автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Роль напряженного состояния в кинетике разрушения технического алюбминия AD1 в различных структурных состояниях

РГБ ОД

1 & да в«

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи УДК 669.716.339.4.011.25:014.01

МОСКАЕВА НИНА ПАВЛОВНА

РОЛЬ НАПРЯЯЕННОГО СОСТОЯНИЯ В КИНЕТИКЕ РАЗРУШЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО АЛЮМИНИЯ А01 В РАЗЛИЧНЫХ СТРУКТУРНЫХ СОСТОЯНИЯХ Сспециальность 05.16.01 - металловедение и термическая обработка металлов)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород 1994

Работа выполнена в Нижегородском государственном педагогическом университете им. М. Горького.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор И.Е.Куров.

Официальньв оппоненты:

- доктор технических наук. И. А. Воробьев,

- кандидат физико-математических наук, доцент. С. Н. Нагорных.

Ведущая организация: Акционерное общество Арзамасский завод

коммунального машиностроения. 607220, ул. 3-я Вокзальная, д. 2.

Защита диссертации состоится Л 1995"г.

в € 40 > часов на заседании специализированного совета К 063.85.03 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 803600. Н.Новгород. ул.Минина. 24. корп.1. ауд.1238.

С диссертацией »4ожно ознакомиться в библиотеке Нижегородского технического университета.

Автореферат разослан 1994 г.

Ученьй секретарь специализированного совета кандидат технических наук

В. А.Васильев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Построение физической теории разрушения на сегодняшний день не завершено. Есть много неясностей как в описании элементарных актов разрушения и деформации Св том числе «самого элементарного» разрыва единичной связи3. так и в понимании последующих его этапов: зарождения и развития трещин'и переходе от микроразрушения к макроразрушения.

Находятся в стадии дальнейших разработок и усовершенствований испытания механических свойств материала от формы испытуемых образцов, а также способности деформироваться и сопротивляться деформации. При различных сложнонапряженных состояниях уже на стадии проектирования необходимо точно прогнозировать долговечность и прочность материалов и различных конструкций.

До настоящего времени осталась не изученной до конца роль напряженного состояния в кинетике разрушения в различных структурных состояниях.

Целью работы является исследование: роли напряженного со-

\

стояния в кинетике разрушения технического алюминия А01 в различных структурных состояниях; процессов деформирования и разрушения при ползучести в условиях плосконапряженного состояния, когда соотношение е2/в1 изменялось от 0.096 до 1.0; температурно-временных зависимостей прочности и ползучести при различных напряженных состояниях; характеристик изменения тонкой структуры Ссредней разориентации блоков Ср 3 в процессе разрушения технического алюминия в условиях ползучести; структурно-чувствительного коэффициента у в уравнении долговечности при различных соотношениях

Научная новизна работы. Впервые проведено систематическое изучение роли напряженного состояния в кинетике разрушения в раз-

ГЦ

личных структурных состояниях, когда соотношение c2/ei изменялось от 0.096 до 1.0. Установлена связь структурно-чувствительного коэффициента г в уравнении долговечности т=т0е ^ с тонкой структурой - со средней разориентацией блоков Ср при различных напряженных состояниях.

Научная практическая значимость работы. Отработана методика прогнозирования долговечности и прочности при различных напряженных состояниях по результатам кратковременных испытаний. Метод «Прогнозирование долговечности непрочности конструкций при увеличении жесткости напряженного состояния» внедрен на Арзамасском заводе коммунального машиностроения. Спроектированы передние опоры цистерны вакуумной машины К0-5ОЗВ. конструктивно обеспечивающие увеличение долговечности и прочности на основе увеличения жесткости напряженногр состояния a2/ei 0 введением горизонтальной составляющей напряжения ff2- Изготовлена опытная партия машин с данными опорами и проведены испытания. Конструкция опоры используется в машине К0-503В с 10 сентября 1993 г.

Достоверность результатов. Достоверность полученных экпери-ментальных результатов подтверждается большим объемом исследований, позволяющим провести статистический анализ, практическими испытаниями, сравнением с теоретическими и экспериментальными исследованиями других авторов.

Диссертация выполнена в соответствии с координационным планом Общесоюзной научно-технической программы «Надежность» на 1987-1990 гг. Сзадание П01.H6AD, утвержденной ГКНТ СССР и Президиума Академии наук СССР.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научно-теоретических конференциях, семинарах кафедры общей физики

АГПИ им.А.П.Гайдара, на кафедре машиноведения ННГПИ им.М.Горького в 1983-1994 годах, на кафедре металловедения и термообработки ННГТУ в 1994 году.

Публикации. Материалы работы изложены в 5 публикациях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка библиографии. Работа содержит 167 страниц текста, 57 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 140 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш исследования, сформулирована цель работы, указано, что нового вносится данной работой в исследуемую проблему.

В первой главе приводится обзор литературных данных по сов ременным представлениям о кинетике разрушения металлов. Обобщены имевшиеся в литературе сведения о двух подходах к проблеме разрушения твердых тел.

Во-первых - это дислокационная теория разрушения. Она основана на идее В.А.Степанова о первичной и определяющей роли пластической деформации. Дислокационная теория разрушения учитывает влияние структуры материала - исходной и возникающей при нагруже-нии, анализирует условия зарождения и распространения микротрещин. Дислокационная теория подтверждается многочисленными наблюдениями микроскопических аспектов разрушения: дислокационных структур, формирующихся при активном нагружении, механизмов зарождения хрупких микротрещин и т. п.

Во-вторых - это кинетическая концепция прочности, развиваемая школой С. Н. Буркова. Разрушение интерпретируется в ней как самостоятельный, не зависящий от пластической деформации процесс, развивающийся в нагруженном теле со скоростью, определяемой кине-

тикой термофлуктуационного разрьва «межатомных связей». Влияние структуры, особенно созданной в процессе пластической деформации, з этой концепции не учитывается. Кинетическая концепция подтверждается многочисленными наблюдениями макроскопических аспектов разрушения - измерения времени жизни образцов в условиях ползучести при разных температурах и нагрузках. Обе точки зрения имеет надежное экспериментальное обоснование и убедительно свидетельствуют как о кинетической природе разрушения на макроуровне, так и о значительном влиянии на него пластической деформации и структурных факторов на микроуровке.

На основании анализа литературных данных обосновывается и формулируется постановка задачи.

Приводятся экспериментальное результаты исследования влияния схемы напряженно-деформационного состояния на процесс деформации и разрушения. Различньв напряженные состояния реализовались изменением ширины или толщины образца. При различном отношении Ь/с1 Сширины к толщине) изменяется жесткость напряженного состояния к=вг2/<г1 Сем. рис. 13. Изменение жесткости напряженного состояния от 0.096 до 0.231 приводит к затруднению развития процесса разрушения в силу затруднения пластической деформации, которая обусловлена движением дислокаций, следствием этого является изменение деформационных характеристик пластичности (таблица №1, рис.23.

Рис. 1. Зависимость деформации е1 и отношения главных напряжений ег/е1 от соотношения Ь/й при Т=25°С, образцов А1 С отжиг 500°С 6 часов),

»ТАБЛИЦА №1. Характеристики пластичности, полученные-при испытании алюминиевых образцов различной ширины Ь (толщина 0.1»10~3м. отжиг 500°С 6 часов) при Т=20°С.

ширина Ь-10"3.м 5 /V 2 1 отн. удлинение в х 'о отн. сужение в %

3.0 0.096 17.8 11.3

5.0 0.149 14.6 9.7

8.0 0.181 14.0 8.9

10.0 0.231 • 13.3 7.5

Затруднение пластической деформации, по-видимому, обусловлено появлением дополнительных плоскостей скольжения, что приводит к увеличению плотности дислокации и их взаимному торможению.

Приводятся экспериментальные результаты исследований структурно-чувствительного коэфициента у при различных структурных состояниях, зависимость у от соотношения при различных напряженных состояниях, зависимость у от е1 при одноосной и двухосной деформации Сем.рис. 3). зависимость коэффициента у от соотношения Ь/6 Сем.рис.4). Непостоянство у связывается не только со структурньми изменениями, происходящими в материале, но и с видом плосконапряженного состояния.

Приводятся результаты исследований влияния напряженного состояния на энергию активации процесса разрушения иСеО Сэнергиа связи). Увеличение энергии активации разрушения 11С<7) при изменении жесткости напряженного состояния и при изменении структурного состояния Срис.5) объясняется, по-видимому, увеличением напряжения с2, которое сдерживает пластическую деформацию и способствует более равномерному распределению напряжения по межатомным связям, что и приводит к увеличению долговечности.

Во второй главе представлены исследования температурно-

Рис. 2, Зависимость относительного удлинения 5 и относительного сужения Ф от вида плосконапряженного состояния Сот соотношения Ь/4) образцов А1. Столщина </0.1'1СГ3м. отжиг 500°С 6 часов) при комнатной температуре.

Рис.3 . Зависимость структурно-чувствительного коэффициента г от напряжения е1 при одноосной - 1 и двухосной деформации - 2 алюминиевых образцов, отжиг 500 С 1 час.

Ряс. Ч. Зависимость структурно-чувствительного коэффициента г и прочности образцов А1 от соотношения Ъ/й при изменении толщины образцов.(отжиг 500°С 1 час. ширина образцов Ь=3.СЫСП'м.)

Рис. 5. Зависимость энергии активации разрушения исоО при одноосной и двухосной деформации алюминиевых образцов Спри наклепе, при отжиге 500°С 1 час] при различных температурах. 1.-наклеп, двухосная деформация: 2.- наклеп, одноосная деформация; 3.- отжиг 500°С 1час, двухосная деформация; 4.- отжиг 500°С 1 час, одноосная деформация. а)-СхЗ-20°С; б)-Со)-75°С; вЭ-Су)-100°С; г)-Са)-155°С; дЗ-СУ)-185°С; еЗ-СО-240°С; ж)-СлЗ-300°С.

временных зависимостей прочности и ползучести металлов при раз личных напряженных состояниях. Описана методика реализации различных видов напряженного состояния: 1). одноосное; 23. двухосное; 33. сложное напряженное состояние.

Описаны установки, на которых проводились исследования и способы обеспечения постоянных напряжений при одноосном растяжении, при двухосном выпучивании мембран гидростатическим давлением. Приводится обзор литературных данных, общие закономерности поведения листовых материалов при двухосном растягении. Двухосное растягение реализуется при нагругении пластин п оболочек, конструкций, широко распространенных в технике.

Приводятся экспериментальные результаты исследований при выпучивании мембран при различных.температурах. При увеличении гидростатического давления от 0 до 4.0*104 Па и при увеличении температуры испытания от 20°С до 240°С: высота в полюсе Н1 увеличивается от 0 до 13.7 мм Сем. рис. 6); радиус кривизны И в полюсе к моменту разрушения уменьшается от 103 мм до 36 мм Сем.рис.7); деформация в полюсе ег увеличивается от 1.61% до 20.2%; напряжение в полюсе увеличивается от 3.8*10е Па до 9.4-106 Па Сем.рис.83.

При выпучивании алюминиевых мембран при комнатной температуре на долговечность при постоянном гидростатическом давлении при небольших напряжениях разрушение происходит хлопком, вырыванием части металла в районе полюса, остальная часть полусферы остается неразрушенной. С увеличение давления Р и соответственно напряжения <ух в полюсе происходит изменение всей полусферы при разрушении, наблюдается вырывание части мембраны в районе полюса и вдавливание всей поверхности полусферы, разрушение сопровождается сильным хлопком. При повьшении температуры появление трещины фиксировалось появлением свиста Свытеканием рабочей среды - аргонаЗ.

Рис.6 . Зависимость давления Р и напряжения с1 от высоты вьпуклости Нг мембраны в полюсе при постоянной скорости деформирования при различных температурах:

1. о - ег1СН13 при Т=20°С; x - РСН13 при Т=20°С.

2. А - сг1СН13 при Т=135°С; • - РСН,) при Т=135°С.

3. а - е^СН^ при Т=185°С; ® - РСН^ при Т=185°С.

4. у - ^(Н^ при Т=24С°С; ■ - РСН^ при Т=240°С.

5. - - «^СН^ при Т=400°С.

{СО

15

50

25

/

\ \

- — о

£ 40 <Г

Рис. 7 . Зависимость радиуса от высоты в полюсе Н1 при различных температурах испытания:

1./Х/ - при Г=20°С; 2./о/ - при Г=75°С; З./А/ - при Т=135°С; 4./-/ - при Г=185°С; 5. /п/ - при Г=240°С.

15,0

/ / /

7 / // / /

^МГк

ь,о 7р Ы> го

Рис. 8 . Зависимость деформации в полюсе■е1 от напряжения при различных температурах: 1./х/ - при Т=20 С: 2./»/ - при Т=75°С; З./Л/ - при Т=135°С; 4./-/ - при Г=185°С; 5./П/ - при Т=240°С.

При изучении процессов деформирования и разрушения было получено, что процесс деформации развивается по межзеренным границам как при одноосном, так и при двухосном растяжении, но при одноосном разрушении трещины раскрываются в направлениях, перпендикулярны оси приложения нагрузки или в близких к ним, независимо от направления проката, а при двухосном разрушении трещины раскрываются перпендикулярно направлению проката. Это объясняется, по-видимому, тем. что в направлении проката происходит упрочнение, а разрушение идет по наиболее слабому месту - поперек прокатки Сприводится 100 фотографий).

В третьей главе представлены результаты исследования харак-. теристик тонкой структуры при различных напряженных и структурных

состояниях:

1. Представлены результаты исследования кривых ползучести при различных состояниях, напряжениях и температурах.

При изменении состояния, напряжения и температуры испытания изменяются пластические и упругие свойства материала. На неустановившейся стадии ползучести максимальные упругие свойства проявляются при Т=20°С и напряжении 9.66-10® Па, а максимальные пластические свойства проявляются при Т=300°С и напряжении 1.4*10® Па. Скачок деформации с0 в момент приложения нагрузки максимален при Т=20°С.

В результате мгновенной пластической деформации изменяется дислокационная структура на неустановившейся стадии ползучести, которая к началу установившейся стадии ползучести становится устойчивой. Это объясняется, по-видимому, тем, что при наложении напряжения ртруктура материала перестраивается - напряжение распределяется по всем межатомным связям, и это перераспределение относится к неустановившейся стадии ползучести. При изменении ви-

да напряженного состояния при увеличении жесткости напряженного состояния увеличивается догловечность 1д т. а скорость стационарной ползучести 1д с уменьшается. Кривая ползучести зависит от вида напряженного состояния, от напряжения е1, от температуры испытания, от температуры отжига и времени отжима, от рода материала.

2. Приводятся результаты исследования степени разориентации блоков мозаики - средний разориентации блоков Ср методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей при различных напряженных состояниях С рис.93.

Разориентация блоков в эталоне Сотожженном недеформированном' образцеЗ была 13.0+1.0 минут.

При увеличении жесткости напряженного состояния в2/в1 от 0.098 до 1.0 разориентация блоков ср уменьшается от 33.0 минут до 16.0 минут.

В четвертой главе представлены практические приложения. Предложен метод прогнозирования долговечности и прочности при различных плосконапряженных состояниях по результатам кратковременных испытаний.

Изготовление предохранительных диафрагм для измерения гидростатического давления в трубах, сосудах, котлах; изготовление индикаторов для различных установок и т. д. - все они требуют надежности в работе, реагируют на малейшие изменения рабочего давления. Поэтому уже на стадии проектирования необходимо точно прогнозировать долговечность и прочность предохранительных устройств.

Алгоритм прогнозирования долговечности 1дт и прочности при различных плосконапряженных состояниях включает следующие этдпы: 13. получить зависимость 1дтС»13 для образцов одного вида; 23. установить те значения (г , которье снижают долговечность 1дт до нуля для различных напряженных состояний;

Рис.9 Зависимость средней разориентации блоков ебл Ср от вида напряженного состояния алюминиевых образцов при комнатной температуре.

33. провести на графике Срис.103 прямые через точки при 1дт=0 и 1дА;

43. получить зависимость 1 дтСв",3 для различных напряженных состо-

—РГ—

яний при выполнении условия т=т0е ; 53. выЗрать образцы с интересующими нас параметрами долговечности

т и прочности 9у Например, чтобы образец шириной 8.0 мм «жил» под нагрузкой 100 с нужно приложить напряжение 6^=11. 8-Ю6 Па Сем. табл.№2, рис.103.

Таблица 162. Прогнозирование долговечности и прочности алюминиевых образцов различной ширины при комнатной температуре Сотжиг 500°С 6 часовЗ.

ширина Ь'10"3м 3.0 5.0 8.0 10.0

1д*. с <У1*10вПа ву10вПа в1'10пПа оуЮБПа

-1.0 13.1 13.45 13.7 14.2

0 12.5 12.75 13.1 13.6

2.0 11.0 11.35 11.8 12.3

3.0 10.4 10.7 11.2 11.7

5.0 9.0 9.37 10.0 10.5

10.0 5. В 6.0 6.9 7.35

При вьгучивании мембран, вшолнение уравнения кинетической концепции прочности позволяет прогнозировать долговечность мембран по результатам испытания при одноосном растяжении.

1. Долговечность мембран описывается кинетическим уравнением

Рис. 40- Зависимость долговечности 1дт от напряжения <т1 алюминиевых образцов шириной Ь=3.0 мм. Штрихами проведены прямье для зависимости 1дх(аг) для образцов шириной 5'10~3м; 8,"10-3м;10'10-3м при долговечности 1дт=0. !./*/- Ь=3'10~3м; 2. Л1/ - Ь=5.-10~3м 3. /V/ - Ь=' 8,0*10~3м; 4. /♦/ - Ь=10.'Ю"3м.

—РГ—

прочности т=т0е 141 . причем параметры уравнения т0 и ио совпадает. при одноосном и двухосном растяжении.

2. Деформацию в полюсе круглой мембраны можно вычислить по вьражению, предполагающему равномерное распределение деформаций по меридиану:

Нп - высота вьгуклости а полюсе; г - радиус отверстия матрицы.

3. Радиус в полюсе вьгуклости можно вычислить из выражения:

ш-

2 V Не-

1 в»

Не

1-

Ш

_

где Не - высота вьгуклости на растоянии С от полюса.

Для мембраны,нагруженной постоянным давлением Р, к моменту

непосредственно перед разрушением:

Р(?

(Г^-ехр 2еп еп=|(Щ]. где гр - расчетньй радиус матрицы

~~гг—

тр=т0е , где тр - расчетная долговечность где вг1 - напряжение в полюсе мембраны; 50 - исходная толщина мембраны.

ЗАКЛШЕНИЕ И ВЬВОДЫ В работе решена научно-техническая задача в установлении роли напряженного состояния в кинетике разрушения технического алюминия А01 в различных структурных состояниях, вьражаицаяся в том, что при увеличении жесткости напряженного состояния ®2/51 Увели_ чивается долговечность 1дт. Получена возможность прогнозирования долговечности изделий и конструкций. Это подтверждено эксперимен-

тальными исследованиями методами одноосного и двухосного растяжения с привлечением малоуглового рассеяния рентгеновских лучей Сисследование тонкой структуры средней разориентации блоков сбл ср металлогРафической микроскопии, делительной сетки, измерения микротвердости в процессе деформирования и разрушения с помощью микротвердомера ПМТ-3.

При изменении напряженного состояния - при увеличении жесткости напряженного состояния a2/ai изменяется кинетика разрушения:

1. Зависимость долговечности от напряжения 1д тСе^ смещается в сторону большего первого главного напряжения долговечность lg т увеличивается при ff^const, а скорость стационарной ползучести lg ê соответственно уменьшается.

2. Деформационные характеристики пластичности при увеличении ffg/ffj от 0.096 до 0.231 (отжиг 500°С 6 часов] уменьшаются: при комнатной температуре относительное удлинение 6 - на 4.5%, относительное сужение ф - на 4.0%; а при Т=200°С относительное удлинение ô - на 4.8%, относительное сужение - на 5.2%.

3. Структурно-чувствительный коэффициент у в уравнении долговечности уменьшается: а). при увеличении от 0-096 до 0.231 (отжиг 500°С 6 часов) на 13%; б).- при увеличении отношения

от 0.12 до 1.0 (отжиг 500°С 1 час) на 22%; в), при увеличении соотношения b/d от 15.0 до 167.0 (отжиг 500°С 1 час) на 90%.

4. Изменение структурно-чувствительного коэффициента у в уравнении долговечности связано с изменением" тонкой структуры, а именно, со средней разориентацией блоков £йл Ср . Параметр тонкой структуры - средняя разориентация блоков Ср - уменьшается от 35.0 минут до 16.0 минут при увеличении соотношения oz/o1 от 0.096 до 1.0.

5. При увеличении соотношения от 0.12 до 1.0 энергия

активации С энергия связи) иСбО увеличивается.

8. При одноосном разрушении трещины раскрываются в направлениях. перпендикулярных оси приложения нагрузки или близких к ним. независимо от направления проката, а при двухосном разрушении трешины раскрываются перпендикулярно направлению проката.

7. Предложенный метод прогнозирования долговечности и прочности подтвержден исследованиям^. в результате которых теоретические характеристики совпали с экспериментальными. Метод «Прогнозирование долговечности и прочности конструкций при увеличении жесткости напряженного состояния» внедрен на Арзамасском заводе коммунального машиностроения. Спроектированы передние опоры цистерны вакуумной машины К0-503В. конструктивно обеспечивающие увеличение долговечности и прочности на основе увеличения жесткости напряженного состояния аг/(51 0 введением горизонтальной составляющей напряжения вг. Изготовлена опытная партия машин с данными опорами и проведены испытания. Конструкция опоры используется п машине КО-'ШП с 10 сентября 1У93 г.

Основные результаты дессертации были опубликованы в работах:

1. «Эквивалентные напряжения при плоском напряженном состоянии». Сахарова В. Н. . Шевченко С. М. . Москаева Н. П. // Межвузовский сборник научных трудов «Физические основы прочности и пластичности». -Горький. ГГПИ им.М.Горького, 1987.

2. «Использование ЭВМ для расчетов при двухосном растяжении». Москаева Н.П.. Шитов В. М. // Применение ЭВМ при обучении студентов педвуза физике и астрономии. Методические рекомендации.- Арзамас, АГПИ им. А.П.Гайдара, 1987.

2 Н

3. «Организация научной работы студентов в рамках спецкурса по физике твердого тела». Москаева Н.П.// Спецкурс в педагогическом вузе: Проблемы и решения. - Нижний Новгород, Пед. общ. , 1991.

4. «Структурно-чувствительный коэффициент у в процессе кинетики разрушения». Москаева Н.П.// Межвузовский сборник научных трудов «Физические основы прочности и пластичности».- Нижний Новгород. НГПИ им.М.Горького. 1991.

5. «Пластичность алюминия при различных плосконапряженных состояниях». Москаева Н.П..// Межвузовский сборник научных трудов «Физические основы прочности и пластичности».- Нижний Новгород, НГПИ им.М.Горького, 1991.

Подписано в печать

.94 г. Объем 1 п. л.

Тираж 100 экз. Заказ Й168