автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Разработка методов ультразвуковой диагностики и электроимпульсного подавления усталостного разрушения сталей

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН Сибирский государственный индустриальный университет

На правах рукописи

СОСНИН Олег Валерьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИАГНОСТИКИ И ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОГО ПОДАВЛЕНИЯ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ СТАЛЕЙ

специальность 05.02.01 - материаловедение (транспорт)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Зуев Л.Б.

Томск - 1998

Оглавление Введение

1 Усталость металлов и сплавов и механизмы электростимули-рованной модификации их структуры

1.1 Усталостное разрушение. Диагностика усталости

1.2 Общее представление о механизмах электропластичности

1.3 Структуроизменение в сплавах, обработанных мощными электрическими импульсами

1.4 О залечивании трещин в металлах при воздействии электрических токовых импульсов

1.5 Постановка задачи исследования

2 Методики исследования и выбор материалов

2.1 Методика усталостных испытаний

2.2 Ультразвуковая методика контроля накопления усталостных повреждений

2.3 Металлографические и структурные методы исследования

2.4 Выбор материалов для исследований

3 Электростимулированное повышение усталостной прочности

3.1 Ультразвуковой контроль накопления усталостных повреждений

3.2 Природа изменения СУЗ при усталости

3.3 Экспериментальные данные о росте усталостной прочности за счет электрической обработки

3.4 Структурные механизмы возрастания усталостной прочности

4 Залечивание усталостных микротрещин при электрическом воздействии

4.1 Микроструктурные и дюрометрические исследования

4.2 Растровая электронная микроскопия поврежденных зон

4.3 О природе эффекта восстановления усталостной прочности

5 Электрическая стимуляция тонких изменений в структуре термически обработанной стали

5.1 Процессы отпуска стали при электрической обработке

5.2 Зернограничный эффект электрической стимуляции

6 Анализ показателей надежности при восстановлении ресурса деталей, работающих в условиях усталостного нагружения

6.1 Усталостное разрушение и и - образная кривая отказов

6.2 Модель развития отказов при усталостном нагружении Заключение и основные выводы

Список цитированной литературы Приложение

Введение

Проблема усталостного разрушения металлов и сплавов остается актуальной до настоящего времени, несмотря на многолетнюю историю исследований. Значительный экспериментальный материал, накопленный к настоящему времени [1-3], в большей степени подчеркивает ее сложность, чем указывает пути решения. Существует достаточно много неясностей как в объяснении природы повреждаемости [3] при усталостном нагружении, так и при диагностировании усталости [4, 5]. Работы последних лет [6] указывают на сложную природу явления усталости, связанную с самоорганизацией, накоплением и взаимодействием решеточных дефектов в процессе усталостного нагружения.

Сказанное определяет актуальность выполненной работы. Действительно, следует считать, что наиболее часто встречающимся видом нагружения при эксплуатации конструкций, машин и механизмов является циклическое (знакопеременное или более сложное) нагружение, при котором развиваются усталостные явления. Оно характерно для авиационной и ракетной техники, двигателестрое-ния разного типа, транспорта и других отраслей техники. Особую роль играет усталостное нагружение при эксплуатации железнодорожного транспорта. Как подвижный состав (бандажи колес, оси, несущие элементы локомотивов и вагонов и т.п.), так и элементы пути (в первую очередь рельсы [7, 8]) подвержены знакопеременному нагружению, причем амплитуда прикладываемой нагрузки достигает критических значений. Ситуация осложняется тем обстоятельством, что железнодорожный трансорт эксплуатируется при большом перепаде температур окружающей среды, который в условиях Сибири может колебаться от -40 до +40 С0. Неожиданное в большинстве случаев наступление заключительной стадии устало-

стного разрушения (хрупкий долом) может приводить в таких случаях к катастрофическим последствиям с трудно прогнозируемыми тяжелыми последствиями. Для диагностики усталостного разрушения используются различные методики. В частности, определенные перспективы имеет методика, основанная на измерении малых изменений скорости распространения ультразвука [9]. Помимо надежного определения приближения усталостного разрушения желательной является возможность восстановления ресурса деталей за счет каких-либо внешних воздействий. Большие возможности в этом отношении представляет применение электроимпульсной обработки [10], способствующей релаксации напряжений и залечиванию трещин [11].

На основе сформулированных выше положений определена общая задача исследования: разработать методику подавления усталостных микротрещин с помощью обработки усталостно поврежденного материала импульсами электрического тока большой амплитуды. При этом необходимо достижение следующих частных целей выполняемого исследования:

1 .Разработать способ простого и надежного определения начала критической стадии развития усталостного разрушения, применимый для индивидуальных изделий.

2.Предложить методику восстановления ресурса деталей с помощью специального вида обработки, применимую для достаточно широкого класса практически важных конструкционных материалов.

3.Для повышения надежности и глубины понимания получаемых результатов провести металловедческую проработку проблемы усталостного нагружения и природы восстановления ресурса деталей при такой обработке.

Новизна полученных в работе результатов определяется тем обстоятельством, что в отличие от традиционных подходов все полученные результаты по диагностике и восстановлению ресурса относятся к индивидуальным изделиям, подвергаемым усталостному воздействию. Анализ их состояния не требует привлечения статистических понятий, обычных для традиционного подхода к проблеме усталостного разрушения и затрудняющих точное определение состояния реального изделия. Это порождает принципиально новый подход к прогнозированию ресурса ответственных изделий и позволяет повысить надежность современной техники.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Акустический критерий для выявления опасной стадии усталостного разрушения по уменьшению скорости распространения ультразвука.

2. Способ подавления усталостного разрушения и частичного восстановления ресурса деталей с помощью обработки импульсами электрического тока большой амплитуды.

Научная и практическая значимость выполненных в диссертационной работе исследований определяется тем, что предложен методически простой и надежный способ определения наступления критической стадии эксплуатации индивидуального изделия и доказана принципиальная возможность частичного восстановления ресурса такого изделия путем его электроимпульсной обработки. Подобные методики могут быть использованы при диагностике состояния ответственной техники в различных промышленных отраслях. Они не требуют специального дорогостоящего оборудования, достаточно надежны и могут применяться практически в любых условиях.

1 Усталость металлов и сплавов и механизмы электростимулированной модификации их структуры

В настоящей главе (литературный обзор) будут рассмотрены основные концепции, касающиеся природы усталостного разрушения, его диагностики, а также проявлений электропластического эффекта в металлах и сплавах. Современная научная литература содержит большое количество данных по этим вопросам. В обзоре будет обращено внимание, главным образом, на наиболее общие закономерности упомянутых явлений, позволяющие максимально точно сформулировать задачу исследования.

1.1 Усталостное разрушение; диагностика усталости

Явления, развивающиеся в материалах под действием повторно-переменных нагрузок (усталость), представляют большую опасность. Деталь или конструкция, выдерживающие однократное приложение нагрузки, разрушаются после многократного нагружения при столь же малой амплитуде приложенной силы. В реальных условиях эксплуатации многие детали работают как раз при повторно-переменном нагружении, так что важность понимания природы усталостных повреждений невозможно переоценить. Этим объясняется большое число исследований, посвященных проблеме усталости металлов и выполненных к настоящему времени. Тем не менее, хотя феноменология явления усталости разработана достаточно подробно, до настоящего момента нет полного понимания природы усталости и трудным остается предсказание времени наступления разрушения в таких условиях работы.

В лабораторной практике испытания на усталость проводят, подвергая образец действию знакопеременной нагрузки, синусои-

дально меняющейся со временем [12]. Такой вид нагружения проще всего реализовать в ходе испытаний. При этом возможны различные варианты синусоидального нагружения, при которых образец подвергается колеблющейся сжимающей, растягивающей или знакопеременной нагрузке (рис. 1.1). Фундаментальной величиной, характеризующей сопротивление материала усталости, является предел усталости, получаемый обычно по методике Велера [12], предложенной еще в 1858 году. Для получения этой величины производят усталостные испытания до разрушения при различных амплитудах нагружающего напряжения. При представлении результатов в виде зависимости амплитуды от числа циклов до разрушения может быть получен предел усталости, то есть амплитуда напряжения, при котором образец выдерживает бесконечное большое число циклов нагружения. В зависимости от типа используемых координат вид такой кривой может быть различным (рис. 1.2). В настоящее время в литературе имеются многочисленные данные о величине предела усталости и форме кривых Велера для разных металлов и сплавов, полученные в разных условиях. Ясно, что экспериментальное получение таких кривых представляет собой достаточно трудоемкую задачу.

Поскольку амплитуда напряжения в цикле нагружения меньше предела текучести материала, вопрос о природе разрушения является чрезвычайно важным во всей проблеме усталостного разрушения. Эта проблема рассматривается практически во всех работах, посвященных усталостному разрушению. Мак Лин [13] связывал повреждения материала при усталостном испытании с неупругими явлениями, возникающими при напряжениях меньше предела упругости. При этом по его мнению формирование микротрещины при устало-

Диаграмма «напряжение-время» для случая действия переменной

нагрузки (схема 1), различные варианты приложения нагрузки: сжимающая (а), знакопеременная (б), растягивающая нагрузка (в)

(схема 2) [12].

Время

Рис. 1.1

сти определяется переходом микроскольжения от одной плоскости скольжения к другой и образованием концентратора напряжений, от которого развивается микротрещина, растущая при циклическом нагружении. Ее постепенный рост приводит к достижению критической длины (трещина Гриффитса [14]), после чего наступает стадия хрупкого долома.

Микроскопические детальные исследования процесса были проделаны в 60-х годах и позднее [15-17]. Был проведен анализ влияния внешних (температура, состояние поверхности, режим на-гружения) и внутренних (химический состав сплава, наличие выделений второй фазы или неметаллических включений, размер зерна) факторов на структуру деформированного в усталостном режиме металла. Авторам удалось показать, что локализация усталостных трещин связана с частицами второй фазы, двойниками и границами зерен. В работе [17] показано, что усталостные явления при высоких и низких напряжениях имеют принципиально разную природу. Здесь же установлено, что накопление повреждений при усталость реализуется в несколько стадий: 1.образование зон скольжения, 2.формирование поверхностного концентратора, 3.образование разрывов по плоскостям скольжения, 4.движение отдельных блоков материала, 5.образование трещин.

Подобная стадийность неоднократно отмечалась и в более поздних исследованиях [18].

Рентгенографические исследования стали 35 в нормализованном состоянии после усталостных испытаний [19] показали, что пластические деформации при усталости локализуются в узких зо-

Кривые усталости (кривые Велера), построенные в различных координатах: а - обыкновенные, б - полулогарифмические, в - логарифмические координаты, г - на оси абсцисс величины, обратные числу циклов, д - на оси ординат нормированные напряжения.

* 40 £>36

й. с со X

32 28

Шсм 37

п от X

а

1-10

2*10 3-10° 4-10" число циклов,я

31 29 27

- 4=

N.

N

1 « ^ , ..

1© 40 $£>35 а;

с 30 « 28

Число циклов, цк

X

X ^ М * -Л 1

£

Ю4 Ю5 106 1 о'/Ю Число циклов; Сд К

Число циклов, Уы

ш

3 (К 1,5

И''"

л V

\ V

V

3 \

^ 4 ч

10* 106 ю7

Число циклов,N

Рис. 1.2.

нах, разделяющих практически недеформированные объемы материала. Именно по этим зонам в дальнейшем распространяется усталостная трещина. Таким образом достаточно давно установлено, что при усталости большая часть материала находится в неповрежденном состоянии, в то время как в отдельных зонах накапливается большое количество дефектов, приводящих в конце концов к разрушению.

Значительная часть работ посвящена влиянию размеров используемого образца (масштабный фактор; см., например, [20]). Установлено, что с ростом размера образца предел усталости падает, причем подобного рода масштабный эффект выражен резче у высокопрочных сталей. На это же обстоятельство обратил внимание автор [21]. Влияние масштаба связывается с увеличением размеров поверхности деформируемого тела, что в свою очередь влечет за собой рост вероятности появления опасных дефектов [20], сосредоточенных на поверхности или вблизи нее.

Екобори [22] привел достаточно полную сводку сведений о влиянии напряженного состояния, внешней среды и прочности сталей и сплавов на усталостную прочность. Он обобщил данные о кинетике роста усталостных трещин и показал, что усталостная трещина является концентратором напряжений, в голове которого возникают очаги пластической деформации. Подобные представления о росте трещины являются практически общими для трещин любой природы [23].

Развиваемые в последние годы идеи мезомеханики материалов [24] позволили добиться прогресса в понимании природы усталости. В рамках этого подхода возникновение усталостного разрушения связывается с необратимым движением блоков материала относи-

Зависимости фрактальной размерности поверхностных дефектов от числа циклов при усталостной коррозии (а); то же в обобщенных

координатах (б) [26].

1,100

1-10 2-10 3-10 4-10 Число циклов , к

а

1,175 <тз

$¡1,150

И"о1,125 оу

О 1,100

О 0,2 О,А 0,6 0,8 Л ,0 К"

Не

5

Рис. 1.3.

тельно друг друга и формированием локализованных дефектных зон. При этом обнаруживается отчетливо выраженная стадийность накопления усталостных повреждений, хорошо выявляемая с помощью анализа фрактальной размерности [25] поверхностного рельефа. На это обстоятельство впервые обратили внимание авторы [26], изучавшие геометрию коррозионных пятен при усталости и установившие их фрактальную природу (рис. 1.3).

Диагностика усталостного разрушения представляет собой достаточно трудную задачу, поскольку, как показывают многочисленные данные, долгое время в теле с уже сформировавшейся усталостной трещиной не обнаруживаются какие-либо видимые признаки разрушения [1-4]. Широкое применение в технике для обнаружения усталостных трещин находят [27] визуализация микротрещин с помощью люминофоров, ультразвуковая и у-дефектоскопия, магнитные и электромагнитные методы. В работе [9] получены данные, указывающие на применимость измерений скорости распространения ультразвука к проблеме диагностики усталостного разрушения. Имеются сведения [28] о применении методики измерения электросопротивления к обнаружению критической стадии усталостного процесса.

Заключая настоящий параграф, следует сказать о том, что особенности усталостного разрушения являются до настоящего времени не вполне понятными. Существенные сложности имеются не только в понимании природы явления, но и в его диагностике, что связано с трудностью обоснованного выбора надежного и удобного для измерений информативного фактора [29] для этого явления. Существенно, например, что тонкие изменения в структуре стали при термической обработке [30, 31], мало сказывающиеся на пока-

зателях прочности и пластичности, могут существенно изменить усталостную прочность. Этот факт следует иметь ввиду, разрабатывая устойчивые против усталости материалы или методы восстановления деталей после усталостного нагружения.

1.2 Общее представление о механизмах электропластичности

Поскольку разрушение при усталостном нагружен�