автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Взаимосвязь структурных изменений с характеристиками размерной стабильности материалов при эксплуатации в условиях вакуума

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П.КОРОЛЕВА

На правах рукописи

ЛОГВИНОВ Анатолий Николаевич

ВЗАИМОСВЯЗЬ СТРУКТУРНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ С ХАРАКТЕРИСТИКАМИ РАЗМЕРНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ВАКУУМА

05.02'.01. - Материаловедение . (машиностроение)

учёной степени [нических наук

Диссертация

Самара - 1997 г.

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ...................... 5

ВВЕДЕНИЕ........................................... 10

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ВЛИЯНИИ ВАКУУМА НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ)........... 20

1.1. Влияние вакуума на сопротивление усталости металлических конструкционных материалов............21

1.2. Влияние вакуума на ползучесть материалов............2 9

1.3. Влияние вакуума на пластичность и механические свойства при одноосном растяжении..........................33

1.4. Анализ состояния вопроса и постановка задач исследования....................................................................43

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ВАКУУМА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗМЕРНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ........ 4 6

2.1. Оценка влияния степени разрежения среды

на стабильность линейных размеров............. 4 8

2.2. Оценка влияния десорбционных процессов

в вакууме на механические свойства материалов при одноосном растяжении...................... 55

2.3. Оценка влияния дегазации в вакууме на характеристики размерной стабильности......... 64

2.4. Оценка влияния сублимации компонентов сплава в вакууме на условный предел

упругости и релаксацию напряжений............. 68

2.4.1. Влияние сублимации компонента сплава

на условный предел упругости................................69

2.4.2. Влияние сублимации компонента сплава

на релаксацию напряжений........................................72

2.5. Выводы................................................................................7 6

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..................78

3.1. Исследование влияния вакуума на стабильность линейных размеров..........................................................7 9

3.2. Исследование влияния вакуума на сопротивление микропластической деформации....................................81

3.3. Исследование влияния вакуума на релаксацию напряжений........................................................................87

3.4. Рентгенографическое исследование влияния вакуума на материалы....................................................99

3.5. Выводы................................................................................109

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ..............111

4.1. Кратковременное влияние вакуума..............................111

4.1.1. Изменение линейных размеров при переносе материала из воздуха в вакуум..............................111

4.1.2. Влияние вакуума на сопротивление микропластической деформации................................118

4.2. Длительное влияние вакуума........................................12 6

4.2.1. Влияние изотермической выдержки в вакууме на сопротивление микропластической деформации.. 12 6

4.2.2. Исследование влияния сублимации на характеристики размерной стабильности..............134

4.2.3. Влияние изотермической выдержки на релаксацию напряжений.................................144

4.2.4. Влияние вакуума на металлизованную

пленку полиэтилентерефталата................ 150

4.2.5. Исследование влияния технологии получения листа сплава АМгб на стабильность геометрических размеров..................... 158

4.2.5.1. Влияние толщины листа на стабильность линейных размеров......................... 160

4.2.5.2. Влияние величины зерна на стабильность линейных размеров......................... 162

4.3. Выводы........................................ 168

5. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ХАРАКТЕРИСТИК РАЗМЕРНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ............ 171

5.1. Методика определения условного предела упругости..................................... 171

5.2. Методика определения условного предела релаксации напряжений......................... 178

5.3. Выводы........................................ 185

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.......................'............. 18 6

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................... 192

ПРИЛОЖЕНИЕ......................................... 218

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

¿Г - половина длины цилиндра; г - текущий радиус; Я0 ~ начальный радиус; Рв - радиус цилиндра в вакууме;

Рк - радиус цилиндра, при котором меняется знак деформации;

Рг ~ газовая постоянная; Р - давление газа;

Рв - давление газа на боковую поверхность цилиндра в вакууме;

Ра - атмосферное давление;

Ро - остаточное давление воздуха в вакууме; Рс - давление на боковую поверхность цилиндра в атмосферных условиях;

и - радиальное перемещение;

- осевое перемещение; Щ - момент сопротивления изгибу; О - модуль упругости при сдвиге;

У - коэффициент Пуассона;

Ук - частота собственных колебаний;

(7 - поверхностное натяжение;

&а ~ поверхностное натяжение в атмосфере;

&з - поверхностное натяжение в вакууме;

'о - уровень начального напряжения; .»

I

с* о - абсолютная величина начального напряжения второго этапа релаксации;

Сс - фиксированный уровень напряжения в струне;

- напряжение в момент времени т ;

.о

У

& - - условный предел упругости основы;

гтП

и у - условный предел упругости покрытия;

°у - условный предел упругости многослойного материала; У - поверхностная энергия;

То - поверхностная энергия металла в абсолютном вакууме; 7Р - поверхностная энергия металла при давлении газа Р;

- количество газа, растворенного в единице объема; Г2 - количество газа, адсорбированного на единице

поверхности;

Ц -линейный коэффициент ослабления рентгеновских лучей;

химический потенциал растворенного газа; /л2- химический потенциал адсорбированного газа; & - площадь поверхности;

- площадь поперечного сечения;

N

- число Авогадро;

N. - количество доступных мест для газа на единице поверхности;

общее число всех атомов в единице объема;

- количество адсорбированных молекул газа на единице поверхности;

Т0 - период колебания адсорбированной молекулы в направлении, перпендикулярном к поверхности;

Та ~ время оседлой жизни молекулы в адсорбированном состоянии;

^ - время деформирования;

Е - модуль продольной упругости;

Ех - модуль продольной упругости основы;

Е2- модуль продольной упругости покрытия;

Ес - модуль продольной упругости материала струны;

Еп - модуль продольной упругости двухслойной пластины; Ех - суммарная интенсивность дифрагированных лучей; Е^ - энергия десорбции;

ЕТ1 - модуль упрочнения материала покрытия; Тт - абсолютная температура тела; Тг - абсолютная температура газа; М - молекулярный вес;

£ - деформация;

тах

- максимальная деформация растяжения;

тах

- максимальная деформация сжатия;

- относительная разность в атомных радиусах примеси

растворителя;

¿77 - поправка на преломление рентгеновских лучей;

Н0 - начальная длина образца;

Н - текущая длина образца;

Ьоб - высота рабочей части образца;

V - скорость деформирования;

Уф - фазовая скорость волны;

- скорость перемещения детектора излучения; t - безразмерное время;

к - постоянная Больцмана;

Кр - относительная скорость покрытия единицы

поверхности образца адсорбированным газом в единицу времени в процессе его деформирования; - скорость приращения поверхности на единицу поверхности в единицу времени; Кб - безразмерная скорость приращения поверхности на

единицу поверхности; к@ - скорость изменения степени заполнения единицы поверхности в единицу времени, отнесенная к текущей степени заполнения единицы поверхности; 1С ~ длина струны;

- сила натяжения струны; р - плотность материала струны;

П - количество молекул газа, адсорбированных на поверхности в единицу времени;

7 - коэффициент аккомодации;

X - количество молекул газа, падающих на единицу

поверхности в единицу времени; ОС - величина, обратная времени оседлой жизни молекулы

в адсорбированном состоянии; ас- угол наклона первичного пучка к плоскости образца; - масса молекулы;

Ь - вектор Бюргерса;

Ьоб- ширина рабочей части образца;

С0 - средняя концентрация примесей, растворенных в металле;

С1 - концентрация примесных атомов в атмосферах дислокаций;

Ц) - средняя концентрация растворенного газа;

Ср - концентрация сублимирующего компонента; б/ - толщина пластины;

0 - коэффициент диффузии;

коэффициент диффузии растворенного газа; коэффициент диффузии сублимирующего компонента;

1 - мощность первичного пучка; Л/ - изгибающий момент;

% - доля дифрагированных лучей в направлении данной

интерференционной линии; ©С - угол скольжения;

© - степень заполнения вновь образованной единицы поверхности в любой момент времени;

д - толщина анализируемого слоя;

Ро - время в безразмерной форме ( число Фурье ).

ВВЕДЕНИЕ

Работоспособность любого изделия, в том числе современных космических летательных аппаратов, во многом определяется надежностью материала, при выявлении которой необходимо комплексное изучение влияния внешних условий эксплуатации на его свойства. Специфика космического пространства состоит в том, что материал элементов конструкции одновременно подвержен воздействию ряда факторов: космического вакуума; температуры; различного рода излучений - потока электронов, инфракрасного, рентгеновского, космического; метеоритных частиц.

Хотя воздействию этих факторов в первую очередь подвержена поверхность материала, они могут повлиять на характеристики термокинетических процессов в его объеме (дегазация, сублимация) и, как следствие, привести к изменению его химического состава, структуры и свойств.

Имитация влияния всех факторов космического пространства на поведение материалов в атмосферных условиях вызывает большие трудности. В настоящее время возникают серьезные проблемы в создании математической модели, которая позволила бы описать влияние факторов космического пространства на механические характеристики материалов. Однако эти вопросы могут быть решены, если использовать принцип аддитивности, т.е., найдя математическое описание влияния одного или двух факторов космического пространства на механические свойства, затем их просуммировать.

Расчет на жесткость элементов конструкции прецизионных оптических электронных систем современных

космических аппаратов для наблюдения за поверхностью Земли, одним из условий эксплуатации которых является вакуум, базируется на характеристиках размерной стабильности металлических конструкционных материалов, полученных в атмосферных условиях.

Известны исследования, выполненные у нас в стране (Н.М. Гринберг, B.C. Бокштейн, Б.Н. Веркин, И.М. Любарский, А.И. Алексеев и др.), а также за рубежом -(Gough H.I., Sopwith D.G., Kramer I.R., Willams D.P., Nelson H.G., Schahanion P., Achter M.R. и др.), в которых установлено влияние степени разрежения на усталость, ползучесть, пластичность и другие физико-механические свойства металлов и сплавов, но они не затрагивают вопроса о влиянии вакуума на характеристики размерной стабильности материалов, т.е. на стабильность линейных размеров, условный предел упругости и релаксационную стойкость.

В связи с этим, изучение влияния вакуума на характеристики размерной стабильности металлических конструкционных материалов является актуальным.

Работа выполнялась по программам «Икар», «Канопус», а также по комплексной теме: «Исследование влияния факторов космического пространства на характеристики размерной стабильности конструкционных материалов» по распоряжению Минобщемаша и Минвуза и по решению ГКСМ по ВПВ совместно с Центральным специализированным конструкторским бюро (ЦСКБ) г. Самара.

Цель и задачи работы. Цель работы - аналитические и экспериментальные оценки взаимосвязи изменения

структуры с характеристиками размерной стабильности

конструкционных материалов в условиях вакуума.

Для достижения указанной цели в работе решаются

следующие основные задачи:

1.Аналитические оценки влияния термокинетических процессов, протекающих в твердых металлических телах в условиях вакуума, на характеристики размерной стабильности .

2.Разработка методик исследования влияния степени разрежения на структуру и характеристики размерной стабильности.

3.Экспериментальные исследования влияния десорбции, диффузии, дегазации и сублимации, протекающие на поверхности и в объёме конструкционных материалов в условиях вакуума, на структурные изменения и связанные с ними характеристики размерной стабильности.

4.Разработка способов оценки влияния давления среды на условные пределы упругости и релаксации напряжений.

Научная новизна:

1.Получены аналитические закономерности , позволяющие оценить стабильность линейных размеров элементов конструкций и прогнозировать изменения условных пределов упругости и релаксации напряжений металлических конструкционных материалов в зависимости от темпе-ратурно - временных параметров в условиях вакуума.

2.Установлена корреляция между энергетическим состоянием поверхности металлических конструкционных материалов и их характеристиками размерной стабильности.

При изменении давления атмосферной среды с 1-105 до

1,33-1СГ3 Па относительное изменение линейных размеров элементов конструкций находится в пределах 1-Ю"5 -1-1СГ6. Причиной наблюдаемого эффекта является снятие внешнего давления среды и возрастание лапласовского давления за счёт увеличения сил поверхностного натяжения при десорбции.

Влияние десорбции в вакууме на механические свойства металлов и сплавов наблюдается в том случае, когда относительная скорость приращения поверхности при деформации превышает относительную скорость покрытия поверхности адсорбированным газом. Сопротивление микропластическим деформациям до 1-10~4 образцов из

сплава АМгб в вакууме на 6-10 % больше, чем у образцов, испытанных в атмосферных условиях. Нагружение образцов сплава АМгб в вакууме до 150 МПа вызывает остаточную деформацию на 4 0% меньше, чем на воздухе.

3.Показано, что при изотермической выдержке в вакууме растворимость Мд в а - растворе сплава АМгб увеличивается. Образцы из этого сплава, предварительно выдержанные в вакууме при температуре 353 К в течение 15 суток, имеют коэффициент упрочнения на 50 % выше в сравнении с образцами после обработки по тому же режиму в атмосферных условиях.

Релаксация напряжений в вакууме у образцов АМгб при уровне начального напряжения в пределах 50 - 116 МПа протекает более интенсивно, чем на воздухе.

4.Установлено деструктивное воздействие вакуума на оба компонента металлизованной плёнки полимерных материа-

лов (ПЭТФ). Структурные изменения в полимере, вакуу-мированном в течение 20 суток при температуре 2 93 К, проявляются в исчезновении кристаллической фазы полимера, что приводит к уменьшению анизотропии свойств ПЭТФ.

5.Выявлено, что изотермическая выдержка сплавов Л62 и АМгб в вакууме при температурах 723 и 533 К соответственно в результате сублимации Ъп и Мд приводит к изменению химического состава в поверхностных слоях материалов, вызывая количественные и качественные изменения в них структурного состояния. В результате структурных изменений в поверхностных слоях условные пределы упругости этих сплавов уменьшились более чем на 20 % в сравнении с контрольными образцами, что превышает уровень аналитических оценок.

Предложено эмпирическое выражение, позволяющее прогнозировать изменение условных пределов упругости для гетерофазных сплавов после их вакуумирования по различным температурно-временным режимам , которое удовлетворительно совпадает с экспериментальными данными.

Техническая новизна разработанных методик подтверждена 11 изобретениями.

Практическая ценность и реализация работы:

1.Разработаны форма и размеры образцов, технология изготовления, способ разметки и устройство для испытания материалов на релаксационную стойкость. Это позволило оценивать релаксацию напряжений с точностью 0,04 МПа.

2.Разработан рентгеновский метод неразрушающего по-

слойного исследования поликристаллических объектов с экспериментальным определением толщины слоя материала от десятых долей до сотни микрометров.

3.Разработаны методические указания 207/514-85 и 207/534-8 6 по определению условных пределов упругости и релаксации напряжений конструкционных материалов, утвержденные ЦНИИМВ и используемые в современной аэрокосмической технике. Испытания материалов по разработанным методикам легли в основу расчета стабильности узлов изделий 11Ф660, 17Ф42, 14Ф4 3 после воздействия на них внешних нагрузок, что позволило снизить их материалоемкость на 10-12% при сохранении соответствующей надежности и получить экономический эффект от внедрения в ЦСКБ (г. Самара) более 850 тысяч рублей в ценах 1991 года.

4.Отдельные положения диссертационной работы вошли в курсы лекций, лабораторных работ для студентов СГАУ и слушателей ФПК инженерно-технических работников ЦСКБ (г. Самара) .

На защиту выносятся следующие основные положения

диссертационной работы:

1. Аналитические оценки влияния вакуума на стабильность линейных размеров элементов конструкций и микромеханические свойства конструкционных материалов при одноосном деформировании.

2. Теоретические закономерности прогнозирования изменения характеристик размерной стабильности конструкционных материалов при изотермической выдержке