Комплексная оценка структурного и энергетического состояния сталей различных классов по предельным механическим характеристикам и критериям разрушения синергет

На правах рукописи

Чегуров Михаил Константинович

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА СТРУКТУРНОГО И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СТАЛЕЙ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ МЕХАНИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ И КРИТЕРИЯМ РАЗРУШЕНИЯ СИНЕРГЕТИКИ

Специальность 05.16.01 – Металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород – 2008

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Вениамин Аркадьевич Скуднов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Юрий Иванович Матвеев
кандидат технических наук

Владимир Викторович Галкин

Ведущая организация: ОАО «ГипроГАЗцентр» г. Нижний Новгород

Защита диссертации состоится 26 декабря 2008 года в 13.00 час на заседании диссертационного совета Д 212.165.07 НГТУ по адресу:
603600, Н. Новгород, ГСП 41, ул. Минина 24, корп. 1, ауд. 258.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ

Автореферат разослан « 20 » ноября 2008 года

Ученый секретарь диссертационного Совета,

доктор технических наук, профессор В. А. Ульянов

Общая характеристика работы

Актуальность темы: Тенденции развития современного машиностроения характеризуются значительным усилением требований к живучести структур при длительной безаварийной эксплуатации как конструкций и машин в целом, так и отдельных деталей. Для успешного решения указанных проблем необходима оценка повреждаемости структуры материалов при различных напряженно-деформированных состояниях, сильно влияющих на наступление предельного состояния и снижение ресурса изделий. Наличие разной исходной технологической поврежденности структуры и развитие эксплуатационной повреждаемости на разных стадиях приводит к неопределенности в общей деградации структуры, возникновению трещин и разрушению. Ввиду локальности процесса повреждения ресурс конструкционных материалов, по существу, определяется ресурсом их опасных зон. В этих зонах имеют место быть концентраторы напряжений и сложное взаимодействие различных конкурирующих факторов (эволюция структуры, релаксация напряжений, масштаб по общему уровню слабых мест, их геометрия и т. д.). Решению этих проблем посвящены многочисленные работы С. Н. Журкова, Я. Б. Фридмана, Я. М. Потака, Н. Н. Давиденкова, У. М. Савицкого, В. И. Владимирова, В. И. Бетехтина, В. Л. Колмогорова, Ю. Н. Работнова, М. Я. Дзугутова, В. В. Рыбина, В. А. Лихачева, Л.С. Кремнева, Ю. М. Мешкова, В. М. Финкеля и многих других.

В целом к изучению предельного состояния металлов применяется системный подход, однако относительно анализа работоспособности многих специальных, коррозионностойких сталей он развит недостаточно. Примером этого служат возникающие аварии в технике. Поэтому одной из важных задач металловедения при обеспечении надежности техники является системное использование физических представлений и моделей связи процессов пластической деформации и разрушения для прогнозирования предельных характеристик металлов с использованием минимального числа факторов состояния. В ряде работ показано, что множество факторов структуры, определяющих поведение предельного состояний конструкционных материалов можно свести к четырем: 1) силовому (прочностному), связанному с уровнем межатомных связей и структурных состояний, пропорциональному твердости; 2) временному, связанному с релаксационной способностью внутренних напряжений; 3) фактору поврежденности, связанному с дефектностью кристаллического строения атомного суб-, микро-, макроструктурного масштаба; 4) энергетическому, связанному с уровнем напряженно- деформированного состояния.

Работа выполнялась по ФЦП «Интеграция» в рамках УНЦ НГТУ «Физические технологии в машиностроении» по направлению «Разработка научных основ низко- и высокоупрочняющих технологий на основе исследований закономерностей поведения структур, строения изломов и предельных характеристик металлов» в 2005 г. По ведомственной научной программе «Развитие научного потенциала высшей школы» по проекту: «Развитие эффективной системы научно-исследовательской работы и подготовки кадров на кафедре «Металловедение, термическая и пластическая обработка металлов» НГТУ и ее филиалах (НФ ИМАШ РАН, ОАО «Красная Этна», РУМО)» по этапам: этап 1 – «Развитие методики оценки и выбора состояний материалов на основе принципов управления предельным состоянием для совершенствования наукоемких технологий»; этап 2 – «Совершенствование наукоемких технологий на основе принципов синергетики и повышения предельного состояния металлов» с 2005 по 2006 г.

Целью настоящей работы является комплексная оценка закономерностей поведения предельных характеристик сталей аустенито-феритного, перлитного и аустенитного классов в различных структурных состояниях, с различной поврежденностью (плотностью) при различных напряженных состояниях и их применение для оценки работоспособности изделий и выбора улучшающих взаимозаменяемых технологий термической обработки (ТО).

Основные научные задачи работы состояли в следующем:

1. Определение понятий и критериев предельного состояния сталей и методов их оценки.
2. Выбор состояний сталей различных классов, применяемых в технике после разных видов термической обработки, обеспечивающих рабочие диапазоны изменения механических свойств. Расчеты характеристик предельного состояния, новых критериев разрушения синергетики при соответствующих исследованиях структуры, физических свойств, повреждаемости при различных напряженных состояниях, отражающих их поведение при эксплуатации изделий.
3. Систематизация основных факторов – структурно-энергетических, дефектных, временных, силовых – в одинаковых диапазонах их изменения, влияющих на поведение предельных характеристик сталей.
4. Выбор обобщающих (феноменологических) уравнений связи предельных характеристик металлов с основными параметрами состояния изделий: 1) силовым – твердостью, сопротивлением разрушению, пределом текучести; 2) дефектным – плотностью, степенью разрыхления; 3) временным – соотношением скоростей релаксации напряжений и скоростями деформации; 4) энергетическим – связанным с показателем напряженного состояния; а также разработка их закономерностей.
5. Разработка автоматизированной компьютерной программы для прогнозирования поведения предельных характеристик в зависимости от перечисленных выше факторов и алгоритма ее применения для реализации закономерностей (в виде графиков) поведения предельных характеристик сталей в определенных диапазонах изменения параметров состояния.
6. Применение программы и графиков поведения предельных характеристик для решения практических задач, определения работоспособности эксплуатируемых объектов техники и выбора улучшающих взаимозаменяемых технологий термической обработки сталей.

Программа работы включала:

1) Анализ коррозионностойких феррито-аустенитных сталей (КФАС) по литературным данным и ГОСТам, трубных сталей 17Г1С, 17Г1С-У, 09Г2С, 10Г2СФ, 14Г2САФ, 17Г2СФ, Х60 (Франция), Х70 (Италия, Япония) в различных состояниях поставки; нержавеющей стали аустенитного класса 12Х18Н10Т; стали Ст. 3. Определение их места на общей диаграмме структурно-энергетического состояния для десяти классов сталей в координатах «предельная удельная энергия деформация (энергоемкость) – твердость (абсолютная или относительная)».

2) Выбор методик для определения предельных характеристик: предела текучести, сопротивление разрушению, предельной деформации, энергоемкости, критериев зарождения и распространения трещин, времени инкубационного периода зарождения трещин, степени разрыхления, структуры и макрофрактографий изломов и т. д.

3) Использование обобщающих (феноменологических) уравнений связи предельных характеристик с основными параметрами состояния в компьютерной программе для прогнозирования их поведения и сравнения с экспериментальными данными различных сталей.

4) Разработка и апробирование компьютерной программы при оценках поведения предельных характеристик исследованных сталей.

5) Разработка алгоритма использования компьютерной программы и полученных графических закономерностей поведения предельных характеристик для решения технологических и эксплуатационных задач: а) для оценки состояния КФАС и других классов сталей после различных технологий ТО; б) для оценки работоспособностей нержавеющих сталей в колоннах синтеза пентакарбонила железа; в) выбора взаимозаменяемых технологий ТО сталей.

Объекты и предмет исследования

Объектами исследования являются специальные стали, подвергаемые процессам деформации и разрушения до предельного состояния.

Предметом исследования является поведение характеристик предельного состояния сталей.

Методы исследования

Экспериментальные: оптическая микроскопия (макро- и микроанализ) на микроскопах МБС-10, МИМ-7, растровом электронном микроскопе типа SAMSUNG SEM 515 с применением цифрового фотографирования; рентгеноструктурный анализ (ДРОН-2); измерение релаксации напряжений (оригинальная автоматизированная установка); механические испытания (УМЭ-10Т, компаратор ИЗА-2, КМ-50-1, Роквелл (ТК-2), Виккерс (Zwick), ПМТ-3, МК-30); измерение плотности (аналитические весы АДВ-200); акустические испытания (система «АСТРОН-И»); испытания на зарождение трещин при коррозии под напряжением (схема трехточечный изгиб).

Аналитические: компьютерное моделирование, подбор обобщающих уравнений для предельных характеристик, написание компьютерной программы (с использованием Access 2003), расчеты характеристик предельного состояния, расчёты точности эксперимента.

Научная новизна работы

1. Установлены закономерности поведения предельных характеристик сталей с различной исходной структурой, упрочняемостью, плотностью (поврежденностью), работающих в агрессивной среде, при различных напряжённых состояниях и нагрузках.

2. Выявлены основные факторы – временные, силовые, повреждающие, энергетические, определяющие поведение предельных характеристик сталей.

3. Установлены диапазоны изменения основных факторов состояния материала в зависимости от условий эксплуатации изделий техники.

4. Обобщены уравнения связи характеристик предельного состояния сталей с указанными факторами.

5. Разработана компьютерная программа «Автоматизированная система анализа поведения критериев работоспособности различных сталей» для прогнозирования поведения предельных характеристик сталей.

Практическая ценность работы

1. Разработан алгоритм применения компьютерной программы для моделирования и получения графиков поведения предельных характеристик конкретных марок сталей и сплавов в зависимости от чётырех факторов состояния в заданных диапазонах их изменения.

2. Установлены закономерности поведения предельных характеристик сталей 17Г1С, 14Г2САФ, 17Г2СФ, Х70, Х60, Х50, 12Х18Н10Т, и КФАС, имеющих диапазоны изменения предела текучести 190 750 МПа, сопротивление разрушению 400 1200 МПа, относительного удлинения (сужения) 10 74 (20 85) %, энергоемкости WC 200 1500 МДж/м3, синергетических критериев зарождения (распространения) трещин 0,22 6,6 (0,25 11,3 (МДж/м3)2105) в зависимости от основных факторов (временных, силовых, повреждающих, энергетических), необходимых для выбора взаимозаменяемых сталей и состояний по критериям работоспособности.

3. Установлена связь значений предельных характеристик с видом изломов исследованных сталей после разных ТО с уровнем напряженных состояний при кручении и растяжении, с величинами ударной вязкости, с временем инкубационного периода зарождения трещин, что позволяет более объективно оценивать надежность структур.

4. Проведен анализ повреждаемости, предельных деформаций и расчет устойчивости корпуса деформированного стакана (инв. № 041156) колонны синтеза пентакарбонила железа из нержавеющей стали 12Х18Н10Т и предложена сталь 10ХСНД для ее замены.

5. Приведен метод прогнозирования изменения плотности от степени деформации на примере стали 20Х20Н14С2.

6. Использован алгоритм прогнозирования предельных характеристик 250 марок сталей, имеющихся в базе компьютерной программы. База может быть расширена на любое количество марок сталей и сплавов применяемых в промышленности.

7. Предложена методика выбора взаимозаменяемых технологий термической обработки сталей, обеспечивающая заданный уровень механических свойств.

Апробация работы

Работа доложена на 10 конференциях: на IV, V, VII Международных молодежных научно-техн. конф., 2005, 2006, 2008г. – Н. Новгород. НГТУ; на Всероссийской методической конференции «Информационные технологии в учебном процессе» 6.11.2005г. – Н. Новгород. НГТУ; на Международном междисциплинарном симпозиуме «Фракталы и прикладная синергетика». Москва 14–17 ноября 2005 г. РАН ИМЕТ; на 10, 11, 12, 13 Нижегородских сессиях молодых ученых «Татинец» 2005–2008 г. Н.Новгород; доклад на научной конференции к 90-летию НГТУ октябрь 2007 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, включая свидетельство на программу для ПК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы и приложения. Содержит текст на 235 страницах, 62 таблицы, 169 рисунков (включая фотографии макро- и микроструктуры), список литературы из 100 наименований, приложения в виде акта промышленного использования результатов исследований деформированного стакана колонны синтеза пентакарбонила железа, свидетельства о регистрации компьютерной программы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе на основе анализа литературных данных показано, что предельное состояние материала – многофакторное, комплексное понятие, отражающее поведении металлов под нагрузкой при соответствующем напряженно-деформированном состоянии, включающее представления о достижении предельной нагрузки (напряжения – предела текучести, предела прочности, сопротивления разрушению), предельной деформации (упругой или пластической), предельной (критической) величины разрыхления (изменения плотности), предельной энергоемкости материалов с разной морфологией структуры. Предельное состояние в кристаллических телах не может наступить без предшествующей пластической деформации. Диаграмма деформационного упрочнения кристаллических тел при заданных условиях (температура, скорость деформации, напряженное состояние) является показателем механического поведения металлов, которое на микроуровне определяется процессами: зарождением пластических сдвигов (движением дислокаций) в локальных зонах сильного возбуждения кристалла (металла) при критических напряжениях; релаксацией напряжений при движении дислокаций; образованием разных дислокационных структур; взаимодействием дислокаций, вызывающих как деформированное упрочнение, так и повреждаемость структуры, которая обратным образом влияет на наступление предельного состояния при соответствующем уровне напряженно- деформированного состояния.

Уровень диаграммы упрочнения почти не зависит, а протяженность сильно зависит от механической схемы деформации из-за ее влияния на вероятность процессов разрушения (зарождения, накопления, объединения и распространения трещин). Последнее требует разработки метода прогнозирования поведения предельных характеристик металлов на основе учета максимального числа физических, технологических и эксплуатационных факторов.

Все виды исходной и текущей поврежденности (технологической в пределах 1,2–1,8 %, эксплуатационной в пределах 0,5–2%) снижают характеристики предельного состояния. Представить общую картину связи уровня предельного состояния с каким-либо критерием (прочности, предельной деформации и т. д.) и характером поведения критериев предельного состояния материалов с другими факторами – температурой, скоростью нагружения, напряженным состоянием, характером нагрузки (циклической, статической, постоянной, переменной) – невозможно без фактора поврежденности.

Таким образом, предельное состояние материалов зависит от четырех взаимосвязанных и конкурирующих между собой факторов: силового, временного, дефектного (поврежденность), напряженно- деформированного (энергетического уровня).

Все перечисленные факторы состояния являются вероятностными функциями, поэтому наступление предельного состояния можно представить по формуле Эйнштейна из общих термодинамических соотношений

W =ехр (S/k) ~ ехр (Sтек - Sрвнс/k)~ ехр{-Jstр/k}, (1),

где Sтек, Sрвнс – значения энтропии системы в текущем и равновесном состояниях, k – константа Больцмана, Js – диссипативный поток энергии, равный производной энтропии по температуре, tр – время релаксации. Соотношение конкурирующих потоков определяет развитие и итог пластической деформации.

В синергетике показано, что если процессов много и они связаны между собой, то общая скорость явления взаимодействия определяется самым медленным, а если не связаны – то самым быстрым. При деформации поликристаллов установлено, что определяющими (самыми быстрыми) для итога пластической деформации являются: в области низких (~30–60 К) температур – теплопроводный эффект (теплопроводность в 100 раз выше, чем при 293К); в области средних температур – процессы размножения движения дислокаций; в области высоких (~0,95 К) температур – диффузионный эффект (коэффициент самодиффузии на несколько порядков выше, чем для средних температур). Поэтому в поведении предельного состояния большую роль имеет соотношение скоростей релаксации напряжений и нагружения.

Проблема прогнозирования поведения предельных характеристик металлов с различной поврежденностью (несплошностью) структуры при различных напряженных состояниях и нагрузках является актуальной, она решается частично для отдельных объектов, но до сих пор развита недостаточно и не может развиваться без системного учета всех перечисленных факторов, всегда имеющих вероятностный характер. Устанавливаемые эмпирические величины и графики поведения предельных характеристик (предела текучести, предела прочности, сопротивления разрушению, предела выносливости (усталости), предельной деформации, плотности, твердости, предельной удельной энергии и т.д.) оказываются каждый раз зависящими от случайного сочетания многих факторов и параметров состояния (плавка, состав, чистота), поэтому часто не предсказуемы.

Поставлена цель и сформулирована конкретная задача исследований.

Во второй главе перечислены методики экспериментальных исследований.