСТ 11150-75 разработан с целью уточнения методики испытания, приведения в соответствии со стандартами и рекомендациями ИСО, СЭВ, а также зарубежными стандартами (действие стандарта установлено без ограничения срока действия). При пересмотре ГОСТ. 11150-65 был изучен и обобщен большой теоретический и экспериментальный материал по вопросу испытания металлов на растяжение при пониженных температурах, что позволило уточнить методику испытаний и разработать достаточно аргументированные дополнения и изменения, учитывающие мировой научно-технический опыт в этой области.

В стандарте предусмотрено испытание на растяжение при температурах от 0 до -■ 100°С с определением следующей характеристик: 00,0.5. от, q0.2. о., Sk, Исключено

испытание при температуре жидкого азота ( -19б0С ) в связи с разработкой нового ГОСТа на растяжение от -100°С до "- 269°С и развитием методики проведения испытаний металлов в условиях низких температур (жидкий азот, водород, гелий и др.). существенно уменьшен допуск на отклонения от заданной температуры охлаждающей среды (±2°С, вместо ±5°С в интервале температур от 0°С до -100°С). Дана возможность выбора формы и размера переходных частей образцов, не влияющих на результаты испытаний. Уточнены требования к конструкции сосуда (криокамеры) для обеспечения равномерности охлаждения рабочей части образцов, допускается охлаждение испытуемых образцов в газовой среде. С целью накопления статистических данных по механическим характеристикам при растяжении, введен рекомендуемый ряд температур испытания образцов. Можно считать, что предлагаемый стандарт будет способствовать усовершенствованию методов механических испытаний, а также позволит повысить контроль качества металлопродукции на металлургических и машиностроительных предприятиях.

Стандарт ГОСТ 11150-75 согласован с унифицированными международными методиками испытаний, что обеспечивает лучшие условия для сопоставления экспериментальных данных, получаемых в различных научно-исследовательских институтах и облегчит задачу сравнения качества металла разных стран.

5.2.2. ГОСТ 9561-73 "Металлы. Методы испытаний на растяжение при повышенных температурах" ГОСТ 9561-73 разработан взамен ГОСТ 9651-61 с целью приведения в соответствие со стандартами (рекомендациями) ИСО, СЭВ и зарубежными стандартами (действие стандарта установлено без ограничения срока действия).

......... В стандарте предусмотрено проведение испытаний на растяжение при

повышенных температурах (до 1200°С) с определением, наряду с другими основными механическими характеристиками прочности и пластичности, также и предела упругости способом прямого нагружения. Унифицирована рабочая длина образца, ориентировочно даются размеры и форма головок, которые могут изменяться в зависимости от конструкции захватов испытательной машины. Отказ от регламентации рабочей длины печи и установление отклонений от рабочей температуры согласно

рекомендациям ИСО и СЭВ позволит применять при испытании более компактные по размерам печи.

В стандарте унифицированы размеры образцов, отклонения от заданной температуры испытаний, методика определения предела упругости и условного предела текучести, а также установлена скорость нагружения при определении предела текучести не более 8 кгс/мм2 • мин, (80МПа/мин), введены образцы с буртиками для. установки тензометра.

При очередном пересмотре стандартов на методы испытаний на растяжение следует рекомендовать унифицировать размеры образцов, что, по нашему мнению, улучшит возможность сопоставления экспериментальных данных, полученных при комнатных, повышенных и пониженных температурах [2.58]. Кроме того, следует высказать сомнение в целесообразности дальнейшего разделения одной и той же методики испытания металлов и сплавов на растяжение по таким признакам как виды металлопродукции, интервалы температур испытания и т.п. По сути все имеющиеся стандарты на методы испытаний на растяжение имеют много общего и легче указать, что между ними общего, чем специфического. Доказательством этого являются многочисленные ссылки в существенном на основной ГОСТ 1497-73. Очевидно настало время с целью облегчения практического использования стандартов проделать работу по объединению нескольких аналогичных документов, чем идти по пути их дальнейшего дробления по -несущественным признакам. Полезность создания единого стандарта на методы испытания на растяжение, учитывающего некоторую специфику испытаний как отдельных видов продукции, так и условий испытаний (температурных! скоростных и т.п.) несомненно явится действительным шагом вперед в области стандартизации.

5.3. Стандартизация технологических испытаний листов и лент на выдавливание по Эриксену.

Характерной особенностью работы по стандартизации метода технологических испытаний цистОв и лент на выдавливание по Эриксену является комплексность подхода, когда кроме стандарта на метод испытаний, были разработаны методика проведения испытаний и соответствующее испытательное оборудование, что позволило значительно экономить материальные ресурсы и время при организации его внедрения в промышленность. Ниже будут рассмотрены основные аспекты

стандартизации метода, так как вопросы методики испытания и модернизации испытательного оборудования обсуждены ранее в предыдущих разделах работы [2.59].

ГОСТ 10510-74 "Металлы. Метод испытания на выдавливание листов и лент (метод Эриксена)" разработан с целью унификации методики испытания, приведения в соответствие со стандартами (рекомендациями) ИСО, СЭВ и зарубежными стандартами (действие стандарта установлено без ограничения срока действия). Стандарт распространяется на листовой прокат и ленту из черных и цветных металлов толщиной от 0.1 до 2 мм и устанавливает методы оценки способности их к выдавливанию при температурах 20 ±10°С.

Коротко о самом методе. При значительном многообразии методов технологической оценки листового материала на выдавливание (Эриксена, Энгельгардта и Гросса, гидровытяжки, Фукуи и др.) наиболее объективным и универсальным методом является метод Фукуи, применяемый в Японии. Однако в международной практике он не нашел еще достаточно широкого распространения, видимо, вследствие ограниченности пределов толщин испытуемого материала. Более чистым в смысле отсутствия трения между инструментом и испытываемым материалом является метод двухосного растяжения гидровытяжкой, однако этот метод не обеспечен оборудованием и тоже не нашел пока применения в международной практике.

Таким образом, метод Эриксена по своей простоте, распространенности и исторически сложившимся условиям применения не имйет пока себе равных. В этом методе преобладает двухосное напряженное состояние (со значительным влиянием на это состояние трения между инструментом и испытываемым материалом), что не дает основания судить о поведении материала, например при глубокой вытяжке. Поэтому этот метод не является универсальным и применяется как метод сравнительной оценки технологических свойств листового материала.

В разделе 1 «Сущность метода» указано, что «основным критерием окончания испытания является момент начала образования на лунке сквозной трещины, видимой на просвет». Здесь же в виде примечания указано, что уменьшение усилия выдавливания также является признаком окончания испытания. Однако применение его в качестве критерия окончания испытания допускается лишь по согласованию сторон, Это означает, что договаривающиеся стороны берут на себя согласование норм глубины выдавливания лунки и вопросы согласованности в работе испытательного

оборудования. Этим, естественно не запрещается использование испытаний по критерию спада нагрузки во внутризаводской практике. Наоборот, учитывая большую производительность таких испытаний целесообразно использовать их для внутризаводской разбраковки листа, а также в более ответственных случаях при условии установления для данного конкретного материала и наличного испытательного оборудования зависимости между глубинами лунок, полученных по критерию спада нагрузки и критерию появления трещины на колпачке.

При пересмотре ГОСТ 10510-63 было проведено экспериментальное исследование по выяснению возможности использования отечественного прибора МТЛ-10Г для испытаний по принятому в новом стандарте критерию (появлению трещины на колпачке). Показано, что этот прибор с успехом может быть использован для таких испытаний при ручном его управлении. Включение в цепь прибора реле времени запаздывания позволяет осуществить на МТЛ-10Г испытания по спаду нагрузки и появлению трещины на колпачке (последний при ручном управлении прибором и на автоматическом режиме по запаздыванию отключения прибора).

В новом стандарте ширина металлических полос увязывается с шириной испытываемых образцов, изменены размеры некоторых инструментов, введены требования по государственной поверке приборов. Остальные изменения (обозначение результатов испытания, скорости окончания испытания и др.) обусловлены введением второго критерия окончания испытаний по появлению трещины, который считается основным.

Стандарт приведен в полное соответствие с рекомендациями ИСО и СЭВ, что должно снять несоответствие стандартов в оценке технологических качеств листового металла, значительно сократить число арбитражных споров уежду поставщиками и потребителями листа по величине глубины выдавливания листа, создать условия более гибкого решения вопроса обеспечения таких испытаний испытательным оборудованием с соответствующим метрологическим обеспечением.

Однако ГОСТ 10510-74 решает не все проблемы, " связанные с совершенствованием метода испытаний листов и лент на выдавливание по Эриксену. Так, например, ГОСТ 10510-74 распространяется на листовой прокат толщиной 2 мм, тогда как существует потребность в таких испытаниях материалов толщиной 2-3 мм, для чего должен быть разработан новый стандарт.

Требует своего решения и вопрос о разработке'нового прибора для испытания листов и лент толщиной менее 0.5 мм.

При очередном пересмотре стандарта ГОСТ 10510-74, видимо, следует учесть вопросы, рассмотренные выше, что позволит расширить область применения одного из самых распространенных методов технологических испытаний листового проката.

5.4. Унификация методов испытаний в механике разрушения.

Интенсивные исследования последних 25 лет как у нас в стране, так и за рубежом, в области механики разрушения были направлены на разработку методов определения характеристик вязкости разрушения (трещиностойкости) с целью введения этих важных характеристик в стандарт. Показано, что предлагаемые в американских и английских стандартах методы оценки вязкости разрушения (трещиностойкости) весьма трудоемки, особенно в случае определения характеристик трещиностойкости пластичных металлов и сплавов. Подчеркнуто, что большую работу по стандартизации и унификации методов испытаний металлов на трещиностойкость проводила научно-методическая комиссия по стандартизации (НМКС) в области механики разрушения Госстандарта, возглавляемая членом корреспондентом РАН Н. А. Махутовым. Важность этой проблемы была впервые оценена в тех отраслях промышленности, где необходимы высокая надежность и безаварийность в эксплуатации. Поэтому современные концепции трещиностойкости металлических материалов получили самое широкое распространение в аэрокосмической промышленности, атомной .энергетике и тяжелом машиностроении, начинают внедрятся в металлургии, строительстве и на транспорте.

5.4.1. Разработка РД50.344-82.

При участии автора работы в рамках НМКС были разработаны РД 50.344-82 "Методические указания. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик вязкости разрушения (трещиностойкости) при циклическом нагружении", являющиеся основным межотраслевым нормативно-методическим документом по испытаниям металлов на трещиностойкость при циклическом загружении. Показано, что определяемые в соответствии с этими методическими указаниями характеристики

могут быть использованы (наряду с другими характеристиками механических свойств) для суждения о сопротивлении материала развитию трещины и определения влияния на него различных металлургических, технологических и эксплуатационных факторов; сопоставления материалов при обосновании их выбора для машин и конструкций; контроля качества материалов; оценки долговечности элементов конструкций на основании данных об их дефектности и напряженном состоянии, установления критерия неразрушающего контроля и анализа причин разрушенця-конструкции.

5.4.2. Экспериментальная проверка применимости РД50.260-81 для определения характеристик трещиностойкости низкопрочных сталей.

Первыми и наиболее важными из этой серии. нормативно-технических документов были РД 50.260-81, регламентирующие такие испытания при статическом нагружении. Подчеркнуто, что основное отличие этого документа от известных стандартов США, Великобритании и других стран заключается в более широком комплексном использовании не только относительно известных характеристик трещиностойкости, но и других, таких как критическое раскрытие трещин 5С, коэффициент интенсивности деформаций Ксе, предел трещиностойкости 1с.

При создании РД 50.260-81 в рамках НМКС был разработан и проведен базовый

эксперимент, заключающийся в проведении шестью НИИ и ПО испытаний семи

типоразмеров образцов в широком диапазоне температур из стали 15Х2МФА по

определению характеристик трещиностойкости при статическом нагружении.

Температурный диапазон и размеры образцов были выбраны таким образом, чтобы

имелась возможность получить все виды разрушений от хрупкого до полностью

I

вязкого. Отмечено что, эксперимент такого рода в рамках работ по стандартизации в нашей стране проведен впервые. Подчеркнуто, что проведенные исследования позволили проверить правильность требований, заложенных в разрабатываемый нормативный документ, для обеспечения сопоставимости и , воспроизводимости экспериментальных результатов и получить важный в научном и практическом отношении материал по критериальным характеристикам вязкости разрушения (трещиностойкости) для низкопрочной, пластичной корпусной стали ответственного назначения. Результаты базового эксперимента были использованы при разработке

стандарта по определению характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении.

5.4.3. Рассмотрение и анализ ГОСТ 25.506-85.

ГОСТ 25.506-85 "Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении" разработан впервые и введен в действие 01.01.86 г. Как упоминалось ранее в определении трещиностойкости металлов есть ряд методических условностей, без выполнения которых результаты испытания не будут обладать сопоставимостью. В связи с этим при рассмотрении и анализе основных положений стандарта, выполненных в работе [2.1], особое внимание было уделено вопросам, обеспечивающим возможность получения сопоставимых результатов. Показано, что характеристики, определяемые по настоящему стандарту, применимы к трем видам разрушения - хрупкому, квазихрупкому или вязкому, различающимся по .степени пластических деформаций в зоне разрушения, уровню номинальных разрушающих напряжений, скорости развития трещин, по виду и микростроению поверхности разрушения. Полученные результаты указывают на то, что определяемые по стандарту характеристики трещиностойкости (К|с, Кс, Кот, К'с) используются для сравнения различных вариантов химического состава, технологических процессов изготовления, обработки и контроля качества металлов и сплавов при металловедческих исследованиях. Такая классификация и систематизация экспериментальных данных отражает многостадийность процесса разрушения и необходима для накопления банка данных и их последующего статистического анализа с помощью ЭВМ.

Подчеркнута преемственность и взаимосвязь вновь разработанных методов с уже существующими стандартными методами испытаний по определению характеристик механических свойств металлопродукции, ибо в стандарте ГОСТ 25.506-85 приведены методы построения температурных зависимостей и определения критических температур для низкоуглеродистых и низколегированных сталей (см. Рекомендуемое приложения 4).

' Наконец опыт работы международных организаций по стандартизации (ИСО, ПКС СЭВ) показывает, что наряду с унификацией методик испытаний возникает постоянная необходимость в регламентации требований к испытательному

оборудованию и эти работы должны выполняться в рамках единых комплексных программ.

6. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Показано, что испытательное оборудование для массовых контрольных испытаний и для научно-исследовательских работ целесообразно подбирать по степени его универсальности [2.60]. Так, простые разрывные машины удобнее применять при массовых контрольных испытаниях чем универсальные. При массовых испытаниях иногда рекомендуется применять машины-автоматы, которые изготовляются

некоторыми заводами испытательных машин. Приведены примеры эффективного

>

использования отдельных типов машин при контроле качества металлопродукции (например систем ЦДМ, ЭДЦ, Р, РЭ, МР, ИР и др.).

6.1. Научно-организационные мероприятия.

Дана классификация испытательного оборудования, выпускаемого крупными отечественными и зарубежньми фирмами, включающая две группы:

1. Универсальные испытательные машины для статических, динамических и циклических испытаний с набором разнообразнейших приспособлений, со специальной регистрирующей и показывающей аппаратурой, автоматизирующей процесс испытания, с автоматическим блоком программного нагружения, с нагревательной печью и криокамерой. Подчеркнуто, что эти машины обладают практически неограниченными возможностями, на них можно проводить различные испытания разнообразнейших материалов с усилием от 0.02Н до ШООкН, они используются'для проведения испытаний при научных исследованиях;

2. Испытательные машины, предназначенные для выполнения какого-либо одного вида испытаний. Такие машины целесообразно применять при массовых контрольных испытаниях в производственных условиях.

Рассмотрены тенденции развития в схемах нагружения и конструкциях отдельных узлов испытательного оборудования (сил0Е0збуждение, силоизмерение, приспособление для испытаний, автоматические регуляторы скорости нагружения и реформирования, блоки программного нагружения и деформирования, блоки

регистрации малых деформаций и роста трещин и др.). Подчеркнуто, что весьма плодотворным было использование автором своих исследований для практического улучшения серийных испытательных машин, в частности, при разработке технических требований и проведении Государственных испытаний, оборудования, разработанного в ПО "Точприбор" г.Иваново и СКБИМ ПО "Точмашприбор" г.Армавир за период с 1965 по 1980 гг.

Составлен технический обзор оборудования, выпускаемого фирмой "Инстрон" (Англия) для механических испытаний материалов и выявлена возможность применения его при организации приемо-сдаточных испытаний и проведения научных исследований. Определена и обобщена потребность предприятий черной металлургии в новом отечественном и зарубежном оборудовании. Осуществлена широкомасштабная поставка новейшего испытательного оборудования на металлургические предприятия из ГДР в рамках договора на поставку тонколистового холоднокатаного проката из СССР (1975-1979 гг.). Обобщенные требования черной металлургии по обеспечению ее испытательным оборудованием переданы в Министерство приборостроения СССР для реализации.

6.2. Модернизация испытательного оборудования.

Вопросы совершенствования испытательного оборудования в работе рассмотрены в связи с развитием методов механических испытаний металлопродукции. Когда модернизация испытательных установок является составной частью исследований по разработке новых методов испытаний металлов и сплавов. Это особенно важно для испытаний, когда разрушение в процессе развития трещины представляют собой локальный, постепенно распространяющийся процесс, характеризующийся следующими одна за другой стадиями. Такой подход к исследованию процесса разрушения при циклических нагрузках следует считать более правильным и более полным, но возникают трудности в связи с необходимостью большой перестройки лабораторной техники. Речь идет не только о конструировании и изготовлении достаточного числа испытательных машин. Необходимы также изменения организационно-производственного характера, поднимающего технику и методику испытаний на более высокую ступень. Подчеркнуто, что этот процесс сложный и длительный, и на большие достижения в ближайшем будущем рассчитывать не

приходится. Основные результаты работы по этому направлению следующие [2.1, 2.61, 2.62]. '

1. Разработан высокоскоростной автоматизированный испытательный комплекс типа ТУРБО-8 для проведения испытаний на усталость консольных образцов при поперечном изгибе в режиме автоколебаний при жестком нагружении. Эта установка обеспечивает проведение испытаний в ! условиях симметричного знакопеременного цикла нагружения с построением первичных экспериментальных данных по критерию окончательного разрушения (кривая Велера), и по моменту появления макроскопической трещины глубиной 0.2 - 0.3 мм (кривая Френча). Отмечено, что в процессе испытаний с помощью цифрового частотомера с цифропечатающим устройством автоматически регистрировалось изменение собственной частоты колебания образца. Характер этих изменений был использован для определения зарождения макротрещины и оценки скорости ее распространения.

Приведены результаты испытаний, которые были реализованы на разработанной установке, исследован процесс разрушения при циклическом нагружении новых биметаллических материалов, испытана система автоматизации метода регистрации процесса повреждаемости, разработаны рекомендации по повышению надежности машины ТУРБО-8 и созданию на ее основе нового . испытательного комплекса. Показано, что разработанная методика испытаний является чувствительным методом, позволяющим количественно оценить влияние способа отбора образцов (вдоль и поперек прокатки) и масштабного фактора на сопротивление разрушению при циклических нагрузках. Установлено, что применение машины ТУРБО-8 вместо стандартных позволяет увеличить производительность труда, снизить себестоимость усталостных испытаний, автоматизировать процесс измерения и обработки результатов испытания на ЭВМ, постоянно связанной с экспериментальной установкой.

2. Для регистрации скорости распространения усталостной трещины разработан измерительный комплекс, состоящий из датчика последовательного обрыва и прибора, названного регистратором, конструктивно выполненного в унифицированном корпусе. Подчеркнуто, что экспериментальная установка включает прерыватель, связанный непосредственно с пульсатором испытательной машины или стенда и установленный на одном валу со счетчиком. Отмечено, что в электрической схеме регистратора предусмотрена блокировка от ложных срабатываний

при повторном замыкании оборвавшейся нити тензорезистора. Причем токи питания рабочих и блокирующих реле, протекающие через нить датчиков, направлены встречно и компенсируются, что исключает нагрев нити тензорезистора и повышает надежность работы датчиков в целом. Применение разработанного регистратора делает ненужным слежение оператора за развитием процесса и исключает источник субъективных оценок эксперимента, неизбежных при визуальном наблюдением за развитием трещины.

3. Создана экспериментальная установка для исследования скорости роста . усталостной трещины на цилиндрических образцах с наружным надрезом на основе довольно широко распространенной в лабораториях институтов и заводов испытательной машины типа НУ. При этом был изменен привод машины и модернизирована схема нагружения. Проведенная реконструкция позволяет снизить скорость приложения нагрузки до 260 мин'1, сократить длину образца на 50 мм до 176 мм, осуществить нагружение образцов подвеской с набором грузов,через рычажную систему с соотношением плеч 1:10, надежно отсчитывать число циклов нагружения с точностью не менее 5 циклов. Дополнительно отмечено, что после разрушения две части образца разъединяются и располагаются на разном уровне для недопущения повреждения поверхностей разрушения. Испытания крупногабаритных образцов производились на обычном токарном станке, без какой либо его переделки в условиях консольного изгиба. В этом случае изготовленный цилиндрический образец с нанесенным надрезом не снимается со станка, что практически полностью исключает его биение при последующем испытании на усталость.

4. Приведено описание экспериментальной установки для высокотемпературных испытаний на усталость при консольном изгибе вращающегося образца, созданный на базе машины типа НУ. Реконструкция испытательной машины предусматривает удаление левого подшипника с цанговым захватом, надежную установку на две опоры оставшегося подшипника с цанговым захватом и монтаж нагревательной печи на освободившееся место. Отмечено, что нагрузка прикладывается к свободному концу образца при помощи специальной подвески с набором сменных грузов, состоящей из двух частей. Нижняя часть подвески представляет собой штангу с поддоном, а верхняя - обойму с подшипником, шарнирно соединенную с серьгой, на которой укреплена тяга. Разработана форма испытуемого образца с рабочей поверхностью, имеющей радиус сферической части И=70 мм, обеспечивающей разрушение в определенном (заранее рассчитанном) месте рабочей

поверхности, где напряжения достигают максимального значения. Подчеркнуто, что безопасная и надежная работа подшипника подвески обеспечивается применением водяного охлаждения и наличием трех выточек R=3 мм на образце, а нагрев подшипников шпинделя предотвращается наличием водоохлаждающего экрана. Сформулированы основные требования к функционированию систем нагрева и нагружения при испытаниях. Показано, что температура испытания регулируется и поддерживается с точностью ±1°С электронным терморегулятором конструкции ЦНИИЧМ, что соответствует уровню требований и нормам стандартов ряда стран (США, Германия, Япония и т.д.), на поддержание температуры образца при испытаниях на усталость, ползучесть и статическое растяжение. Обоснованы методы замера и контроля температуры при испытаниях до 1200°С, описаны схемы и способы измерения этой величины, а также используемая аппаратура.

5. Проведена реконструкция серийной испытательной машины типа УЬСИТ-3000, которая в течении значительного времени была основной и практически единственной установкой при проведении испытаний на усталость консольных образцов при повышенных температурах. Модернизация осуществлена для проведения усталостных испытаний на больших базах (107 или 2.107 циклов) при температурах выше 700°С и продолжительностью более 100 часов. С этой целью конусные соединения испытуемого образца со шпинделем машины выведены из зоны высоких температур. (Это соединение вследствие диффузионных процессов оказалось настолько прочным, что после окончания эксперимента нельзя было удалить сломанный образец без разрушения посадочного места шпинделя). Нагревательные печи установки передвинуты на 60 мм к подвеске с грузом, благодаря этому конец шпинделя с конусной поверхностью оказался вне печного пространства, что улучшило условия работы соединения. Показано, что в новых условиях конус шпинделя при испытаниях в интервале температур 700 - 1100°С нагревался значительно меньше, чем до перестановки печи. Однако перемещение печи к подвеске с грузом ухудшило условия работы подшипника подвески. В связи с этим разработанная система водяного охлаждения подшипника и нанесение на образец кольцевых выточек с радиусом R=3.5 мм существенно уменьшили нагрев подшиЪника и обеспечили его длительную и надежную работу.

Полностью заменена громоздкая и не надежная заводская схема автоматического регулирования и контроля температуры на новую более надежную схему,

обеспечивающую точность поддержания заданного температурного режима с погрешностью ±1°С. Установлено, что испытания на этой машине консольных образцов с цилиндрической рабочей частью затруднительно, т.к. разрушение образцов / происходит в самых различных местах по длине образца и полученные экспериментальные данные имеют большое рассеивание. Поэтому цилиндрическая рабочая часть образца заменена радиусной (11=70 мм), чтобы обеспечить разрушение образца в заранее назначенном месте и уменьшить разброс экспериментальных результатов. При новой форме образца напряжения достигают максимального значения вблизи минимального сечения, в котором и происходит разрушение. Разработанная экспериментальная установка позволила производить испытания на больших базах, доходящих до 1 млрд. циклов (1000 часов) в диапазоне температур 700 - 1100°С.

б. Рассмотрены и сопоставлены конструкции и типы экспериментальных установок для исследования процесса разрушения при циклической ползучести в условиях переменного температурного и силового режима [2.63]. Показано, что для испытаний на ползучесть и длительную прочность более целесообразно использовать машины, предназначенные для испытания на ползучесть, а не на усталость, т.к. последние очень дороги и обычно имеются в недостаточном количестве. При испытаниях на этих установках переменные усилия, прикладываемые к образцу, создавались перемещением нагрузочного рычага относительно своего среднего положения. Такое перемещение достигается прикреплением электромагнитного вибратора к нагрузочному рычагу. Отмечено, что преимущество этой машины по сравнению с машинами с механическим способом приложения переменной нагрузки заключается в том, что и частота и амплитуда в этом случае могут изменяться в широком1 диапазоне. Имеются установки, в которых нестационарный режим по напряжению и температуре изменялся на заранее заданной программе.

Надежна в эксплуатации установка для исследования процесса разрушения проволоки в нестационарных условиях нагружения, когда переменные напряжения прилагаются эл ектром агнитнькл вибратором, соединенным с верхним концом образца. Подчеркнуто, что нагруженйё образца, находящегося внутри масляного термостата, осуществляется растяжением пружины. Эта система нагружения обладает малой инерцией, что особенно важно, когда на образец налагаются добавочные колебания (вибрация). Кроме того такой способ нагружения легко может быть использован в автоматической системе с любой программой нагружения.

7. Отмечено, что ПО «Точприбор» с 1992г серийно выпускает прибор модели ИА-5073-100 (б.МТЛ-10Г) для технологических испытаний на выдавливание листов и лент по ГОСТ 10510-74. Машина представляет собой гидравлический пресс двойного действия с полностью автоматизированным рабочим циклом испытания, включая обнаружение трещины. В комплект поставки входит устройство с микроскопом для испытания прочности лакокрасочных покрытий, нанесенных на металлическую подложку.

6.3. Совершенствование твердомеров и других технических средств измерения.

Приведены [2.49] схемы и (технические характеристики оборудования для измерения твердости по Бринеллю, Виккерсу, Роквеллу, Супер-Роквеллу, Шору. Особое внимание уделено методам поверки приборов при помощи эталонных плиток (образцовые меры твердости). Обсуждены исследовательские работы для установления норм на изготовление и применение стальных плиток, выполненные в отдельных странах и по международному плану в рамках ИСО и СЭВ. Подчеркнуто, что особая роль в рационализации контроля механических свойств металла в производственных условиях принадлежит переносным твердомерам, как статического принципа нагружения испытуемой поверхности, так и ударного. Отмечено, что твердомеры ударного действия обладают значительными преимуществами перед статическими приборами, их можно использовать для контроля твердости материала, изделий и конструкций любой формы и размеров, в любых производственных или эксплуатационных условиях. Установлено, что при массовых испытаниях одинаковых деталей измерение диаметра отпечатка можно заменить измерением его глубины. Показано, что отличительной особенностью большинства зарубежных .переносных приборов является применение пружин для создания испытательной нагрузки .и встроенных микроскопов для измерения размеров отпечатков.

Дана классификация приборов твердости по принципу их действия и приведен перечень стандартных приборов со статическим нагружение индентора, выпускаемых отечественной промышленностью и рядом зарубежных фирм. Естественно, что не все из перечисленных приборов могут быть применены для осуществления методик испытания по вновь разработанным стандартам, так как там приводятся марки

приборов не только вновь освоенных и выпускаемых а настоящее время, но и приборов раннего производства, требующих реконструкции и модернизации [2.50].

Показано, что широкое распространение в заводской и исследовательской практике методов измерения твердости обусловлено не только простотой измерения, но и тем, что величина твердости дает представления о комплексе механических свойств металла, определяемых другими видами испытаний, в частности, испытаниями на растяжения. Отмечено, что в результате испытания на твердость изделие не разрушается и практически не повреждается, следы испытания на поверхности изделий в большинстве случаев не имеют значения для эксплуатации. Было установлено, что приборы для измерения твердости значительно более производительны, чем другие испытательные машины, их обслуживание несложно, а освоение не требует, высокой квалификации работников. Подчеркнуто, то приборами для измерения твердости можно контролировать качество ответственных деталей или сборочных единиц в массовом производстве, тогда как другими методами испытаний можно производить лишь выборочный контроль при проверке качества материала детали. Показано, что подобные проблемы часто возникают в таких отраслях промышленности, как машиностроение, металлургия, судостроение, химическое и нефтяное аппаратостроение,. теплоэнергетическая промышленность, а также при строительстве ряда уникальных сооружений.

Экспериментально установлено, что использование методов и технических средств определения твердости НВ по глубине отпечатка под нагрузкой позволяет существенно повысить производительность процесса измерения твердости по Бринеллю и создает условия" для его автоматизации. Научные разработки в этой области позволяют совершенствовать технику и методику процессов измерения твердости в производственных условиях и создавать приборы, работающие в автоматическом и полуавтоматическом режимах.

Обобщены и систематизированы работы по конструированию и созданию автоматизированных систем контроля качества металлопродукции с использованием приборов для измерения твердости при проектировании автоматизированных заводов будущего [2.64]. Для автоматизации обработки результатов испытаний предусмотрено цифропечатающее устройство. Исследования показали, что автоматизация разбраковки снижает утомляемость оператора, исключает субъективные 'погрешности при измерении. В связи с этим принято, что установка и снятие испытуемого изделия после

испытания должны осуществляться либо оператором при пуско-наладочных операциях, либо роботом и манипулятором при работе системы контроля в автоматическом режиме. Приведены примеры использования отдельных конструкций роботов при создании автоматизированных систем контроля качества металлопродукции и изделий машиностроения.

Приведены технические характеристики оборудования и приборов твердости. Анализ и сопоставление различных конструкций стандартных приборов со статическим нагружением индентера, приведенный в работе [2.65], показывают, что практическое использование некоторых из них в автоматизированных системах контроля качества затруднительно без существенной реконструкции и модернизации метода контроля твердости НВ по глубине отпечатка под нагрузкой. Дополнительно рассмотрены вопросы конструирования узлов по врезке приборов твердости в поточную линию производства продукции, подлежащей контролю качества. Было установлено, что автоматизированные системы контроля качества должны включать устройство для перемещения изделий к прибору, обработки места замера твердости изделий, цветной маркировки забракованных изделий, маркировки годной продукции, сортировки изделий после проведения испытаний, транспортировки годной продукции.

Показано, что при переходе к природосберегающей, науко- и интеллектоемкой экономике составной частью технологического процесса является автоматизированная система контроля качества продукции. Эта предпосылка подтверждается результатами исследований, когда в качестве базовой модели при создании Системы автоматизированного контроля твердости отливок из цветных сплавов, получаемых литьем под давлением в гибких автоматизированных производствах литья под давлением (ГАП ЛПД) был принят твердомер типа 2098 ТБА, серийно выпускаемый ПО "Точприбор" (г. Иваново). Исследования, проведенные в НИИСЛ (г. Одесса), показали, что этот прибор рекомендуется для использования при проектировании автоматизированных систем контроля качества продукции в производственных условиях работы ГАП ЛПД.

Таким образом, внедрение в промышленность приборов твердости НВ по глубине отпечатка под нагрузкой работающих в автоматическом режиме служит основой для разработки систем управления качеством металлопрод} кции (в частности, отливок из легких сплавов), когда оперативный контроль, в процессе производства следует использовать не только как пассивную приемо-сдаточную операцию для отбраковки

негодной продукции, а, главным образом, для предупреждения брака. В этом случае появляется возможность за счет контроля и благодаря обратным связям обеспечивать совершенствование технологического процесса и повышение качества выпускаемой продукции за счет включения в систему контроля ЭВМ.

Определены направления дальнейших исследований в этой области по разработке испытаний, исключающих механическую обработку по подготовке поверхности изделия и применению переносных приборов для оценки качества металлопродукции. Показано [2.66], что наиболее впечатляющие результаты при внедрении автоматизированных систем контроля качества продукции могут бьггь получены при использовании переносных приборов новейших конструкций совместно с. робототехническими устройствами, имеющими дистанционное управление.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате выполненных исследований решена актуальная научно-техническая проблема по разработке научно обоснованных методов повышения эффективности использования металлических материалов, позволяющих существенно повысить качество и технический уровень машин и механизмов за счет комплексного развития методов механических испытаний, их стандартизации и унификации в отечественной и международной практике, а также благодаря созданию и внедрению новых испытательных комплексов и экспериментальных установок для исследования процесса разрушения при статических, динамических и циклических условиях нагружения и разработке параметров, характеризующих многостадийность процесса разрушения и отражающих свойства материала в локальном объеме у вершины трещины, которые можно квалифицировать как новое крупное достижение в механике материалов, имеющее важное значение в различных отраслях промышленности, в том числе на железнодорожном транспорте. При решении этой проблемы были получены следующие выводы:

1. В работе на основании большого объема выполненных исследований весь комплекс механических испытаний, включающий методы испытаний на трещиностойкость, рассматривается как единое целое, как самостоятельное научное направление. Показано, что вновь разрабатываемые методы определения характеристик трещиностойкости являются развитием и совершенствованием существующих

стандартных методов испытаний. Знание этой связи дает возможность обоснованно, с определенной степенью вероятности, переходить от сложных механических испытаний к более простым, что в конечном итоге является основой для определения размеров допустимых дефектов в исследованных материалах по данным испытаний лабораторных образцов.

2. В результате испытания образцов исследованных сталей при статических, динамических и циклических условиях нагружения сделаны обобщения связей между составом и распределением неметаллических включений и комплексом механических свойств в диапазоне температур от -196 до +20°С. Показано, что ударная вязкость на поперечных образцах, работа зарождения трещины, работа развития трещины, коэффициент интенсивности напряжений, предел выносливости чувствительны к характеру и количеству содержащихся неметаллических включений в исследованных пределах.

3. Сформулированы и обоснованы условия, определяющие область истинных значений К|с при статическом однократном нагружении компактных образцов из сталей низкой и средней прочности на внецентренное растяжение, в условиях, отрицательных температур. Предложена обобщенная диаграмма для низколегированных сталей, определяющая область истинных значений К|с по температуре и толщине образца. Изучены распределения Кю по толщине исследуемого полуфабриката. Показано, что применение современных рафинирующих технологий при выплавке этих сталей сопровождается повышением величины Кю Разработаны методы определения величины К|с при испытании на усталость цилиндрических образцов, выполнена ее проверка и определены границы применимости.

4. Разработан новый принцип разделения трещин на макроскопическую и микроскопическую, связанный с изменением параметра, контролирующего ее рост и уровень нагруженности.

Экспериментально установлено, что отдельные, участки трещины в плоском образце в процессе усталостного разрушения движутся с различной скоростью. Различие скоростей отдельных участков трещины больше в начале и почти отсутствует в конце процесса разрушения. Благодаря различию скоростей отдельных участков, конфигурация фронта трещины непрерывно изменяется от выпуклой в начале движения до сложной зигзагообразной формы в конце процесса усталостного разрушения. 1

Показано, что в плоском образце трещина растет в постоянно меняющемся напряженном состояния. В начале процесса практически весь фронт усталостной трещины находится в условиях плоского деформированного состояния; в конце процесса концы трещины располагаются в областях, где осуществляется плоское напряженное состояние, тогда как средняя часть трещины находится в условиях трехосного объемного напряженного состояния.

5. Установлено, что геометрическая форма зоны распространения усталостной трещины (ИО и зоны окончательного долома (Р2) цилиндрических образцов с наружным надрезом при испытании на изгиб с вращением постоянна в исследованном интервале напряжений. Показано, что характерной особенностью поверхности разрушения таких образцов является отсутствие ярко выраженного отдельного фокуса излома, когда зародившаяся трещина замыкается и охватывает весь периметр испытуемого образца в течение ограниченного числа циклов нагружения. Показано, что отношение Б 1^2 является важной дополнительной характеристикой материала и устанавливает исследуемые стали в ряд: чем выше это отношение, тем выше способность материала сопротивляться распространению уже имеющейся усталостной трещины, тем представляются лучшие возможности к своевременному обнаружению дефектной детали с трещиной.. Следует отметить, что метод ступенчатых нагружений опробован для исследования фронта развивающейся усталостной трещины и для тарировки косвенных методов слежения за ростом усталостной трещины.

6. На основе анализа и сопоставления различных экспериментальных методов исследования технологических испытаний листов и лент на выдавливание сферической лунки разработаны методика испытаний и модернизированный прибор МТЛ-10Г,

' позволяющий проводить испытания по критерию появления трещины на колпачке, реализован ГОСТ 10510-74 "Металлы. Метод испытания на выдавливание листов и лент (метод Эриксена)". Рассмотрены возможности автоматизации разработанной методики испытаний в производственных условиях металлургических и машиностроительных заводов для совершенствования экспрессного контроля качества металлопродукции.

7. Исследованы закономерности влияния высокочастотной вибрации ограниченной амплитуды на особенности деформирования при ползучести конструкционных сталей и сплавов как в условиях, постоянного, так и переменного температурного и силового режима. Подтверждается отмеченное в литературе

предположение о возможности изменения направления влияния вибрации на ползучесть при изменении температуры испытания. Показано, что, основываясь на результатах испытаний на "виброползучесть" металлических материалов, можно выбрать оптимальный режим обработки их давлением (ковкой, прокаткой, волочением, штамповкой и др.), когда применение переменного деформирующего усилия может облегчить процесс деформирования изделия.

8. Обобщены результаты оригинальных исследований характера разрушения, прочности и пластичности металлических композиционных материалов на основе никелевых сплавов; армированных вольфрамовыми волокнами марки ВА при скручивании в экстремальных температурных условиях. Показано, что прочностные свойства армированных материалов, по сравнению с неармированными резко возрастают с повышением объемной доли волокон в матрице. Изменение температуры нагрева при деформации в интервале температуры от 1000 до 1200°С приводит к незначительному изменению этих свойств. При этом пластичность материалов понижается с повышением объемной доли волокон и ма-^с 'ависит от температуры нагрева.

9. Исследованы закономерности изменения износостойкости тонких упрочненных слоев конструкционных сталей после различных режимов ХТО в зависимости от температуры и продолжительности обработки. Показано, что глубина, фазовый состав, структура упрочненных слоев и, как следствие, износостойкость зависят от технологического режима обработки. Для исследования темпа износа по глубине слоя разработан метод количественной оценки сравнительной износостойкости упрочненных поверхностных слоев материала. Показано, что при оценке свойств упрочненных слоев, имеющих несколько резко разграниченных диффузионных зон, разработанный метод позволяет на одном образце контролировать не только износостойкость каждого отдельного слоя, но и характер сцепления каждой зоны с нижеследующим подслоем. Реализован метод изменения твердости отдельных слоев в тонких покрытиях.

Показано, что разработанный комплекс исследований и полученные данные позволили из многочисленных технологических вариантов насыщения поверхностных слоев металла рекомендовать оптимальные, обладающие наилучшими антифрикционными свойствами.

10. В результате использования обширного круга экспериментальных методик •при статическом, динамическом и циклическом нагружении (некоторые из которых развиты в рамках работы) проведено широкое исследование различных схем упрочнения пластической деформацией сталей и сплавов при различных температурах для разработки более эффективных схем упрочнения деталей, работающих в экстремальных условиях нагружения. Показано, что пластическая деформация стали 1Х14Н18В2БР1 (ЭИ 726) при высоких температурах в условиях, когда сохраняются последствия такой обработки, не только повышает статическую прочность и сопротивление ползучести, но существенно повышает усталостную прочность при повышенных температурах.

Установлено, что больше других вариантов увеличивает сопротивление разрушению при статическом и циклическом нагружении пластическое деформирование при температуре 900-925°С, обеспечивающей отсутствие процесса рекристаллизации. Показано, что предел выносливости сплава ОХН40МДТЮ (ЭП 543) увеличивается на 100% по сравнению с исходным закаленным состоянием и может быть дополнительно повышен поверхностным пластический деформированием, в частности, дробеструйным наклепом. При этом предел выносливости гладких образцов повышается'на 8%, надрезанных — на 12%.

Показано, что зависимость ограниченной усталостной долговечности от степени предварительной деформации при комнатной температуре для сплава ЭП 543 характеризуется кривой, имеющей максимум, при 15-20% деформации. Указанный характер кривой особенно четко выражен после старения. Наблюдаемые эффекты свидетельствуют о том, что старение, проводимое после предварительной деформации до 15-20%, увеличивает, а при больших деформациях уменьшает прочность сплава.

11. Показано, что различные зоны сварного стыкового соединения обладают неодинаковым сопротивлением развитию усталостных трещин, на которые существенное влияние оказывает режим сварки. Такой подход позволяет определить наиболее рациональный режим сварки с точки зрения получения равнопрочного соединения, обладающего наилучшим сопротивлением распространению усталостных трещин.

Представлены данные о возможности и степени повышения работоспособности сварных соединений посредством засверловки и наложения дополнительных валиков, корректирующих поле Достаточных напряжений. Показано, что метод наложения

сварного валика дает лучшие результаты и является предпочтительным. При этом наибольшая эффективность этого метода достигается на ранних стадиях развития трещины, когда ее длина не превышает 30% полной ширины образца.

12. На базе установленных в работе закономерностей сопротивления разрушению при жестком циклическом нагружении конструкционной стали 40Х в условиях постоянного и одноступенчатого нагружения разработан метод прогнозирования работоспособности деталей и конструкций, работающих в условиях перегрузок и повторяющихся пиковых нагрузок. Проведенная проверка показала хорошее соответствие расчетных кривых повреждаемости и результатов эксперимента.

13. Разработана нормативно-техническая документация на определение твердости (ГОСТ 2999-75, ГОСТ 22975-78, ГОСТ 23273-78), технологической пробы (ГОСТ 10510-74), характеристик механических свойств при статическом (ГОСТ 9651-73, ГОСТ 11150-73) и циклическом (РД50.345-82) йагружении.

Выполнена унификация методов механических испытаний в международном масштабе (в рамках ИСО и ПКС СЭВ).

Национальные стандарты приведены в соответствие с рекомендациями и стандартами ИСО и СЭВ.

14. Вопросы совершенствования испытательного оборудования в работе рассмотрены в связи с развитием методов механических испытании-металлопродукции. Дана классификация испытательного оборудования, выпускаемого крупнейшими отечественными и зарубежными фирмами. Разработан и создан ряд экспериментальных установок, включающий высокоскоростной автоматизированный испытательный комплекс типа ТУРБО-8 для проведения испытаний на усталость консольных образцов при поперечном изгибе в режиме автоколебаний при жестком нагружении; измерительный комплекс, состоящий из датчика последовательного обрыва и прибора для регистрации скорости распространения усталостной трещины; установку для исследования скорости роста усталостной трещины на цилиндрических образцах с наружным надрезом; установку, позволяющую проводить исследования на

виброползучесть при совместном действии длительной статической нагрузки и вибрации частотой 400 Гц при повышенной температуре. Рассмотрены тенденции развития в схемах нагружения и конструкциях отдельных узлов испытательного оборудования, проведена модернизация стандартных испытательных машин типа НУ, УКИТ-3000, МТЛ-10Г и др.

Обобщены h систематизированы работы по конструированию и созданию автоматизированных систем контроля качества металлопродукции с использованием приборов для измерения твердости при проектировании автоматизированных заводов будущего. Определены направления дальнейших исследований в этой области по разработке испытаний, исключающих механическую обработку по подготовке поверхности изделия и применению переносных приборов. Показано, что наиболее впечатляющие результаты при внедрении автоматизированных систем контроля качества продукции могут быть получены при использовании переносных приборов новейших конструкций совместно с робототехническими устройствами, имеющими дистанционное управление.

15. Результаты исследований используются при подготовке студентов и аспирантов МГСУ. Результаты работы вошли в практическое пособие, три методических указания к учебно-исследовательским лабораторным работам, а также в методические указания к выполнению дипломного проекта и производственной практики, которые используются при чтении лекций по отдельным разделам курсов «Материаловедение и обработка металлов», «Технология металлов», выполнении самостоятельных работ, лабораторного практикума, дипломного проекта и производственной практики. На нескольких предприятиях нефтехимии и газовой промышленности проведено обследование действующих взрывоопасных производств и разработаны рекомендации по повышению безопасности этих производств. Эти материалы явились основой «Рекомендаций по применению инструмента ч материалов во взрывоопасных производствах» (Миннефтехимпром СССР, 1986, 1991 гг.). которые были внедрены на ряде предприятий химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и газовой промышленности. Учтенный экономический эффект от практического использования результатов работы составил 1,6 млн. руб. в ценах до 1991 г.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Цитируемая литература

1.1. Griffith A. A. The phenomenon of rupture and flow in solids. // Phil. Trans. Roy. Soc. Ser.

A. — 1920 —221, № 1 — p. 163-198.

1.2. Griffith A. A. The theory of rupture. // Proceeding of thr 1-st International Cjngress

Applied Mechanics. — Delft. The Netherlands — 1924 — p. 55-63.

1.3. Разрушение. В семи томах. / Ред. Г. JI. Либовиц. — М.: Мир и Машиностроение,

1973- 1978 гг.

1.4. Партой В. 3. Морозов Е. М. Механика упруго-пластического разрушения. М.:

Наука, 1974. — 416 с.

1.5. Морозов Е. М., Никишов Г. П. Метод конечных элементов в механике разрушения.

— М.: Наука, 1980. — 254 с.

1.6. Андрейкив А. Е. Разрушение квазихрупких тел с трещинами при сложном напряженном состоянии. — Киев: Наукова думка, 1979. — 144 с.

1.7. Стрижапо В. А. Циклическая прочность и ползучесть металлов при малоцикловом

нагружении в условиях низких и высоких температур. — Киев: Наукова думка, 1978,—236 с.

1.8. Черпанов Г. П. Механика хрупкого разрушения. — М.: Наука, 1974. — 640 с.

1.9. Махутов Н. А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкции на прочность. — М.: Машиностроение, 1977. — 272 с.

1.10. Работнов Ю. Н. Ползучесть элементов конструкций. —М.: Наука, 1966. — 732 с.

1.11. Качалов J1. М. Основы механики разрушения. — М. : Наука, 1974. — 312 с.

1.12. ФинкельВ. М. Физика разрушения.—М.: Металлургия, 1970. — 378 с.

1.13. Финкель В. М. Физические основы торможения трещин. — М.: Металлургия, 1977, —360 с.

1.14. Владимиров В. И. Физическая природа разрушения металлов. — М.: Металлургия, 1984. — 176 с.

1.15. Новиков И. И. Дефекты кристаллического строения металлов. — М.: . Металлургия, 1983. — 168 с.

1.16. ДавиденковН. Н. Избранные труды в 2-х томах. — Киев, Наукова думка, 1981.

1.17. Фридман Я. Б. Механические свойства металлов. Изд. 3-е,-переработанное и дополненное. В двух частях. Часть первая. Деформация и разрушение, — М.: Машиностроение, 1974, — 472 с.

1.18. Фридман Я. Б. Механические свойства металлов. Изд.'3-е, переработанное и дополненное. В двух частях. Часть вторая. Механические испытания. Конструкционная прочность. — М.: Машиностроение, 1974. — 368 с.

1.19. Гордеева Т. А., ЖегинаИ. П. Анализ изломов при оценке надежности металлов.

— М.: Машиностроение, 1978. — 199 с.

1.20. Горицкий В. М., Терентъев В. Ф. Структура и усталостное разрушение металлов.

— М.: Металлургия, 1980. — 297 с.

1.21. Тимошук Л. Т. Механические испытания металлов. — М.: Металлургия, 1971. — 224 с.

1.22. Романов А. Н. Разрушение при малоцикловом нагружении.— М.: Наука, 1988. — 282 с.

1.23. Сервисен С. В. Сопротивление материалов усталостному и хрупкому разрушению. —М.: Атомиздат, 1975. — 181 с.

1.24. Методы и средства оценки трещиносгойкости конструкционных материалов: Сб. науч. тр. / Отв. ред. В. В. Панасюк. — Киев: Наукова думка, 1981. — 314 с.

1.25. Механика разрушения и прочность материалов: Справочное пособие. В четырех томах. /Ред. В. В. Панасюк. — Киев: Наукова думка, 1988-1990 гг.

1.26. Школьник Л. М. Методика усталостных испытаний. — М.: Металлургия, 1978. — 302 с.

1.27. Школьник Л. М. Скорость роста трещин и живучесть металлов. — М.: Металлургия, 1973. — 216 с.

1.28. Николаев Р. С. Причины поломок деталей подвижного состава и рельсов. — М.: Трансжелдориздат, 1954. — 193 с.

1.29. Трощенко В. Т. Деформирование и разрушение металлов пр$£ многоцикловом нагружении. —Киев: Наукова думка, 1981. — 344 с.

1.30. Катаев В. П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени: / Под ред. Гусенкова А. П. —М.: Машиностроение, 1993. — 363 с.

1.31. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник. / Под ред. В. В. Клюева -М.: Машиностроение, 1995. —487 с.

1.32. Маркочев В. М., Кравченко И. О. Метод реальных элементов как основа расчетов на прочность поврежденных деталей конструкций. — М/. МИФИ, 1994.

1.33. Прочность, надежность и долговечность строительных конструкций: Межвуз. сб. науч. тр. — Магнитогорск: МГМА, 1994. — 115 с.

2. Литература, опубликованная по теме диссертации

2.1. Гудков А. А. Трещиностойкость стали. М., Металлургия, 1989, 376 с.

2.2. Тимошенко Н. Н., Гудков А. А. Современное состояние и перспективы развития

неразрушающих Методов контроля механических свойств металлов на предприятиях черной металлургии. // Тез. докл. Всесоюзного научно-технического семинара "Опыт применения неразрушающих методов контроля на предприятиях черной металлургии" (Москва, ВДНХ СССР, 1973 г.). М., Черметинформация, 1973, с.11-13.

2.3. Гудков А. А. Развитие и совершенствование методов определения механических

свойств металлических материалов как основы их эффективного использования в промышленности, на транспорте и в строительстве // Тез. докл. I собрания металловедов России (Пенза, 22 - 24 сентября 1993 г.). Пенза, ПДНТП, часть 1, 1993, с! 19-21

2.4. Гудков А. Д -Контроль" механических свойств металлов: современное состояние и

тенденция развития. // Тез. докл. XVI коллоквиума ЦЗЛ по вопросам металловедения, механических испытаний и методов неразрушающего контроля качества металлопродукции (Череповец, 18 - 22 марта 1974 г.) М., Черметинформация, 1974, с. 24-25.

2.5. Гудков А. А. Научно-технические проблемы развития черной металлургии. М.,

Знание РСФСР, 1986, с.48.

2.6. Гудков А. А. Современные способы получения и конструирования высококачественных металлических материалов. Примерный план и программа для народных университетов. М., Знание РСФСР, 1990, с.48.

2.7. Гудков А. А. Проблемы совершенствования испытательной техники в связи с

развитием методов механических испытаний металлопродукции! // Материалы Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы создания и совершенствования испытательной технйки" (тез. докл.). Иваново, Ивоблупрстат, 1991, с. 17-20.

2.8. Волков В. А., Орестов А. М., Карзов Г. П., Меринов Г. Н., Гудков А. А., Одесский

П. Д., Ратов В. А., Ковчик С. Е. Экспериментальная проверка применимости методических указаний РД 50.260-81 для определения характеристик трещиностойкости низкопрочных сталей // Унификация методов испытаний металлов на трещиностойкость. Вып.2. М., Издательство стандартов, 1982, с. 1031.

2.9. Гудков А. А., Минашин А. В., Пирусский М. В. Метод определения Kic при внецентренном растяжении компактных образцов низколегированных сталей. И Новые методы испытаний: Тем. отрасл. сб. М., Металлургия, 1977, №4, с. 10-17.

2.10. Гудков А. А., Минашин А. В., Пирусский М. В. Развитие методов определения вязкости разрушения низколегированных сталей при статическом нагружении. // Тез. докл. Всесоюзного симпозиума по механике разрушения (Киев, 24 - 26 сентября 1978 г.). Киев, ИПП АН УССР, 1978, с. 21.

2.11. Гудков А. А. Трещиностойкость низколегированной стали 10Г2С1 при внецентренном растяжении образцов. // М., Механизация строительства, 1996, №1, с.9-15.

2.12. Гудков А. А., Гольденберг А. А., Минашин А. В., Громова Г. П. Вязкость разрушения сталей 20Х2Н4А и 10Н4Г4Х2МЮ. // М., Вестник машиностроения, 1979, №2, с.70-72.

2.13. Гудков А. А., Пирусский М. В., Тимошук JI. Т. Методика определения вязкости разрушения (Кгс) по данным испытаний образцов-на усталость. // Новые методы испытания металлов. Тем. отрасл. сб. М., Металлургия, 1972, №1, стр. 124-130.

2.14. Гольденберг А. А., Гудков А. А., Ларин Ю. А. Совместное влияние марганца и хрома на склонность конструкционной стали к хрупкому разрушению // Диффузия, фазовые превращения, механические свойства металлов и сплавов. Сб. науч. тр. М., ВЗМИ, выл.1, 1976, с.80-86.

2.15. Гудков А. А., Лебедев Д. В., Пирусский М. В. Методика определения температуры остановки хрупкой трещины при различных условиях охлаждения // Новые методы испытания металлов. Тем. отрасл. сб. М., Металлургия, 1977, №4, с. 10-17.

2.16. Гудков А. А., Зотеев В. С. О распространении трещины усталости в низколегированной стали повышенной прочности // Новые методы испытания металлов. Тем. отрасл. сб. М., Металлургия, 1976, №3, с.131-140.

2.17. Гудков А.1 А., Зотеев В. С. К изучению закономерностей распространения усталостной трещины // Киев, Проблемы прочности, 1974, №4, с.91-95.

2.18. Гудков А. А., Зотеев В. С. О характере распространения усталостной трещины // Механизмы привода, долговечность и надежность узлов и деталей строительных машин. Сб. тр. №150. М., МИСИ им. В. В. Куйбышева, 1977, с.173-178.

2.19. Гудков А. А., Зотеев В. С., Волков В. С. Прибор для регистрации скорости распространения трещины при циклической нагрузке // Новые методы испытания металлов. Сб. науч. тр. М., Металлургия, 1976, №3, с. 190-193.

2.20. Гудков А. А. Исследование некоторых закономерностей распространения усталостной трещины (на примере сталей различного состава и структуры). Автореф. дис. к.т.н.. М., ЦНИИЧМ,1976,22 с.

2.21. Гудков А. А., Зотеев В. С., Прокофьева И. А., Саррак В. И. Электронно-фрактографическое исследование поверхности усталостного разрушения стали // М., МиТОМ, 1978, №2, с. 64-66.

2.22. Гудков А. А., Зотеев В. С. Фрактографические особенности развития усталостной трещины при программном нагружении стали//М., МиТОМ, 1986, №3, с. 35-37.

2.23. Гудков А. А., Зотеев В. С. Исследование скорости распространения усталостной трещины с использованием критериев линейной механики разрушения // Проблемы разрушения металлов. Сб. статей. М., Знание РСФСР, МДНТП, 1975, с. 76-90.

2.24. Гудков А. А. Исследование скорости распространения трещин усталости в конструкционных сталях И Тез. докл. XIV коллоквиума ЦЗЛ МЧМ СССР по вопросам металловедения и механических испытаний (Москва, 18-22 марта 1972 г.). М., Черметинформация, 1972, с. 135.

2.25. Гудков А. А., Зотеев В. С. О влиянии уровня напряжений на скорость распространения усталостной трещины при симметричном изгибе вращающегося образца//Киев, Проблемы прочности, 1976, №8, с. 30-34.

2.26. Гудков А. А., Зотеев В. С. Влияние приложенного напряжения на скорость распространения усталостной трещины при пульсирующем растяжении // Новые методы испытаний. Тем. отрасл. сб. М., Металлургия, 1977, № 4, с. 17-29.

2.27. Гудков А. А., Зотеев В. С. Влияние частоты приложения циклической нагрузки на скорость распространения усталостной трещины. // Киев, Проблемы прочности, 1976, № 6, с. 44-47.

2.28. Новиков Ю. А., Зотеев В. С., Гудков А. А. О скорости распространения усталостной трещины в сварном соединении // Киев, Проблемы прочности, 1976, №8, с. 54-57:

2.29. Новиков Ю. А., Зотеев В. С., Гудков А. А. Исследования закономерностей развития усталостных трещин л в сварных стыковых соединениях из низкоуглеродисгых и низколегированных сталей // Проблемы разрушения металлов. Сб. статей. М„ Знание РСФСР, МДНТП, 1977, с. 86-99.

2.30. Гудков А. А. Трещиностойкость низкоуглеродистых и низколегированных сталей при статических, динамических и циклических условиях нагружения // Материалы международной научно-технической конференции "Развитие строительных машин, механизации и автоматизации строительства и открытых горных работ". М., МГСУ, 1996, с. 229-231.

2.31. Гудков А. А., Новиков Ю. А., Зотеев В. С., Федоров Ю. К. Циклическая трещиностойкость сталей различного состава и структуры II Материалы II всесоюзного симпозиума "Механика разрушения, .трещиностойкость материалов и элементов конструкций". Киев, ИПП АН УССР, 1985, т.2, с. 85.

2.32. Gudkov A. A., Novikov J. A., Zoteev V. S. Generalized design model of cycles failure of steel with different composition and structure // I International Correspondence conference. Design limit states steel structures. Brono, Technical university of Brono, Czechoslovakia, 1986, p.70-72.

2.33. Гудков А. А. Конференция по методам оценки трещиностойкости листовых конструкций // М., Вестник машиностроения, 1986, № 8, с. 75-76.

2.34. Гудков А. А. II Всесоюзный симпозиум по механике разрушения // М., Вестник машиностроения, 1986, № 12, с. 66-68.

2.35. Гудков А. А., Зотеев В. С., Тимошук Л. Т. Исследование скорости распространения трещины при испытаниях на усталость. // Тез. докл. VI совещания по усталости металлов. М., ИМет АН СССР, 1972, с. 30-31.

2.36. Гудков А. А. IV Всесоюзный симпозиум "Малоцикловая усталость — механика разрушения, живучесть и материалоемкость конструкций" // М., Вестник машиностроения. 1984.1л°7, с. 72-74.

производственных условиях металлургических заводов // Тез. докл. XVIII коллоквиума ЦЗЛ "Новое в развитии металлографических, физических и механических методов контроля качества металлопродукции" (Днепропетровск, 23-26 февраля 1976 г.). М., Черметинформация, 1976, с. 21-22.

2.38. Гольденберг А. А., Гудков А: А., Маслов А. М. Повреждаемость конструкционных материалов при высокочастотных усталостных испытаниях. // Диффузия, фазовые превращения, механические свойства металлов и сплавов. Сб. науч. тр. М., ВЗМИ, 1979, вып. 3, с. 58-67.

2.39. Маслов А. М., Гудков А. А., Нистратов Н. И., Клыпин Б. А. К методике испытания на скручивание жаропрочных волокнистых композиционных материалов при повышенных температурах. // Новые методы испытаний. Тем. отрасл. сб. М., Металлургия (МЧМ СССР), 1977, № 5, с. 24-27.

2.40. Алешкин Ф. И., Гудков А. А., Смушкович Б. Л., Низов А. А. Использование прибора МТЛ-10Г для технологических испытаний листов и лент по критерию появления трещины на колпачке. // Новые методы испытаний. Тем. отрасл. сб. М., Металлургия (МЧМ СССР), 1977, №5, с. 46-49.

2.41. Лахтин Ю. М., Неустроев Г. Н., Айрапетян Н. А., Гудков А. А. Сравнительная оценка износостойкости тонких упрочненных слоев методом лунок // Новые методы испытаний. Тем. отрасл. сб. М., Металлургия'(МЧМ СССР), 1976, № 3, с. 168-172.

2.42. Гудков А. А., Новиков Ю. А., Неустроев Г. Н., Айрапетян Н. А; Исследование

износостойкости конструкционных сталей 45 и 40Х после низкотемпературного

>

цианирования // Механизмы привода, динамика и надежность строительных машин и оборудования. Сб. тр. МИСИ им. В.В.Куйбышева. М., МИСИ, 1986, с. 136-140.

2.37. Гудков А. А.

методов контроля механических свойств металла в

2.43. Тимошук JI. Т., Гудков А. А. Методика испытания металлов и сплавов на ползучесть и виброползучесть // Новые методы испытаний. Сб. трудов ЦНИИЧМ. М., Металлургия, 1964, вып. 38, с. 123-135.

2.44. Зотеев В. С., Гудков А. А., Балашов Л. В., Ермолюк Л. А. Влияние высокотемпературной механико-термической обработки на жаропрочность стали 1Х14Н18В25Р1 (ЭИ 726)//М., МиТОМ, 1968, №2. с.71-73.

2.45. Гудков А. А., Куликов А. П. Метод испытаний на усталость образцов из труб и листов // Новые методы испытаний металлов. Тем. отрасл. сб. М., Металлургия (МЧМ СССР), 1976, № 3, с. 166-168.

2.46. Гудков А. А., Минашин А. В., Гольденберг А. А. Метод оценки работоспособности деталей и конструкций в условиях сложного нагружения при малоцикловой усталости // Материалы III Всесоюзного симпозиума "Малоцикловая усталость элементов конструкций" (тез. докл.). Вильнюс, ВИСИ, 1979, вып. 2, с. 171-174.

2.47. Зотеев В. С., Устименко М. Ю., Гудков А. А., Балашов Л. В. Влияние различных схем термомеханической обработки на механические свойства сплава ОХН40МДТ10 (ЭП 543) // Материалы семинара МДНТП им. Дзержинского "Повышение конструктивной прочности сталей и сплавов". М„ Знание РСФСР, МДНТП, 1970, т.2, с. 208-211.

2.48. Зотеев В. С., Устименко М. Ю., Гудков А. А., Балашов Л. В. Статическая и усталостная прочность сплава ОХН40МДТ10 (ЭП 543) после различных схем упрочнения // М., МиТОМ, 1973, № 8, с. 68-70.

2.49. Гудков А. А., Славский Ю. И. Методы измерения твердости металлов и сплавов. М., Металлургия, 1982, 168 с.

2.50. Гудков А. А., Славский Ю. И., СавилЬва Т. П. Стандартизация методов измерения твердости металлопродукции. Анализ отечественного и зарубежного опыта. М., Изд. стандартов, 1985, 56 с.

2.51. ГОСТ 2999-75. Металлы. Метод измерения твердости алмазной пирамиды по Виккерсу. М., Изд. стандартов, 1975, с. 1-25 (в соавторстве).

2.52. ГОСТ 22975-78. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Роквеллу при малых нагрузках (по Супер-Роквеллу). М., Изд. стандартов, 1978, с. 1-9 (в соавторстве).

2.53. ГОСТ 23273-78. Металлы и сплавы. Измерение твердости методом упругого отскока бойка {по Шору) М., Изд. стандартов, 1978, с. 1-4 (в соавторстве).

2.54. Гудков А. X., Бирун Н. А., Минашин А. В., Чеботарев В. И. Новые стандарты на методы измерения твердости // М., Стандарты и качество, 1979, №11, стр. 22-24.

2.55. ГОСТ 9651-73. Металлы. Методы испытаний на растяжение при повышенных температурах. М., Изд. стандартов, 1974, с. 1-15 (в соавторстве).

2.56. ГОСТ 11150-75. Металлы. Методы испытаний на растяжение при пониженных температурах. М., Изд. стандартов, 1976, с. 1-9 (в соавторстве).

2.57. Гудков А. А., Курчанова Е. А., Минашин А. В. ГОСТ 9651-73. Металлы. Методы испытаний на растяжение при повышенных температурах // Экспресс-стандарт. Качество. Стандарты. Метрология (Госстандарт СССР ВНИИКИ). М., 1973, вып. 51, с. 2-3.

2.58. Гудков А. А., Бирун Н. А., Курчатова »Е. А., Минашин А. В. Стандартизация методов определения твердости металлов и испытания на растяжение при анормальных температурах. // Тез. докл. XVIII коллоквиума ЦЗЛ "Новое в развитие металлографических, физических и механических методов контроля качества металлопродукции". М., Черметинформация, 1976, с. 62.

2.59. ГОСТ 10510-74. Металлы. Методы испытания на выдавливание листов и лент (метод Эриксена). М., Изд. стандартов, 1975, с. 1-7 (в соавторстве).

2.60. Гудков А. А., Тимошук Л. Т. О новых разработках испытательных машин зарубежными фирмами // Тез. докл. XX коллоквиума "Опыт ЦЗЛ по контролю и исследованию качества металлопродукции методами металлографии и механических испытаний" (Челябинск, 3-5 октября 1978 г.). М., Черметинформация, 1978, с. 21-23. . '

2.61. Гудков А. А. Установка для высокотемпературных испытаний на усталость при консольном изгибе вращающегося образца // М., Заводская лаборатория, 1964, №5, с. 606-607 (в соавторстве).

• 2.62. Гудков А. А., Зотеев В. С., Балашов Л. В. Модернизация усталостной машины . УКИТ-3000 // М„ Заводская лаборатория, 1963, К» 12, с. 1501-1502.

2.63. Тимошук Л. Т., Гудков А. А., Зотеев В. С. Поведение материалов при ползучести в нестационарных условиях // Специальные стали и сплавы. Сб. трудов ЦНИИЧМ. М„ Металлургия, 1967, вып. 52, с. 157-159.

2.64. Гудков А. А. Создание автоматизированных систем контроля качества продукции и изделий машиностроения и металлургии // Международная конференция о заводе будущего ИНТЕРТЕХНО'90. Будапешт, Научное общество по машиностроению, т.З., 1990, с. 811-814.

2.65. Гудков А. А. Создание автоматизированных систем контроля продукции и

изделий машиностроения//М., Механизация строительства, 1992, № 12, с. 16-18.

2.66. Гудков А. А. Методы оценки качества металлопродукции переносными твердомерами // М, Заводская лаборатория, 1989, № 12, с. 63-64 (от редакций).

Лицензия ЛР №020675 от 9.12.97 г.

Подписано в печать В.1Ь,9$ Формат 60x84 1/16 Печать офсетная И- /-/•/ Объем 8 пл. Т. МО Заказ /66

Московский государственный строительный университет. Типография МГСУ. 127337, Москва, Ярославское ш., 26.

Московский государственный строительный университет

| Президиум ВА^це^

I (решение от"^/У" 01___1{$1 г., № ^Ъ '

:рукописи 59.01.29

бпРЕДЕЛЕЙИЯ м1:ХАН11ЧЕЙКЙ?СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С ЦЩЬЮ - Ш ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ, НА ТРАНСПОРТЕ И В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Специальность - 05.16.01. Металловедение и термическая обработка металлов

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук в виде научного доклада

Москва - 1998

Московский Государственный Строительный Университет

На правах рукописи УДК 620.178.2/3/18:669.01.29

ГУДКОВ Анатолий Александрович

КОМПЛЕКСНОЕ РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ С

ЦЕЛЬЮ ИХ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ, НА ТРАНСПОРТЕ И В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Специальность — 05.16.01. Металловедение и термическая обработка металлов

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук в виде научного доклада;

я о н

Москва— 1998

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

119 51- - 9 9

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Е. А. Шур,

доктор технических наук В. Т. Алымов,

доктор технических наук, профессор В, М. Матюнин.

Ведущая организация —

Центральный Научно-исследовательский институт строительных конструкций им. В. А. Кучеренко (ЦНИИСК).

Защита диссертации состоится 1998 г. в 40 часов на

заседании специализированного совета Д 114.01.04 во Всероссийском Научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта по адресу: г. Москва, 129851, ул. 3-я Мытищинская, д. 10.

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в научно-технической библиотеке института.

Диссертация в виде научного доклада разослана /?Лл 998 г.

Отзыв на диссертацию в 2-х экз., заверенный гербовой печатью, просим направить по адресу диссертационного совета института.

Ученый секретарь

специализированного совета Д 114^)1.04,

к. т.н. у Г.И.ПЕНЫСОВА

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ 5

ВВЕДЕНИЕ 17

1 ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ПРИ СТАТИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ 20 1.2. Разработка и совершенствование методов определения характеристик

трещиностойкости низкоцрочных сталей 21

1.2. Исследование трещиностойкости сталей 17Г1С, 16Г2САФ, 20Х2Н4А, 40ХНМА, выплавленных по современным технологиям 29

1.3. Оценка влияния структуры и размера зерна стали 10Н4Г4Х2МЮ на сопротивление хрупкому разрушению 31

1.4. Определение вязкости разрушения (Кк) по данным испытаний на усталость 32

2. ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ 35

2.1. Осциллографирование ударного изгиба в. координатах усилие-время и усилие-прогиб 35

2.2. Совместное влияние марганца и хрома на склонность конструкционной стали

к хрупкому разрушению 36

2.3. Методика испытаний на ударный изгиб крупноразмерных полнотолщинных образцов (типа ОШТТ) 37

2.4. Определение скорости распространения хрупкой трещины в листовых образцах 38

3. ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ 40 3 4 Наблюдение за развивающейся усталостной трещиной 41

3.1.2. Метод датчиков последовательного обрыва 41

3.1.5. Метод ступенчатых нагружений 43

3.2. Сопоставление экспериментальных данных, полученных различными методами наблюдения за развивающейся усталостной трещиной 48

5.3. Количественная оценка отдельных зон поверхности усталостного излома 50 ЗА. Элекгроннофрактографические исследования поверхности усталостного разрушения сталей 52,

3.5. Исследование стадий зарождения и распространения усталостных трещин 55.

3.6. Особенности поведения малых усталостных треццш 58

3.7. Оценка влияния частоты нагружения на скорость распространения усталостной трещины в стали 14Х2ГМР 62 3 .8. Закономерности развития усталостных трещин в сварных стыковых соединениях из низкоуглеродистых и низколегированных сталей 63

4. РАЗВИТИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ СТАНДАРТНЫХ МЕТОДОВ ИСПЫТАНИЙ 65 4.5. Оценка повреждаемости конструкциони^гх материалов при усталостных испытаниях в условиях резонансного режиь^е 65

4.2. Модернизация установки на скручивание образцов при повышенных температурах , 68

4.3. Сопоставление экспериментальных методов исследования технологических испытаний листов и лент на выдавливание сферической лунки 71

4.4. Определение сравнительной износостойкости тонких упрочненных слоев методом ступенчатых лунок 73

4.5. Методика испытаний металлов и сплавов на ползучесть и виброползучесть 77

4.6. Определение влияния ВМТО на сопротивление разрушению при статическом и циклическом нагружении стали 1Х14Н18В2БР1 (ЭИ 726) при, температуре испытания 700°С 79

4.7. Методика испытаний на усталость образцов из труб и листов толщиной менее

12 мм. 80

4.8. Оценка работоспособности деталей и конструкций в условиях сложного нагружения при малоцикловой усталости 81

4.9. Исследование эффективности различных схем упрочнения сплава ОХН40МДТЮ (ЭП 543) пластическим деформированием при различных температурах - 82

5. СТАНДАРТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ 84

5.1. Стандартизация методов измерения твердости. Анализ отечественного и зарубежного опыта 85

5.1.1. Сопоставление стандартов на метод измерения твердости по Бринеллю 86

5.1.2. Сопоставление стандартов на метод измерения твердости по Виккерсу 88

5.1.3. Сопоставление стандартов на метод измерения твердости по Роквеллу и Супер-Роквеллу * 89

5.1.4. Сопоставление стандартов на метод измерения твердости по Шору 91

5.1.5. Анализ работ по стандартизации в международном масштабе (в рамках ИСОиПКССЭВ) 93

5.2. Стандартизация методов испытаний на растяжение при анормальных температурах 94

5.2.1. ГОСТ 11150-75 Металлы. Методы испытаний на растяжение при пониженных температурах 94

5.2.2. ГОСТ 9561-73 Металлы. Методы испытаний на растяжение при повышенных температурах 95

5.3. Стандартизация технологических испытаний листов и лент на выдавливание

по Эриксену (ГОСТ 10510-74) 96

5.4. Унификация методов испытаний в механике разрушения 99

5.4.1. РазработкаРД50.344-82 99

5.4.2. Экспериментальная проверка применимости РД 50.260-81 для определения характеристик трещиностойкости низкопрочных сталей 100

5.4.3. Рассмотрение и анализ ГОСТ 25.506-85 101

6. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ 102

6.1. Научно-организационные мероприятия 102

6.2. Модернизация испытательного оборудования 103

6.3. Совершенствование твердомеров и других технических средств измерения 1,08

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1,11

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 117

ПРЕДИСЛОВИЕ

Актуальность проблемы. Стали и сплавы еще долгие годы останутся основным конструкционным материалом, применяемый в промышленности, на Транспорте и в строительстве. В нашей стране, как известно, еще совсем недавно металла выплавлялось больше, чем в других странах, но используется он пока менее эффективно. Поэтому повышение эффективности использования черных металлов в народном хозяйстве является многоотраслевой комплексной проблемой, которая требует скорейшего решения. Различные отрасли современной техники предъявляют высокие требования к надежности изделий, а следовательно, и к качеству металла, в частности к таким его свойствам, как прочность, трещиностойкость, упругость, выносливость, вязкость, пластичность, твердость[1.3, 1.21, 1.25, 1.28].

Наука о механических испытаниях имеет сравнительно короткую историю: Из небольшого перечня приемов для определения разрушающей нагрузки при разрыве, изломе, кручении выполняемых пр» проверке качества готовых металлических изделий, эта область инженерного искусства сформировалась в настоящее время в самостоятельную обширную научную дисциплину. В работе весь комплекс механических испытаний, включающий методы испытаний на трещиностойкость, рассматривается как единое целое, как самостоятельное научное направление.

Первыми отраслями промышленности, где эти приемы и ростки науки возникали и развивались, были железнодорожное строительство и металлургия. Ведущая роль в нашем столетии в формировании и создании науки о механических свойствах материалов принадлежит выдающимся русским ученым: Н. Н. Давиденкову, Н. П. Щапову, Я. Б. Фридману, С. В. Серенсену, И. А. Одину, идеи которых продолжают и сейчас оказывать большое влияние на современные концепции экспериментальной оценки характеристик механических свойств металлических материалов.

Большой вклад в развитие механики материалов и разработки новых технологических методов повышения прочности металлов при статических, динамических и циклических условиях нагружёния представляют работы отечественных ученых: Н. Н. Афанасьева, Г. И. Баренблата, Н. А. Буше, А. П. Гуляева, М. Э. Гарфа, В. С. Зотеева, В. С. Ивановой, К В. Кудрявцева, С. Т. Кишкина, Л. М. Качалова, В. П. Когаева, Г. В. Карпенко, Ю. И. Лахтина, Г. С. Писаренко, В. В.

Панаскжа, С. И. Ратнер, Ю. Н. Работнова, А. И. Скакова, В. Т. Трощенко, Л. Т. Тимощука, Г. В. Ужика, Г. П. Черепанова, С. О. Цобкапо, Е. А. Шура, М. Я. Шашина, а также зарубежных исследователей: А. Гриффитса, Дж. Ирвина, В. Вейбулла, Я. Немеца, П. Форреста, Т. Екобори, С. Коданьды, П. Париса и др.

Характеристики механических свойств являются основой инженерных расчетов на прочность и надежность деталей машин и сооружений, а также широко используется для оценки качества стали и выявления роли изменения технологии металлургического производства на качество металлоконструкции. При выборе метода механических испытаний металлов (их около 70) встречаются и иногда приходят в противоречие несколько условий. Главным из них является желание по возможности полнее имитировать служебные условия работы металла в изделии. Но это ограничивается аппаратурой, применяемой для выполнения испытаний, способом изготовления и формой образцов и далеко не всегда можно точно воспроизвести служебные условия нагружения металла. Условие создания новой техники требует знание поведения металла при особых формах его нагружения и эксплуатации. Среди этих особых форм нагружения следует отметить медленные периодические изменения нагрузки как с сохранением её знака, так и с переменным знаком в условиях ползучести; длительной прочности и усталости при неустановившихся тепловых и силовых режимах нагружения.

В проблеме повышения долговечности машин металловедческие аспекты являются определяющим^ ибо только оптимально выбранные качественные материалы в первую очередь способны продлить ресурс и эффективность работы машин и конструкций. С этим связана возможность экономии металла. Метод расчета экономии основан на том, что металлопродукция повышенного качества, как правило, эквивалентна большему объему металлопродукции обычного качества, то есть из металла повышенного качества можно получить больше изделий или более надежные и долговечные, чем из такого же объёма металла обычного качества.

Методы измерения твердости широко применяются, когда требуется осуществить контроль качества каждого изделия, когда размеры изделия столь малы, что не допускают изготовления образцов, когда необходимо контролировать состояние металлов в производстве или в процессе эксплуатация машин и конструкций, когда требуется исследовать состояние ограниченного объёма металла и качество металлопродукции в производственных условиях.

Более углублённые современные представления о природе разрушения потребовали разработки новых прочностных, деформационных и энергетических характеристик, отражающих свойства материала в локальном объёме у вершины трещины. Разрушение в этом случае рассматривается, как локальный, постепенно распространяющийся процесс, характеризующийся следующими одна за другой стадиями. Сопротивление разрушению на каждой стадии оценивается определёнными показателями, характеризующими многостадийность процесса при статическом, динамическом и циклическом нагружениях. На ряде примеров показано, что вновь разрабатываемые методы определения характеристик трещиностойкости являются развитием и совершенствованием существующих стандартных методов испытаний. В этом проявляется взаимосвязь и преемственность существующих с вновь разработанными методами испытаний по определению характеристик механических свойств металлов. Знание этой связи даёт возможность обоснованно, с определённой степенью вероятности переходить от сложных механических испытаний к более простым.

*

Одним из способов оценки сопротивления стали хрупкому разрушению является выявление скорости распространения зародившейся трещины на каждой стадии процесса разрушения. Имеется ряд предложений по оценке значений критической скорости трещины для момента перехода от стабильного к самопроизвольному её распространению в случае статического и циклического условий нагружения. Регистрация длины трещины при динамическом нагружении связана с техническими трудностями в части разработки сложной безынерционной регистрирующей аппаратуры и настройки её работы в процессе экспериментальных исследований.

Показано, что важное значение для практических целей имеет установление не только условий возникновения (инициирования)разрушения от исходных трещин, но и условий торможения и остановки движущихся трещин. С одной стороны, установлена связь скорости развития трещины при однократном нагружении с критерием Ирвина, с другой стороны, показано, что скорость развития усталостной трещины зависит также от коэффициента интенсивности напряжений. Установлена зависимость коэффициента интенсивности напряжений от температурно-скоростного фактора при динамических условиях испытаний. Таким образом намечается единый подход к изучению процесса разрушения при статических, динамических и Циклических условиях нагружения.

Важной проблемой развития механических испытаний является ведение работ по стандартизации и унификации методик, поскольку применение единой методики при проведении испытаний позволяет надежно сопоставлять полученные экспериментальные данные; разработке и пересмотру государственных и международных стандартов сопутствовала большая экспериментальная исследовательская работа. Все перечисленные обстоятельства определяют актуальность проведенных исследований.

Представленная работа является результатом 35-летней научно-исследовательской деятельности автора в лаборатории механических испытаний металлов ЦНИИЧМ имени И. П. Бардина и на кафедре «Технология металлов» МИСИ имени В. В. Куйбышева (МГСУ).

При разработке и исследовании методов механических испытаний металлических материалов автор опирался на фундаментальные работы А. Е. Андрейкива, В. Т. Алымова, А. М. Борздыки, В. Н. Данилова, Н. А. Махутова, В. М. Маркочева, Е. М. Морозова, Р. С. Николаева, П. Д. Одесского, А. Н. Романова, В. А. Стрижало, В. Ф. Терентьева, Л. М. Школьника и многих других.

Тема диссертации соответствует научно-технической программе Госкомобразования СССР по решению важнейших проблем машиностроения на 1998 -2000 гг. и, в частности, программе «Строительство», соискателем которой является автор. Работа выполнялась в соответствии с Постановлением ЦК КПСС и Совмина СССР № 814 от 18 .03 .83 г. «О мерах по ускорению научно-технического прогресса в народном хозяйстве», № 273 от 04.04.83 «Об обеспечении единства измерений в стране», № 540 от 12.05 .86 «По коренному повышению качества продукции», а также в соответствии с государственной; целевой комплексной научно-технической программой «Надежность продукций», отраслевыми НИОКР 1962-1998 гг.

Цель работы. Повышение эффективности использования сталей и сплавов, эксплуатирующихся при статических, динамических и циклических условиях нагружения. в широком диапазоне температур (от -196°С до +1200°С) в промышленности, на транспорте и в строительстве, путем разработки и внедрения комплекса методов механических испытаний материалов на основе исследования процесса разрушения методами механики разрушения и электронной фактографии.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

РОССИЙСКАЯ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ

БИБЛИОТЕКА

• теоретически и экспериментально исследовать методы определения характеристик циклической, динамической и статической трещиностойкости сталей различного состава и структуры с целью обеспечения и обоснования единого подхода к изучению, процесса разрушения при статических, динамических и циклических условиях нагружения для определения безопасных, против хрупкого разрушения, условий эксплуатации;

• исследовать и обобщить взаимосвязи различных критериев достоверности определения критического коэффициента интенсивности напряжения (Кю) при статическом нагружении компактных образцов из низколегированных сталей на внецентренное растяжения в условиях отрицательных температур и использования их для построения обобщающих диаграмм, определяющих область истинных значений Кю по температуре и толщине образца;

• разработать аппаратуру и методику испытаний различных материалов при статических, динамических и циклических условиях нагружения В| условиях низких и в�