автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Методы и средства безобразцовой оперативной оценки механических свойств материалов элементов конструкций и машин

р[6 0-й-

н

МОСКОВСКИЕ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫИ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

шттт ЗЯЧЕСШ ШАЙЛОШЧ

МЕТОД!) И ОРВДХМ БЕЗСБРАЗЦШСЯ СПЕРАТЯЗНСй СЦЕШ1 МЕХАНИЧЕСКИХ ШСЙСТЗ МАТЕРИАЛОВ ЙЛВ.'ШШ ¡ШСТР/КЦИй И МАШИН

Специальность C5.02.0I - Материаловедение в машиностроении

Автореферат диссертации на соискание учено!! степени доктора технических наук

МОСКВА - 19УЗ

Работа выполнена на кафедре Технологии металлов Московского энергетического института - технического университета.

Социальные оппоненты:

доктор технических наук профессор Я.Д. Коган

доктор технических наук профессор В.Г. Лстцау

доктор технических наук профессор iD.Il. Фролов

¿едущее предприятие:

Научно-производственное объединение "Криогенного и&шлностроенил"

Защита состоится 4 мая 1993 г. в 1Ь00 часов на заседании специализированного совета Д.053.33.03 ¿АН России при Московской автомобильно-дорожном институте по адресу:

ГОЛ, Иосква, Ленинградский проспект, 64, ауд.42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзыв на автореферат э одном экземпляре, заверенный печатью, просим выслать по указанному выше адресу.

АМ у е^ <к/г\, угггдо слс.** су, е> з ЗЛ г-.

Ученый секретарь специализированного совета канд.техн.наук доцент

Л.А. Дотапоа

I. ОБцуШ Щ^ТгР^СП.^А РкШГЫ 1.1. Актуальность проблемы

Качество продукции машиностроения и многих других отраслей промышленности во многом зависит от уровня механических свойств конструкционных материалов. Обеспечение надежной и долговечной работы этой продукции невозможно без эффективных методов и средств контроля механических свойств, которые претерпевают изменения на стадиях изготовления и эксплуатации промышленной продукции вследствие влияния технологических и эксплуатационных ректоров.

Среди существующих методов контроля механических свойств материалов методы, основанные на измерении твердости, являются сривни-телоно простыми, доступными, но и вместе с тем перспективными, содержащими в себе еде много нераскрытых возможностей. Главное их достоинство заключается в возможности ускоренной оценки некоторых механических характеристик металла готовых деталей, конструкций, не выэодя их из строя и но вырезан из них образцов, поэтому эти методы получили название безобразцовых методов оценки механических свойств. В некоторых 'случаях беэобразцовые методы являются пока единственно пригодными для количественной оценки механических свойств малых объемов или локальных зон обработанного металла (упрочненный слой, сварные соединения, тонкие покрытия и т.д.). Они хорошо поддаются автоматизации и дистанционному управлению, что важно для автоматизированного производства и контроля металла в агрессивных или в облученных зонах.

с! прсмьшленности з каадым годом все острее стоит вопрос о структурно-механическом состоянии металла действующего оборудования, выработавшего свой расчетный срок службы, и возможности его дальнейшей безопасной эксплуатации. Ь такой ситуации, безобразцовые методы оценки механических свойств могут быть особенно полезными и эффективными.

Однако, несмотря на большое количество исследований по разработке безобразцовых методов, они еце не получили должного рнзпитил и применения как средство неразрувдкдей диагностики механических свойств материалов. Это объясняется многими причинами. Одни из них вызваны недостаточным теоретическим и экспериментальным обо снованием взаимосвязи характеристик твердости с показателя;.« прочности •и пластичности материалов, находящихся в различном структурном и

ны1рменно-деформированном состоянии, большим количеством методик и эмпирических формул, имеющих Ограниченное применение; другие -острой нехваткой стационарных и переносных приборов для реализации безобраэцовых методов в лабораторньк и цеховых условиях.

Ьместе с тем большой научный и практический интерес, который проявляют работники ЬУоов, заводских лабораторий, слуа^металлов энергетических объединений, ремонтных предприятий к других организаций к безобразцовым метода«« и средствам экспресс-оценки механических свойств металла, позволяют сделать вывод о несомненной актуальности рассматриваемой проблемы и необходимости ее решения.

Настоящая работа выполнялась в рамках хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских работ кафедры технологии металлов рШ в соответствии с государственными научно-техническими программами: "Разработка и применение методов и средств перегружающего контроля качества промышленных изделий" (задание 1.2.о), "Новые технологии и автоматизация производственных процессов в машиностроении" (задание 4.2.2), "Технологии, машины и производства будущего" (проект О.Оо.01.0009), "Безопасность населения и народно-хозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф" (проект 6.1.2).

1.2. Цель и основные задачи исследования

Целью настоящего исследования является разработка научных основ, методов и технических средств безобразцовой оперативной оценки механических свойств конструкционных материалов элементов конструкций, машин и оборудования на стадиях их изготовления и эксплуатации для обеспечения более надежной и безопасной работы. Для достижения цели были поставлены следующие основные задачи:

- установление и обоснование взаимосвязи налрякений и деформаций при растяжении с напряжениями и деформациями при вдавливании;

- разработка способов инденторньас испытаний материалов с регистрацией диаграмм вдавливания и царапания;

- исследование диаграмм вдавливания и царапания и установление их взаимосвязи с диаграммами растяжения;

- разработка методов и технических средств безобразцовой экс-

- пресс-оиенки механических свойств металла непосредственно в изделии по параметрам твердое-!«, ^крострукТуры и дйиг-раммам инденторных ислитьний;

- внедрение методов и технических: средств безобразцовей оперативной оценки механических свойств металла в элементах конструкций и ыишин на стадиях их изготовления и эксплуатации

с целью определения остаточного ресурса и предотвращения аварийных ситуаций.

1.3. аетоды исследования

поставленные задачи решались сочетанием анализа и синтеза экспериментальных и теоретических методов исследования. Экспериментальные исследования по определению л выявлению распределения деформаций и напряжений в деформированном металле выполнялисо с применением известных и оригинальных методик при ступенчатом и непрерывном вдавливании индентора с регистрацией первичных диаграмм "нагрузка - перемещение". Механические испытания материалов по определению параметров твердости, характеристик растяжения, ударной вязкости и ее составляющих, критического козйициента интенсивности напряжений, критической температуры хрупкости и др. выполнялись на отечественном и зарубежном оборудовании (маиини на растяжение: ¡Ы-Ка, Р-Ъ.го-Юмаятниковые копры: твердомеры: '1Ы-1, Е1«Мг, лШ-Т и др.; информациодао-изме-

рительная техника: модули системы "аАЛАд", тензастанция "'ГО'^" с усилителем "АГлГ, графопостроители, потенциометры, ивдуктавние и тензодатчики, компаратор АЗА-*!, профилограф-про4«лометр завода

илшЫБРп и др.).

Исследование микроструктуры,характера изломов, определение номера и среднего диаметра зерна, выявление карбидов и неметаллических включений выполнялись с применением со временных методов металловедения. включая электронномикроскошческий анализ (микроскоп

Теоретические н расчетко-аналитические исследования базировались на фундаментальных положениях материаловедения, механики твердого тела, механики разрушения и других областей науки. Расчеты при решении осесимметрячной задачи пластичности методом характеристик и статистическая обработка результатов экспериментов выполнялись с помощью ал* сш к; АГ, А^-ЗА и др.).

1.4. Научная новизна

Разработаны научные основы и решена актуальная научно-техническая проблема безобразцовой оперативной оценю! прочностного состояния металла в элементах конструкции и маиин на стадиях их изготовления и эксплуатации с целью выявления потенциально опасных зон, определения остаточного ресурса и предотвращения аварийных ситуаций:

- установлена и обоснована взаимосвязь напряжений и деформаций при растяжении образца с напряжениями и деформациями при вдавливании сферического индентора в пластической области

. деформирования упрочняющихся материалов;

- разработаны новые методы и технические средства определения прочностных и пластических характеристик конструкционных материалов по параметрам твердости и диаграммам инденторных ' испытаний;

- установлены закономерности изменения информационных параметров вдавливания при низких температурах и разработана методика экспресс-оценки низкотемпературных значений характеристик твердости и показателей других механических свойств;

- впервые установлена возможность экслресс-оцекки показателей склонности к хрупкому разрушении материалов низкой и средней прочности по параметрам низкотемпературных инденторных испытаний и микроструктуры.

1.5. Положения, выносимые на защиту

- Установление и обоснование взаимосвязи напряжений и деформаций при растяжении образца с напряжениями и деформациями при вдавливании сферического индентора в пластической области деформирования упрочняющихся материалов;

- способы оценки пластической деформации при вдааливаши и растяжении по геометрическим параметрам отпечатка и показателю упрочнения материала;

- способы испытаний материалов непрерывным вдавливанием и царапанием с регистрацией диаграмм деформирования;

- методы безобраэцового определения показателей прочностных и пластических свойств (предела текучести, временного сопротивления, предельной равномерной деформации, относительных удли-

нения и сужения, истинного сопротивления разрыву) и деформационного упрочнения материалов при^етуленчвтои и непреривном нагрукении инденторв;

- методика ускоренного безобразцового получения полной диаграммы "напряжение - деформация" в пластической области деформирования материалов;

- закономерности изменения информационных параметров вдавливания индентора при низких температурах;

- упрощенная методика низкотемпературных, инденторных испытаний и экспресс-оценки характеристик твердости N других механи -ческих свойств, включая параметры склонности материалов к хрупкому разрушении;

- созданные технические средства, в том числе и автоматизированные, безобразцового экспресс-контроля механических свойств конструкционных материалов;

- методология обследования и безобразцовой оперативной оценки прочностного состояния металле в элементах конструкций и иа-иин на стадиях их изготовления и эксплуатации.

1.(3. Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов

достоверность и обоснованность научных положений, рекомендаций н выводов, изложенных в работе, подтверждены всесторонними исследованиями, выполненными с применением современных методик, приборов, оборудования, а такяе достаточно точным совпадением значений

механических свойств, определенных предлагаемыми безобразцовыми методами, со значениями тех же свойств, определенных традиционными методами путем испытания образцов.

1.7. практическая ценность и реализация результатов работы

Разработанные методы и технические средства безобризцовой оперативной оценки основных показателей механических свойств увеличивает возможности и расширяют области применения неразрушлодего контроля качества конструкционных материалов. Они позволяют проводить экспресс-оценку механических свойств металла различных видов промышленной продукции на стадиях ее изготовления, монтажа и эксплуатации, а также в условиях автоматизированного производстве. 11ракти-

чегкое использование разработанных методов и средств в научных кзоледоваккях и на ряде промышленных предприятий показало, что они яаляются ресурсосберегающими, т.к. ускоряют процесс контроля и сокращают технологический цикл, снижают расходы материалов, электроэнергии, трудозатрат, а также позволяют проводить оперативную диагностику фактических механических свойств металла различного оборудования с учетом воздействия технологических и эксплуатационных факторов, что дает возможность своевременно прогнозировать аварийные ситуации.

Результаты работы были использованы в научных исследованиях и внедрены в различные отрасли промышленности.

3 научных исследованиях методы и средства безобразцовой оценки механических свойств использовались для:

- изучения влияния термовременной обработки промышленных ста-ле" в жидком состоянии на механические свойства литого металла (ЛМ, г.Свердловск);

- разработки методов оценки сопротивления конструкционных сталей хрупкому разрушению с целью повышения надежности оборудования аЭС (¡10 "Горский завод", г.Ленинград);

- разработки новых способов сварки и упрочнения металла концентрированными потоками энергии (»Ш, НЛО БмШЛ, г.«1осква; лЙС им.Е.О.Латона, г.пиев);

- исследования механических характеристик основного и наплавленного металла с разным уровнем прочности (цИЛИ "Лрометей", г.Ленинград; НЛО "Криогеныаш", 3114, ВМЛСШМ, г.Ыосква);

- исследования влияния эксплуатационных условий на механические свойства металла оборудования лЭС (ШЮ "Энергия", г.Ыоскпа);

- разработки методов химико-термического упрочнения поверхностных слоев деталей (ВЫЕЙ, г.Со$ия, ШЮ "ЦШйШШ, г.Москва).

На промышленных предприятиях проводился безобразцовый неразрушаю ций контроль механических свойств:

- металла оборудования ТЭС и ЛЭС в процессе изготовления ШО, г.Иодольск; ДО "Мжорский завод", г.Ленинград) и эксплуатации (ПЭО "Доибассэнерго", "Челябэнерго", "Мосэнерго", "Мосэнергоремонт");

- высокопр. чных сгалей и титановых сплавов (КБ "а!ашиностроения, г.Лериь; ШЮ "Машиностроения", г.Реутов);

- сепараторных материалов, включая сплаиы на никелевой основе, (машиностроительные за»оды, г.Длавск и г.Махачкала);

- литых и обработанных давлением сталей химического и нефтехимического оборудования (заводы В/О "Союзазот", iiQ "¡1ижнекамск-нефтехим"J.

ílpa непосредственном участии автора и под его научным руководством разработаны и внедрены 5 стандартов предприятий, созданы и усовершенствованы приборы для безобразнового определения механических свойств конструкционных материалов по параметрам твердости и диаграммам инденторных испытаний. Отдельные результаты работы воши в инструкцию "Определение механических свойств металла оборудования АЭО безобразцовыми методами по твердости Ы- , ЗЫЛлЭС, I9d¿), а также опубликованы в монографии "Контроль металла в энергетике" (Киев, Техника, I9d0) и книге 'Теплоэнергетика и теплотехника" Ы. .Экергоатомиздат, 1Уо7).

lio инициативе автора и при его участии подготовлены и проведены две межрегиональные научно-технические конференции "Ресурсосбе-' регшочие методы и средства экспресс-контроля и диагностики структурно-механического состояния материалов" (г.»1енза, 1990 и 1992г.г.) Автор является членом Ьгерогсийской ассоциации "пОллО" (комплексная оперативная диагностика аварийных ситуаций, прочности, живучести и безопасности машин и конструкций") и принимает участие в ее работе.

некоторые разделы работы, наиболее важные для профессиональной подготовки студентов специальности 16.01, внедрены в лекционные курсы ("прочность металлов оборудования лУО", "лонструкционные материалы"), лабораторный практикум ("механические свойства, определяемые безобразцовыми методами") и в дипломное проектирование.

Экономический э<{4*?кт ог практического использования результатов работы, подтвержденный актами внедрения, составляет Солее ¿¿л) тыс. руб. в год в ценах lavo г.

1.6. Апробация работы

Результаты работы были представлены и получили одобрение на:

- научно-технической конференции "¿¿следование и контроль механических свойств материалов неразрушавщими методами"(г.Волгоград, 19 /¿г.);

- научно-технических конференциях по итогам научно-и¿следовательских работ, секция энергомаашогтроения (.¿э>1 , 1970,19/3,19Л), i9a¿,19oS г.г.);

1С

- С международном конгрессе по измерению и расчету напряжений и 6 конгрессе по испытанию материалов (г.ьудапешт, 197ч г.);

- научно-технических конференциях '^лвюгние надежности, экономичности и моцнссти энергетического и электротехнического оборудования" (г.лосква, 197-*, 1976 г.г.);

- научно-практической конференции "Косвенные методы оценки свойств материалов" ^¿хэроаиловгр&дская ГРЗС, 197о г.);

- всесоюзной научной конференции "Современные проблемы энергетики и электротехники" (г.Москва, 19/? г.);

- научно-практических конференциях "Нута повышения эффективности и качества контроля металла энергооборудования", "Проблемы внедрения новых методов контроля и исследования материалов" (г.Горловка, 1977, 197а г.г.);

- всесоюзных научных конференциях "Современные проблемы механики и технологии машиностроения"(г.«1осква,19с*э,19с$,1992 г.г.);

- всесоюзных научных конференциях "Современные проблемы физики и ее приложений" (г.Л>гква, 1967,1990 г.г.);

- всесоюзной научной конференции "Экспериментальные методы » механике деформируемого тела" (г.Калининград, 19с37 г.);

- всесоюзной научной конференции "Современные проблемы информатики, вычислительной техники и автоматизации" (г.Ыосква,Г.);

- межрегиональной научно-технической конференции "¿шкцентри-рованные потоки энергии в технологии обработки и соединения материалов" (г.Ленза, 19с39 г.);

- всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства определения твердости материалов и изделий" (г.Иваново, 1990 г.);

- межрегиональных научно-технических конференциях "Ресурсосберегающие методы и средства экспресс-контроля и диагностики структурно-механического состояния магершов" (г.Денза,1990, 1992 г.г.);

- научно-техническом совещании "Повышение надежности и долговечности металла энергооборудования ТЭС (Славянская 1РЭС.1990 г.);

- международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук" (г.Москва, 1991 г.);

- научно-технической конференции "Повышение надежности и качест- . ва изделий путем внедрения прогрессивных ресурсосберегающих экологически чистых процессов" (г.Казань, 1992 г.);

- международной конференции "Измерение, контроль, автоматизация" (г.йосхва, 1992 г.);

- научно-технической конференции стран 0111' "Производство и надежность сварных конструкций'Чг.Москва,г.палининград, г.).

1.9. Публикации

диссертации подводит итог работам автора по исследованию, разработке; и внедрений) методов и технических средств безобраэцоього опре^елеиия механических свойств конструкционна материалов по параметра« твердости, микроструктуры и результатам различных инден-торньэс испытаний за период с ХУ/'О ло г.г.. Основное содержа-

ние диссертации опубликовано в оо научных статьях, 1-х авторских свидетельствах на /.зосретеная, монографии, справочнике, а также отражено в »--«-х оачегих .¡о хоздогоьирным л гссбю^епшм научно-исследовательским работав.

1.10. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит иа введения, ¡тести глав, заключения, обдих выводов и прилоления. Она изложена на ЗОо страницах машинописного текста, содержит Юо рисунков и ¿.I таблицу. Описок литературы содержит ЫО наименований. приложении приведены акты внедрения.

ООНОхШОь ООДс^тАй/л РлЬО'ГМ

¿.I. введение. Оостояние проблемы

Ьольшинство существующих подходов к безобразцовой оценке механических свойств материалов основано на испытаниях, в результате которых измеряют твердость.

Твердость как свойство материалов, метод твердости как один из видов их испытаний, способы и средства измерения твердости, связь твердости с другими физико-механическими свойствами с давних пор привлекали внимание многих исследователей - теоретиков и практиков. В середине текучего столетия начали интенсивно развиваться исследования по установлению связи твердости с другими механическими характеристикам.!. л ньегоящеиу времени благодаря работам ii.il.давиденкова, л.Ю.«минского, А.л.Бочвара, л.д.пузнецова, Л-Ь.Гогоберидзе, ii.ll. Иарковца, Г.Л..Зайцева, М.Л.Хрущева, а.л.Григоровича, ¿.д.^рнелло, д.0.Дрозда, »¡.НЛ'ылевича', Ь.п.Лилипчука, С.С.йасаускаса, Г.Д.дедя,

л.Ь.Ьорисенко, ¿.И.Славского и др., выполненным в нац.ей стране, а также работам Г.Герца, «-¡.Ьринелля, мейера, Г.0'1|ейля, дЛей-бора, и.Демера, О.ыварца, Р.Хольма, й.йакамуры, К.Харди, Г.Френсиса, Ш.Кобаяси и др., выполненным за рубежом, были получены важные результаты при решении теоретических и прикладных задач контактного деформирования при внедрении ивдентора, установлены новые закономерности изменения твердости в зависимости от различных факторов, обосновано использование твердости для оценки других механических свойств, созданы различные конструкции приборов для измерения твердости.

При теоретическом исследовании связи напряжении при растяжении и вдавливании использовались решения задач о вдавливании тара, конуса или клина в идеально-пластическое тело без учета упрочнения и трения. Результаты таких исследований требуют уточнения, предусматривающего учет этих факторов, для реальных упрочняющихся материалов необходимым условием при сопоставлении напряжений при растяжении и вдавливании является равенство значений степени деформации при обоих видах нагружения. Однако, существующие подходы к установлению взаимосвязи степени деформации при растяжении и вдавливании, основанные на использовании только диаметра или глубины отпечатка, не позволяли разработать надежную методику определения напряжений при растяжении по характеристикам твердости. Как следствие этого, многие существующие зависимости показателей прочности от характеристик твердости носят лишь частный характер и, как показывает эксперименты, не применимы к материалам, проявляющим повышенную способность к деформационному упрочнению, или наоборот -резко попиленную, например, после некоторых видов обработки. Этим также объясняется то многообразие эмпирических формул для подсчета, например, предела текучести или временного сопротивления по твердости.

Что касается показателей пластичности, то по их безобразцовой оценке имеется гораздо меньше сведений. Они сводятся в основном к тому, что эти показатели оцениваются по значениям твердости на основе корреляционных связей, которые также имеют ограниченную область применения в зависимости от класса материала.. Так, например, для аустенитной и перлитной сталей при близких значениях твзрдости относительное удлинение может различаться в два раза. Ранее предпринимались попытки оценить показатели пластичности по геометри-

-ческим-дараметрам-царапилылли по высоте наплыва металла, образуемого при внедрении индентора. но предложенные способы пока еще не наши широкого применения в технике.

Коэффициенты деформационного упрочнения являются важными механическими характеристиками материло в, они оказывают влияние на показатели других механических свойств, используются в расчетах на прочность. Однако, в литературе практически отсутствуют данные о безобразцовом определении этих коэффициентов. 11оэтому в настоящей диссертационной работе уделено большое внимание не только исследованию этих коэффициентов, но и разработке методики их безобразцового определения по результатам инденторных испытаний.

3 последнее время как у нас в стране, так и за рубежом усиленно исследуется возможность простого способа оценки критериев склонности материалов к хрупкому разрушению, например, критического ко. эффициента интенсивности напряжений л„. . Эта задача особенно сложна для материалов низкой и средней прочности, испытание которых требует изготовлен:;« крупногабаритных образцов, мощного оборудования, больших расходов металла, труда, времени. 3 литературе встречаются зависимости, позволяющие оценить п,с по механическим характеристикам одноосного растяжения гладких образцов и структурному параметру. £али такие зависимости подтверждаются на практике, то появляется возможность в безобразцовой оценке л,с. но этот вывод требует тщательного исследования и серьезного экспериментального обоснования.

Ьезобразцовые методы определения механических свойств материалов могут стать методами экспресс-контроля их качества, если они будут автоматизированы. Автоматическая регистрация диаграмм инденторных испытаний облегчает и ускоряет определение информационных параметров контактного деформирования. 3 свою очередь автоматизация испытаний открывает возможность применению дистанционного контроля механических свойств металла оборудования в процессе эксплуатации.

Важной и трудной проблемой была и остается проблема внедрения методов и технических средств безобразцового контроля. Основными условиями решения этой проблемы являются аттестация и серийное изготовление средств контроля, широкое экспериментальное опробование методов и средств в условиях производства, разработка и выпуск нормативных документов.

'¿.к., Исследование взаимосвязи напряжений и деформаций при растяжении с напряжениями и деформациями при вдавливании

для исследований были подобраны широко распространенные в технике конструкционные материалы: стали различных классов и марок, алюминиевые и титьновш сплавы. Заготовки металла термически обрабатывались по стандартным и нестандартным режимам с целью получения более широкого диапазона механических свойств. Выбор материалов предусматривал также и высокопрочные стали С> 1600 »¿.¿а). Лри поисковых исследованиях использовались и другие материалы, с относительно низкой твердостью: армко-желеэо, медь, алюминий. Кроме того отбирались заготовки из металла оборудования.отработавшего различное время. Часть заготовок была взята из мест разрушения деталей и конструкций в период эксплуатации.

При испытании материалов вдавливанием а качестве индентора был выбран шар. Имея некоторые недостатки, шар вместе с тем обладает существенным преимуществом перед другими типами инденторов (конус, пирамида), заключаются в возможности обеспечения различных степеней упруго-пластической деформации материала а процессе одного вдавливания, сдавливанием определялись характеристики макротвердости как при ступенчатом, так и при непрерывном нагружеши индентора.

Первое теоретическое обоснование связи предела текучести б"го твердостью, оцениваемой по способам Бринелля С ив ) и иейера (>"*), бьио дано А.¿¡.Эллинским путем решения осесиыметричной задачи пластичности для вдавливания шара в идеально-пластическую среду без учета трения. Им были определены .значения коэффициентов, устанавливающих прямопропорцкональную связь между аг и не Скоэффидаент сга) и между б> и им (коэффициент сгм) для отношения диаметра отпечатка сб к диаметру шара г» , равного 0,376. ¿ыбор этого отношенияс^э» 0,376 объяснялся тем, что оно примерно соответствует уровню <±/о , при котором определяют ив некоторых материалов.

В настоящей диссертационной работе были найдены значения коэффициентов Сга и стм для всего спектра применяемых на практике отношений Ы./Ь , при которых определяют ив и им и получают диаграммы вдавливания кш.струкц.юннюс материалов. Расчеты были выполнены на методом характеристик (линий скольжения) без учета и с учетом трения. Б результате было установлено, что при одном и том же с*/г> значения коэффициентов сгл и сглг тем выше, чем ниже коэффициент

_трения / . Дри этом оказалось: зависимость Сгя от криволинейна, а зависимость Сгм от «!/йирактическл прямолинейна, что упрощает ее использование н« практике. 3 обцем виде зависимость С/>,от а/а и £ может быть представлена следующим образом:

О-л, - . (I)

где/< = 0.07с1; с^-зависит от/Чнапример, при /=0,10 £>^,»0,^1).

Однако, зависимость '.I) не учитывает деформационного упрочнения, которое свойственно ир;;у.еняемш на практике конструкционны* материала;.:. Доотому был ка;';ден путь учета упрочнения материала с помочь» предложенного аьторэм ¿лособа оценки пластической деформации при вдавлкзапил и доказ-геля ¿.'вмени п. , входящего в уравнение лейера: Р =<-,•£/'Ч/1 - нагрузка одвлиаьния; а - параметр, зависящий от уровня ть-.-рдоогк материала и 2> ). Ьыло установлено, I что коэффициент пропорциональности с.., для пересчета средних контактных напряжен/Л: при Еиаааивании оцениваемых по способу йейера, на истиннко напряжения прл растякении 2 ( =»С, ) в пластической облает»! деформирования у;;рочняхвдхся материалов монет быть определен из следующего соотношения:

Ы/Ъ). л/. и)

где (^'/Ц- относительный ост* точный диамегр отпечатка на пределе текучести; относительный остаточный диаметр отпечатка, соот-

ветствукжий ым,

Дяя экспериментального обоснования зависимости и выявления распределения интенсивности напряжений по поверхности контакта сферического иццентора бш использован вывод Г.Д.Деля о единой для конкретного испытуемого материала связи твердости с интенсивностью напряжений при наклепе, независимо от того, каким видом нагруяешя к при каком налриснно-деформированном состоянии он получен. С этой целью при цдавлирвнии применялись сферы большого диаметра £>,,, что позволяло получить достаточно большую площадь контакта при небольших отношениях Ы/в). Твердость на измерялась специальным прибором ЬШ-ГсЗ (2> »1 км) вдоль линии, проходящей по поверхности отпечатка через его центр к внешнему контуру. Поправка на криволинейность поверхности не учиты»алась, т.к. рмдиус ее кривизны превосходил на два порядка радиус кривизны индентора. С помоидо тарировочных графиков ««-«V , предварительно построенных для каждого материала

при простых видах напряженного состояния (растяжение, сжатие), были определены по твердости значения интенсивности напряжений с<. в различных точках поверхности отпечатки и выявлен характер их распределения при разных отношениях ("/■£>>,, (рис. I.). Это дало возможность оценить средние значения интенсивности напряжений е^- , для каждого отношения(а/а^и сопоставить их со значениями 6¿ , расчи-танными по нм при тех же с£/з с использованием коэффициента о,., согласно формуле (¿). Эксперименты и расчеты показали, что для испытанных материалов отклонение б; от ие превышало 10$.

Вопрос об оценке величины деформации при вдавливании и взаимосвязи ее с деформацией при растяжении является одним из ключевых при разработке методов безобразцового определения механических свойств по параметрам твердости. ¿иН.давиденков отмечал, что в случае вдавливания шара незнание величины деформации служит единственным препятствием к установлению зависимости между твердостью и проч-нос*зд. 3 настоящей работе были проведены исследования по установлению взаимосвязи пластической деформации при растяжении с параметрами вдавливания индентора с учетом упрочняемости материала. Для этого били использованы диаграммы растяжения и вдавливания в пластической области и полученное соотношение (¿) для пересчета напряжений при обоих видах деформирования. Б результате было установлено, что в пределах равномерной деформации взаимосвязь относительного остаточного удлинения при растяжении 3 с относительным остаточным диаметром отпечатка 4/0 имеет следующий вид:

где Ы- и 73 - постоянные коэффициенты для данного материала, зависящие от к .

Таким образом, одному и тому же значению <±/73 соответствует тем большее значение б , чем выше показатель упрочнения п. (рис.'¿). Значения истинной пластической деформации £ могут быть подсчитаны по формуле:

Предельная равномерная деформация £а равна:

¿а^/'^^/Л (5)

относительный диаметр отпечатка, соответствующий предельной твердости по Бринеллю нва .

Г/

¿¿¿следование распределения интенсивности пластической деформации по поверхности контакта сферического индентора выполняюсь двумя способами Первый способ состоял а оценке интенсивности пластической деформации в различных точках поверхности отпечатка с помощью делительных сеток. Второй способ предусматривал предварительное построение для каждого материала тарировочного графика "твердость ма- интенсивность деформации ¿V "• оатем с помощью тарировочного графика по значениям твердости на , измеренным в различных точках поверхности отпечатка, полученного вдавливанием большой сферы, были определены значения интенсивности пластической деформации ^ • Но эксперимснтальлыл данным бы«/, найдены средние значения интенсивности пластической деформации для каждого отношения ((¿/о),, и сопоставлены оо значениями , расчитанными при тех .¡се ос-'эпо формуле С**). Для испытанных материалов относительное отклонение

от не превышало 10/2.

¿.3. Исследование диаграмм инденторных испытаний и их взаимосвязи с диаграммами растлхения

Б настоящем разделе были разработаны методы инденторных испытаний материалов с регистрацией диаграмм вдавливания и царапания. Зти диаграммы являются не только основой для разработки методов безобразцового определения механических свойств, но и представляют большой самостоятельный интерес, т.к. наглядно отображают характер и кинетику поведения материала в процессе деформирования индентором. Вначале были разработаны методы испытаний с регистрацией первичных диаграмм вдавливания в координатах "нагрузка - геометрический параметр отпечатка" при ступенчатом и непрерывном нагружении инден-тора. Для диаграмм, построенных при ступенчатом вдавливании по диаметру остаточного отпечатка, уточнена нижняя граница применимости уравнения .«ейера, устано злена зависимость параметра л , входящего в это уравнение, от "а и 2) , выбрана и обоснована наиболее надежная л простая методика определения параметра л и константы материала а =а Ъ по результатам двух вдавливаний индентора. При непрерывном вдавливании регистрировались диаграммы в координатах "нагрузка Р - глубина внедрения индентора ¿"ив координатах "Ч ) (рис.3), исследованы характерные признаки этих диаг-

рамм. Устаноатена возможность достаточно точной аппроксимации оире-

деленного участка диаграммы "P-t находящегося за пределами упругой деформации, степенным уравнением Р » 1 аналогичным по внемему виду уравнению .«ейера, с определением констант материала/г, и Al=Q,ft'*''\ Разработана методика автоматизированного испытания материалов непрерывным вда&тиваниеы с определением параметров а, , п/ , А, путем передачи электрических сигналов датчиков нагрузки и переведений от измерительной головки прибора через сродства сопряжения a SiU. Используя параметры о, и п, , а также зависимость упругого сближения сферы с плоскостью от нагрузки, установленную Г.Герцом, предложена методика автоматизированного определения твердости на пределе упругости н&зп. при непрерывном вдавливании индентора:

где в , Gt - модули нормальной упругости; ,коэффициенты ily— ассона материала иадентора и испытуемого материала соответственно. ьсли £ »^«fmi/, J^ajb, я Conit , z> =Co„ít, f ( ).

По первичным диаграммам вдавливания были получены и исследованы диаграммы в координатах: nna- (<t / z> )", " ><в - { t ¡я )", пым _ («*/z>)"t "/л*/- ¡R )". В пределах равномерной деформации условные диаграммы растяжения " 6" _ <5* " сопоставлялись с диаграммами вдавливания " не - ( U. J г> )', а истинные диаграммы растяхе-ния "S - £ " - с диаграммами вдавливания * им- (et /z> )". Особое внимание было уделено исследованию показателей степени в уравнении Людгика-Холломона при растяжении и в уравнении Ыейера при вдавливания. Экспериментально был устаноааен общий характер изменения этих показателей в зависимости от наклепа, режимов термической обработки и температуры испытания.

Установленная взаимосвязь деформации при растяжении с геометрическими параметрами отпечатка и показателем упрочнения материала при вдавливании дает возможность на!1тн значение твердости или не, соответствующее заданной степени пластической деформации при растяжении. Так, например, значение им , соответствующее заданному остаточному относительному удлинении при растяжении «Г , может быть определено из следующего соотношения:

ИЛГ = f ( А , П., 3 )

(7)

Царапание твердосплавным инденгором я&тяется элективным способом склерометрических испытаний материалов. 3 данном разделе_

был разработан новьй метод испытаний материалов царапанием'с регистрацией диаграмм царапания (рис.-»). царапание осуществлялось на специально созданном приборе коническим индентором, заглубленным на постоянную глубину, с одновременной регистрацией диаграмм "царапающее усилие/?, - длина царапины С'*" • При вертикальном внедрении и последующем горизонтальном перемещении индентора процесс деформирования металла проходил через три стадии: упругую, упруго-пластическую и разрушение. 6 момент разрушения .металла в вершине наплыва, образуемого впереди индентора, происходят спзд максимальной нагрузки которому соответствует критическая длина цара-пины(й<^. для исследуеикх материаюв определены значения удельной энергии царапания в пределах критической длины цара:..;ны. Установлено важное значение этой характеристики при оценке механических свойств материалов, ¿¡иагреммы царапания существенно дополняют информации о поведении материала под нагрузкой при большое степенях пластической деформации, вплоть до разрушения.

• '¿.'к. Разработка методов безобразцового определения показателей прочности, пластичности и деформационного упрочнения конструкционных материалов

При разработке методов безобразцового определения продела текучести и временного сопротивления соблюдалось условие сопоставимости напряжений при растяжении и вда&чивании п"и одинаковых степенях пластической деформации. Это условие позволила ешолнить предложенная методика оценки пластической деформации при растяжении по геометрический параметрам отпечатка при вдаативании с учетом упрочняемости материала. Дяя определения предела текучести необходимо найти значение твердости на пределе текучести со-

ответствующее остаточной деформации при растяжении, равной 0,002. Л для определения истинного временного сопротивления За необходимо найти значение твердости но пределе прочности има, соответствующее предельной равномерной деформации при растяжении. Значения и //лгв ыояно оценить по соотношению 17), подствеио в него соответствующие значения А , п. , 5 , а пересчет на и на можно осуществить, используя коэффициент с,„ . Преимущество предложенных .методов безобразцовой оценки предела текучести и временного сопро-

Распределение <\ по поверхности отпечатка. Сталь 10, ;>_,=100 мм, ъ «1,0 мм. '

Расстояние от центра отпечатка,мм

Рис. 2

Диаграммы вдавливания а координатах: I 2 ГС/г)-« Сталь 1ЬХ1М1Ф. Индентор - твердосплавный шар, Л=1,иГ7 мм. ( — — — линия разгрузки)

Р ,КН ЯД.:Ш/мм

В5аимосвязь с4 с <(/?>. 1т6-стали марок: ЭМ474 ("»2,00), 2оХ2!.№А(« =2.10), Зо(^«2,Ь), ЬГСС/г-2,20), 20и=2,2сЛ.

О

.фюграммы царапания в координатах: "А,-1-3-стали марок: ЭЛ104, ЭИ474. 30ХГСА. Ивдентор -алмазный конус с углом при верш.120°

Рис.4

тиалеиия по сравнению с существующими заключается в том, что они

применимы к материалам, имеющим технологический н а кл ь; I,_т._к._!!а -_

раметры твердости «-"«.г и учитывают изменение показателя дефор-

мационного упрочнения.

другой предложенный метод экспресс-оценки комплекса механических характеристик конструкционных материалов - 3.., 1 ),

( ) предусматривает регистрацию диаграмм вдавливания в координатах " р -1 ", "( Р /1 ) -С " (рис.3), а основе метода лежит определение невосстановленных и восстановленных параметров вдавливания под нагрузкой и при последующей разгрузке индентора в характерных точках диаграмм с подсчетом коэффициента деформационного упрочнения материала. Этот метод позволил разработать автоматизированный способ контроля указанных механических характеристик, при котором первичная информация о параметрах инденюрньх испытаний передается от датчиков нагрузки- и перемещений через средства сопряжения в Зл<1, где обрабатывается статистически и пересчитыва-ется на механические свойства по составленному алгоритму.

Процесс деформационного упрочнения оказывает решающее влияние не только на отношение предела текучести к временному сопротивлению , предельную равномерную деформацию ¿>л , но и на величины других механических характеристик - конечного относительного удлинения 5п , конечного относительного сужения и истинного сопротивления разрыву . Для исследуемых материалов была разработана методика оценни указанных механических характеристик по значениям А , /г и удельной энергии деформирования, определяемой по диаграммам растяжения и царапания. Так, напри.¡ер, одна из методик оценки и заключается в регистрации диаграмм царапания с определением координат точки спада максимума диаграмм: (.&»,)„ и (¿ч)п (рис.-*). Между удельной энергией, затраченной при царапании до этой точки диаграммы, и удельной энергией, затраченной при растяжении образца в области сосредоточенной деформации, установлена связь. Эта связь позволяет оценить указанную удельную энергию деформирования при растетении без испытания образцов на разрыв и использовать ее для безобразцового определения рассматриваемых механических характеристик.

Результаты механических испытаний обрабатывались статистическими методами. Был выполнен корреляционно-регрессионный анализ со-

постоаляемых механических характеристик, определяемых испытаниями растяжением и испытаниями ццав^ивинием и царапанием. Максимальное относительное отклонение механических характеристик исследуемых материалов, определяемых предлагаемыми Сезобразцовыии методами, от тех же механических характеристик, определяемых испытанием образцов ни разрыв, составляет: для , , ¿>'а , с^ - ЗХ; для ,?,< , - Ш (табл. 1).

Разработанные методы определения напряжений и деформаций, включая , йа , , <ЬИ , , даит возможность ускоренного получения полных истинных диаграмм растяжения в Пластической области без испытания образцоь на разрыв (риз. Б г).

в настоящем разделе раОо'и; Сила развита методика определен;: ¡; интенсивности напряжений и интенсивности деформаций, полученных наклепом при различных видах нагружения и напряженного состояния, по параметра?.: инденторных испытаний. Основным параметром для оценки интенсивности напряжений при наклепе является твердость на пределе текучести , и для оценки интенсивности деформаций - показатель деформационного упрочнения п. .

6 ходе разработки методов Сезобразцового определения критериев деформационного упрочнения выполнен их сравнительный анализ на примере истинных диаграмм растяжения. Получены формулы для подсчета значений существующих критериев деформационного упрочнения'при растяжении по параметрам инденторних испытаний. Предложен обобщенный энергетический критерия деформационного упрочнения л"3 , равный отношению анергии пластической деформации, затраченной на непосредственное' упрочнение, к общей энергии пластической деформации на заданном участке диаграммы. Среднее значение этого критерия лС/> на протяжении всей диаграммы растяжения в пластической области зависит от отношения Ял/Бг.е , которое можно оценить разработанными Сеообраз-цовыми методами. В дальнейших исследованиях параметр З^/З^ч был использован для оценки склонности материалов к хрупкому разрушению.

2.5. Разработка методики низкотемпературных инденторных испытаний и экспресс-оценки показателей склонности материалов к хрупкому разрушению

1 При испытании материалов вдавливанием в интервале температур ¿.УЗ - *« К были установлены закономерности изменения относительных

Таблица I

Сравнительные результаты определения некоторых механических характеристик конструкциейых материалов методом растякения и предлагаемыми безобразцовыми методами

Материал Метод растяжения Безобразцовые методы

Л 1а ¿а А 3«. ¡>Ц1а Ы11а | Л. Ш1а ! <?а \ ^ 3« , -.1а

Сталь 20 271 510 0,19 0,33 0,67 8о7 2ВЗ | 0,16 | 0.34 0,о9: 6о9

15ГС 334 650 0,17 0,33 0,71 ИЗО сно | 647 0,1о7: 0,31 0,£6;10О6

1аХШй 313 о13 0,15 0,29 0,76 1117 303 | 62В 0,1о ¡0,26 0,76: ПО*

15Х2НЖгА 460 660 0,093 0,17 0,55 966 _ _ 1 | 656 0,10 0,16 0,50| 956

25Х2ьШ ооа 952 О.Осй! 0,16 0,Ь0 1394 ¿66 ! 936 о.смло.г/ 0,47:1417

759 1131 0,065 0,16 0,^1 16с6 7о6 1126 0,06 0,15 0,53 16о?

ЮХМ110Т 277 942 0.22 0,60. 0,о9 1о70 ¿70 1 961 0,30 ¡0,57 0,73,Хооб

92 150 0,16 |0,33 0,77 260 90 | 1эЗ 0,16 ¡0,31: 0,75; 266

АКо 141 29а 0,0<3 ¡0,17 0,36 390; 137 ; 301 0,075! 0,16; 0,3^ 403

НП-1 1000 1120 0,075;0,12 1 0,37 1 1510 ¡10« ' изо 0,06 !0,13 0,36 1475

диаметров оiнечеткое и/т> и показателя деформационного упрочнения п. . Ьзиытуеыый металл и ииденгор охлаждались в спиртовом растворе твердой углекислоты, а до Солее низких температур - в среде жидкого азота и гелия. На основе полученных закономерностей был разработан иечод ускоренной оценки низкотемпературных значений характеристик твердости и показателей других механических свойств по результатам двух вдавливаний под разными нагрузками при комнатной температуре 7"„ и двух вдавливаний под этими же нагрузками при низкой температуре Гл . ¿того достаточно для определения параметров сл. % п. , А , uru„t, /У/v^ при любой промежуточной температуре в интервале Г0 - Гх и для расчета других механических характеристик по зависимостям, найденным в разделе '¿.ч.

При исследовании результатов низкотемпературных инденторних испытаний была установлена возможность экспресс-оценки температуры нулевой пластичности из следующего соотношения:

тнп *p[r.t Г„, (<*</*>)Га> (c/*/Djn , (</q)r„ <#>], (d)

rAei^/oJ^nioit/Dj^- относительные диаметры отпечатков, полученные под нагрузками Р/ и' Рц при комнатной температуре То ;

¿1 (с/,/- относительные диаметры отпечатков под теми же нагрузками Рг и Лг при низкой температуре Т~л ; Jf - коэффициент, зависящий от соотношения нагрузок Й/ и Ре. •

Располагая значениями и параметров, входящих в уравнение Id), можно определить отношение сопротивления отрыву Зсг к пределу текучести при любой промежуточной температуре Т в интервале

т. - -

( 6.r/sо,Л/г =г(Аг„„, А Т. пг) , (9)

где Ар.яя и Аг - значения параметра А при 7~„„ и заданной температуре т соответственно.

Учитывая результаты исследований Й.А.Махутова по влиянию низких температур на механические свойства материалов, было предложено использовать тнп для оценки отношения истинного сопротивления разрыву Зп к пределу текучести при комнатной температуре т<. :

Гч 711 Т„„) г (Ю)

где J> - характеристика материала, зависящая от S^a .

Для проверки полученных соотношений (<i)-UQ) были проведены -испытания~на расткжение~стал»яих~обрдзцой в интервале температур ¿УЗ - ч К с построением низкотемпературных зависимостей показателей механических свойств. На этих зависимостях координаты точки пересечения линий изменения Sr>* , и соответствовали и Тн„ . а<аксим&льное относительное отклонение значений 7~ы„, (îcr/5;,Jr> , определенных низкотемпературными испытаниями на растяжение и вдавливание не превышало loi.

3 данном разделе работы была предпринята попытка упрощенной косвенной оценки критического коэффициента интенсивности напряжений /г,с материалов средней и низкой прочности с помощью разработанных методов. С этой целью были исследованы и экспериментально проверены многочисленные предложенные у нас в стране и за рубежом зависимости от других механических характеристик и структурных параметров (например, зависимости, которые предложили следующие авторы: Йакп A.,Ro senfceid А , J. ; Панасюк 3.3., лндрейкив а.Е. , ловчик G.S.; Рагозин Ь.Л., Днтонов «).Я. и др.). ¡Ьскольку наиболее часто встречаются выводы о существовании взаимосвязи А/с с пределом текучести, то в настоящей работе на основе результатов проведенных экспериментов и литературных данных было проведено сопоставление этих механических характеристйк для различных групп конструкционных материалов: алюминиевых сплавов, тлтеновых спдавов и сталей. Установлено, что хотя и наблюдается тенденция к снижения /ч>с с ростом cr^i , однако общей закономерности для всех групп материалов нет. Более того, в пределах одной группы материалов разброс экспериментальных точек настолько велик, что речь может идти лишь о качественной оценке уровня ntc по &<,ше.. Поэтому более детально были исследованы зависимости п,с от сочетаний различных параметров, включая структурные. Было показано, что по некоторым из этих зависимостей для определенных марок стали можно с достаточной для практики точностью оценить л>с , если известны механические свойства, определенные при растяжении и структурный параметр, например, среднее расстояние между сульфидными включениями, карбидными частицами или средний диаметр зерна.

Однако, для беэобразцовой оценки л>с по этим зависимостям требуется безобразцовое определение нескольких характеристик прочности и пластичности, не считая структурного параметра, что отрицательно сказывается на точности косвенной оценки самой величины /-vc. 3 спя-

з» с этиы бил предложен другой подход к косвенной оценке л« - по Фундаментальному параметру ¿V»-/ .5* • исходящему из классической схемы хладноломкости А.й.Йоффе и характеризующему переход материала из вязкого состояния в хрупкое. В тех случаях, когди невозможно определить параметр 5«г/ ^ , было предложено использовать параметр .£„/£ < . Подтверждением возможности количественной оценки л/с по параметрам л явилось выявленное сход-

ство низкотемпературного изменения всех трех рассматриваемых характеристик. Это дало основание провести прямое сопоставление значений с параметрами Л.г /* и .За и установить между ними взаимосвязь, которая оказалась обцей для сталей, алюминиевых и титановых сплавов. Дчя экспресс-оценки параметров 6« ,-/£._ .г и Д, использовалась предложенная методика, основанная на соотношениях 19), (10). Кроме того была уточнена взаимосвязь ¿«.г со средним диаметром зернь стали сСт. путем статистической обработки экспериментальных данных, полученных в настоящей и других работах, ¡экспериментальная проверка показала, что для исследованных материалов относительное отклонение зничений л /с, определенных на основе установленной взаимосвязи, от значений , определенных стандартным способом на образцах, не превышает Точность косвенной оценки

по установленной взаимосвязи можно повысить, если ввести в нее коррекцию по величине зерна в виде отдельных уровней, различашуихся номером зерна. ¿Шри этом одному и тому же значению ¿'л/ будет соответствовать тем больнее значение А/с , чем больше номер зерна.

Как показали последующие эксперименты параметры ¿сг/5^ и 5'л/ 5« и с учетом величины зерна хорошо коррелируют и с ударной вязкостью при комнатной и низких температурах, что также подтверждается сходством низкотемпературного изменения этих характеристик. Это открывает возможность косвенной оценки порога хладноломкости и критической температуры хрупкости по низкотемпературным зависимостям йол/З.* и «?л /3.;/ . Так, например, дня группы исследованных углеродистых сталей и легированных сталей перлитного класса бьша установлена связь 7^„(от которой зависят параметры и ¿п/З^г) с

критической температурой хрупкости , равной большей из двух критических температур, определенных по СО^-Й вязкой составляющей в изломе и по критериальным значениям ударной вязкости «су,

¿.о. ¡Разработка технических средств и внедрение методов

__Сезобраэцоэой—оперативной—о ценки-механи чеоси х-^войств

конструкционных материалов

Яля реализации разработанных методов безобразцовой оперативной оценки механических свойств конструкционны* материалов под руководством и при непосредственном участии автора было создано и усовершенствовано несколько типов приборов.

Лриборы для автоматической записи диаграмм вдавливания в координатах " Р - £ *,"{>>/£ )~£" я диаграмм царапания в координатах "Я*- ¿ч " конструктивно состоят из блока кагрудения и блока регистрации диаграмм и могут быть использованы для дистанционного испытания материалов в лабораторных и цеховых условиях, а также в горячих камерах.

Создана установка, позволяющая осуществлять автоматизированный контроль механических свойств материалов путем непрерывной передачи первичной информации о параметрах вдавливания в ЭВМ с целью ее статистической обработки и расчета показателей механических свойств по разработанной программе. 11ри взаимодействии нагружающего блока установки с двЛ процесс испытаний с выдачей значений механических характеристик на дисплей или принтер занимает не более трех умнут.

Лия безобразцовой оперативной диагностики механических свойств металла оборудования в производственных условиях были усовершенствованы ранее разработанные на кафедре технологии металлов .¿о<1 опытные образцы переносных приборов типа ЬШ-Т. Одна из модификаций переносного прибора, на которую была подготовлена под руководством и при участии автора необходимая техническая документация, успешно прошла государственные приемочные испытания, отнесена к высшей категории качества, внесена Госстандартом СССР в Госреестр С*106ч9-6о) и рекомендована к серийному изготовлению.

В данном разделе диссертации изложены назначение, возможности, конструктивные особенности, принцип действия и основные технические характеристики каждого прибора. Кроие этого приведены примеры и результаты внедрения методов и средств безобразцовой оперативной оценки механических свойств конструкционных материалов в научные исследования и различные отрасли промышленности. Показано, что применение методов и средств особенно эффективно, когда требуется локальная оценка механических свойств металла непосредственно в изделии,

например, в сварных соединениях, упрочненном слое, местах концентраторов напряжений, зонах разрушения деталей и конструкций и т.п. (рис.¿-о, табл.2).

Примеры безобразцовой оперативной оценки механических свойств металла элементов трубопровода 1а) и конструкции из уголкового профиля Сб) с применением переносного

а) б)

Рис.о

Ь нескольких аварийных случаях, сопровождающихся разрушением металлоконструкций (тяги бимзнных кранов, трубопроводы, ротор тур-боагрёгата и др.) была проведена безобразцовая экспертиза прочностного состояния металла в зонах, примыкающих к месту разрушения и находящихся вне разрушения. Установлено, что в этих зонах может иметь место резкое различие таких характеристик стали как п , А , , нма , , , гЛ„ , , «и , которые можно

использовать для оценки уровня показателей склонности материала к хрупкому разрушению на основе полученных а настоящей работе зависимостей. Частой причиной разрушения является локальное охрупчивание металла вследствие влияния технологических факторов в период изго-

Примеры практического приложения раэработвнних методов и средств

Распределена е-иетгатгчесютх-

свойств в эо1'6 сворного соединения, полученного злек-тронно-лучевой сваркой стали 35

Ряслределенигтгехпншгееких свойств в зоне электронно-лучевого оплавления беговой дорожки кольца подшипника из стали

10^,1111а

60

40

20

4

0,3

0,2 0,1

20 10 0 10 20 Рассг.от центра шва, мм

■4'

а)

Распределение механических свойств в поперечном сочении заготовки из стали 35 после цементации (7) «1,0 мм)

баг 6» К^.ДОа

90

70

50 30

/

\ Г

Ч

£

0,3 0,2 0,1

0 12 3 4 Расст.от поверхности,мм в).

150

100 о0

Ю^.МПа

.—и-1 - ,-уЛ—---

бя '¿л / г \ ''■'ЛЛ ~7

п / /Л .

А • л / ]\ ^ 1

Г • и /к*

0,3

0,2 0,1

10 5 0 5 10 Расстояние от центра зоны оплааления, мм

б)

.Диаграммы бс - , полученные в области пластической деформации вдавливанием ( • ), царапанием ( А ),растяжением ( *)

1С0 100 50

1-еталь 45 2-ЗОХГСА 2

У* \

Рис.6

О 0,03 0,16 0,24 0,32 г)

Таблица

Области эффективного применения безобразцового экспресс-контроля и диагностики механических свойств конструкционных иатерилов

Безобразцовый контроль и дяагнозтика

Материалов с особыми свойствами

С перепенным составом

1—

оысоко прочн трудно оораб.

МОРО-ГО -стоящих

Весьма малых объемов материалов

околов и

проб

Гон- УПРОЧ-

ких ЕН-

пок- НОГО

рытий слоя

Сварных соединений

Основ- Зоны Зоны

ного сплав- терм.

ме - ле - &ли-

т алла ни я яккя

Качества обработки материалов

Термической, кимико гермич. ..¡еха- ничес, термо-механ. Концентр, поток, энерг.

а процессе

тоаления деталей, конструкций и эксплуатационных факторов о период их длительной работы, о чем свидетельствует сильное снижение знн-чений Нк , псу и повышение значений Т.«« , . На некоторых объектах теплоэнергетики была проведена безобразцовая оперативная диагностика механических свойств металла трубопроводов и оборудования, выработавших расчетный срок службы, с целью оценки остаточного ресурса и предотвращения аварийных ситуаций.

3 конце раздела приведены практические рекомендации по методологии проведения безобразцовой оперативной диагностики структурно-механического состояния металла различного оборудования в цеховых условиях. Сделано предложение осуществлять преемственность безобразцового контроля металла в изделиях машиностроения на стадии их изготовления и оперативной диагностики механических свойств на стадии эксплуатации, заключающупся в использовании одн~х и тех же методов и технических средств при первоочередном обследовании одних и тех же потенциально опасных мест ионцентраторы напряжений, зоны технологического наоепа, сварные соединения и др.). Здесь же изложены рекомендации по методике подготовки поверхности металла к испытениям, учету толщины обезуглероженного слоя, применению пластических реплик для безобразцового определения среднего размера зерна, креплению приборов к различному оборудованию.

й диссертации прилагаются акты внедрения и данные об экономической эффективности.

ОСЖШЫь ЬШОдЫ Л РьЗУдиТА'ГЫ РУ-'ШЫ

В результате проведенных исследований решена актуальная научно-техническая проблема по разработке научных основ, ресурсосбере-гаюшях методов и технических средств безобразцовой оперативной оценки комплекса механических свойств конструкционных материалов в процессе изготовления и эксплуатации машин, конструкций и оборудования с целью повышения их качества и надежности работы.

Основные выводы заключаются в следующем:

I. Установлена и обоснована взаимосвязь напряжений и деформаций при растяжении образца с напряжения)« и деформациями при вдавливании сферического индентора в пластической области деформирования упрочняющихся материалов:

- выявлено распределение интенсивности напряжений и интенсивности деформаций в зоне контакта индентора;

- разработана методика оценки пластической деформации при растяжении по результатам вдавливания индентора с учетом упроч-няемости материала.

2. Разработаны методы инденторньас испытаний материалов с регистрацией диаграмм вдавливания и царапания, выявлены особенности, определены характерные информационные параметры диаграмм вдавливания и царапания и усганоатена их взаимосвязь с параметрами диаграмм растяжения.

3. Остановлено и учтено решающее влияние деформационного упрочнения на результаты определен;« механических свойств материалов путем инденторных испытаний. Б связи с этим исследовано влияние температуры испытания, режимов термической обработки, наклепа на показатели деформационного упрочнения и предложены наиболее оптимальные способы их определения ло параметрам инденторных испытаний.

4. Разработаны методы, включая автоматизированные, безобразцовой экспресс-оценки комплекса механических свойств конструкционных материалов по параметрам твердости и диаграммам инденторных испытаний:

- предела текучести, временного сопротивления, истинного сопротивления разрыву;

- предельной равномерной деформации, относительных удлинения и сужения;

- степени наклепа деформированного металла.

0. Разработана методика беэобразцового ускоренного получения полных истинных диаграмм растяжения в пластической области по результатам инденторньас испытаний.

6. Установлены закономерности изменения информационных параметров вдавливания индентора в диапазоне температур ¿93 - чй К и на этой основе предложена упрощенная методика низкотемпературных инденторных испытаний и экспресс-оценки следующих характеристик металла:

- низкотемпературных значений твердости при вдавливании и показателей механических свойств при растяжении;

- температуры нулевой пластичности;

- отношений сопротивления отрыву и истинного сопротивления разрыву к пределу текучести ( /г,, и А, / )•

У. Установлены зависимости критического коэффициента интенсив-

ладти—напряжений-/*«_и-ударнай-вязкссти^^^от-параметров^ггт'-йгя

и с учетом величины зерна материала. Эти зависимости

могут Сыть использованы для безобразцовой экспресс-оценки уровня <ч>< 1 и критической температуры хрупкости конструкционных материалов по предложенной методике низкотемпературных инденторных испытаний.

6. Разработаны и усовершенствованы приборы для инденторных испытаний с регистрацией диаграмм вдавливания и царапания с целью безобразцовой оперативной оценки механических"свойств конструкционных материалов. Создана действующая установка для автоматизированного безобразцового экспресс-контроля механических свойств металла.

9. Выполнены работы по внедрению в различные отрасли промышленности методов безобразцового контроля и оперативной диагностики фактичейких механических свойств металла в элементах конструкций и машин на стадиях их изготовления и эксплуатации с учетом воздействия технологических и эксплуатационных факторов. На нескольких промышленных объектах проведено обследование прочностного состояния металла действующего оборудования, выработавшего расчетный срок службы. Установлена необходимость и предложена методология периодического проведения безобразцовой оперативной диагностики структурно-механического состояния металла различного оборудования с целью выявления потенциально опасных мест, оценки остаточного ресурса и предотвращения аварийных ситуаций. :

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Марковец «1.Л., Сапонин З.Л. Исследование связи ударной вязкости стали с характеристикам растяжения.-дурнал "Доклады АН СССР. Техническая физика", 1970,т.191,№1,с.79-61.

2. Марковец jt.il., Матюнин 6.14., Дегтярев 6.А. Построение диаграмм твердости при вдавливании ыара.-Б кн."Металл в современных энергоустановках", ¡1.:"Энергия", 1972,с.70-76.

3. Дегтярев З.И., Матюнин 6.М. Автоматическая запись диаграмм твердости. Труды ¿Ш,"Теплоэнергетика и энергомашиностроение", 1972, гып.104,с.6о-69.

Марковец U.U., Матюнин d.M., мегтярев d.ii. Связь ударной вязкости с диаграммой твердости. Груды производство оборудования для атомных электростанций".1УЛ:,выл. 130,с. 137-140.

6. /Va tj^-nm /а/. М/биелсе <■•/ stzai/t gate est Me ¿tastsceaf готе ftwi С./( Me io {vend ti'd - "Pcti octcca -v4-/yfrcb'hca" >yre<Aasiicai ¿njinfCii'aj, Sucfa/x-it />,¿¡>'7-260

о. латвнин ¿.M. и др. л.с. 3oCoI2. Способ определения предела прочности материалов.-Ьюл.изобрет.и открытий,)fo, 1973.

7. Матюнин d.i. и др. л.с. У^Очй. Устройство для измерения твердости.-Ьол.иэобрет.и открьгтий,;И4,1974.

Ö. Votr-uv У./1., л/ал/c^iyets MP.. VvozUoKSty НА,. Matjun.rt V.M. Ftcctir -ic t<ty/trress tcsfr'lj е./ Acy/i -o/T&WtiLt'n -Лгос cf the S-th Cart/ezca.ee о/г 2Kmentsto'u'tij Scwiytk

Cqt'cu<* ¿cc '15 rt /?<-/ <5" -th е/-г /Vcitc-tcoi' 7"«A'W, Hattet -

rest, i'.i., S974, />. /¿¿-/90

У. Матюнин J.»i. Определение.равномерной деформации методом вдавливания.-Труды "производство оборудования для 133",1975, Бып.гг^.с.I07-1II.

10. Матюнин d.M. Упрощенная оценка показателей пластичности стали косвенными методами. -Труды МЭ*1,"11арогенераторостроение и производство оборудования 13С" ,1У75,вып.213,с. Iüd-I3I.

11. Марковец ul.il., ^роздовский Б.л., Матюнин ü.M., -¿олков ri.A. Исследование механических свойств корпусной стали перлитного класса. i'pj'Ab' МЭ*1,"11арогенераторостроение и производство оборудования для 'ГЭС", 1У75, вып. ¿13, с. Ш-125.

Iü. Батюнин b.M. Особенности перехода равномерной деформации в сосредоточенную.-Труды МЙИ,"Материаловедение в энергомашиностроении" ,1У/о,вып.305,с.7o-7d.

13. Парковец M.Ü., Батюнин d.u., Дегтярев ¿.'Л., Ковалев Б.л.

0 диаграммах царапания стали.-Труды »¡Эл, "Материаловедение в энергомашиностроении", 1У7о, вып. 30G, c.'fc-'fö.

14. Матюнин d.M. Определение относительного удлинения на площадке текучести.-дурнал "оаводская лаборатория",Iy77,)fe,с.¿.¿£-¿¿7.

15. Матюнин d.M. Определение максимальной твердости стали.-d кн. "Металл о современных энергоустановках",.Л.:"Энергия",

1С. Сласов Ь., Матюнин d. Исследование деформационного упрочнения различных видов стали с помощью обобщенного энергетического, критерия.-лурнал "Машиностроение".София, 1У77,Ш,с.4Ъ7-«0У.

17. Спасов Б., ¡Антонин Ъ., Стаевски л. Обобщенный энергети-

_ческий_критеркй^характеризую1ций-де4ормационно&-улрочнекие-ыате^

риалов.-Мурнал Машиностроение" .София, I97d,#3,с.Ild-Iül. •

Id. Спасов Б., Ыатюнин d., Борисов d. Длияние термической обработки на механические характеристики и деформационное упрочнение стали.-Журнал "Мащиностроение" .София,I97d,

19. ¡¿атонин d.i., мзиков Б.л. ¿лияние наклепа на взаимосвязь характеристик растяжения и вдавливания стали.-Труды иШ,"Материалы и технология в машиностроении",I9d0,вып.^92,с.4?-49.

20. Бугай h.tf., Борисов d.I'., ¿Измайлов W.Ü., Куртен л.А., Марковец M.tl., Ыатюнин d.i. контроль металла в энергетике.-пиев, "Техника", I9d0.13ö с.

¿1. Матюнин d.U., Калачев C.h., «ролов O.d. Общие закономерности диаграмм вдавливания и растяжения в пластичесой области. Труды »Ш, "¡Материалы и технология обработки а энергомашиностроении", I9<£, Bm.66d,c.3S-39.

¿2. Марковец ii.il., Матюнин d.i. Определение относительного удлинения в области равномерной деформации по характеристикам твер-доста.-лурнал "Заводская лаборатория",I9tk,№10,с.60-о2.

23. Ыарковец ti.il., Матюнин d.U., Семин A.M. Связь между напряжениями при растяжении и вдавливании в пластической области.-лурнал "*1звесгия СССР.Механика твердого тела",1965,№4,с. 16C-W7.

- 24. Матюнин d.Ü. Опенка истинного сопротивления разрыву по другим механическим характеристикам.-дурнал "Заводская лаборатория", I9d5,»I0,c.d3-d*.

25. Ыатюнин d.i., »¡иксин u.U., Семин A.M. 0. ределение показателя упрочнения при вдавливании сферического индентора..-Межвуз.сборник трудов высокоэффективные методы обработки и контроля оборудования ТЭС и АЭС\М. ,J3/l,I9d5,)fo<3,c.dö-439.

26. Цатюнин d.i. Бзаимосвяэь показателей деформационного упрочнения при растяжении и вдавливании.-Журнал " .заводская лаборатория", 19<*5,№9,с.7в-79.

27. Марковец it.it., Ыатюнин d.M. ¿лияние наклепа и термической обработки сталей на равномерную деформацию при растяжении и коэффициент упрочнения при вдавливании.журнал "Металловедение и термическая обработка металлов",I9cto,№d,с.30-31.

¿6. Матюнин d.M. Определение предела текучести по характеристикам твердости.-журнал ".заводская лаборатория" ,19dö,№3,с.77-7d.

¿У. Матюнин й.и1. Ьеразрушающий безобразцовый контроль- механических свойств металла по характеристикам твердости.-1! кн."1епло-энергетика и теплотехника" ,4. :"3нергоатомиздат", 1Уй7,с.ЗЗ^-З^ч.

30. 1аканаев Г.Г., Цатюнин ii.ul., Трунин н.и., Расторгуев 0.4?. Определение характеристик жаропрочности материала сопловых коробок турбин после длительной эксплуатации.-лурнал "Теплоэнергетика", Ш/ДЬ:, с.о/-оУ.

31. Матюнин пераэруваюдее безобразцовое определение критериев деформационного упрочнения.-Сб.научных трудов "фоизводство деталей и узлов энергетического оборудования и контроль качества металла" : .<1ои, 1У67, №137, с. 77-о0.

Ьг. Батенин , лброськин а.п. возможности неразрушавдего контроля механических свойств сварных соединений по характеристикам твердости.-лурнал "Сварочное производство",19с37,£3,с.¿1-е*..

33. Зверева л.«., Батюнин ¿.Л. влияние местного нагрева на макроструктуру и механические свойства металла гибов труб.-Лежвуз. сборник трудов "дысокоэффадивные технологии обработки материалов

в энергетике" 1УсЫ,Кк07,с. Юо-Юи.

34. Марковец ii.ll., Батюнин й.М., ьабанов ii.nl., Шиков Б.к. Переносные приборы для измерения твердости и безобразцового определения механических свойств металла.-Журнал "заводская лаборатория" , ГУсЙ ,И<с, с.73-76.

30. Матюнин ¿.¿4. методы и средства инденторных испытаний материалов с регистрацией диаграмм деформирования.-Сборник докладов всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства определения твердости материалов и изделий",Иваново,1УУ0,с. 16<}-17о.

Зо. Матюнин кабанов 11.1л. методика и автоматизированная

система безобраэцовой экспресс-диагностики прочностного состояния конструкционных материалов.-Тезисы докладов международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук", М.1УУ1,с.100.

37. Митюнин ¿.и. деформационные характеристики и константы материалов при испытаниях ступенчатым и непрерывным вдавливанием ин-дентора.-лурнал "заводская лаборатория", 1УУк:,,VI,с.

ЗЬ. Матюнин З.Л., кабанов З.М. Методы и средства неразрушаюцего экспресс-контроля механических свойств материалов.-Тезисы докладов международной научно-технической конференции "/измерение, испытания, контроль, автоматизация" ДУУ^. ___^