Введение к работе
.-1. .
Актуальность работы . Элементы конструкций многих современных машин и агрегатов в процессе эксплуатации подвергаются воздействию циклических нагрузок широкого спектра частот, включая высокие звуковые.
Требования высокой надежности элементов конструкций из металлов и сплавов, работающих в жестких условиях знакопеременного нагружения, определяют задачи всестороннего изучения макро- и микромеханизмов, контролирующих процессы структурной позреждае-мосты, а также развитие и совершенствование методов' прогнозирования поведения материалов в изделии по данным лабораторных испытаний.
Высокочувствительными параметрами, . отражающими состояние структуры материала и масштабы ее эволюции под действием напряжений, являются упругие постоянные и уровень рассеяния энергии, что позволяет применять их в качестве критериев поврэгздаемости.
Исследования влияния амплитудно-циклического воздействия на свойства металлов показали необходимость учета дополнительных факторов, получающих развитие в упруго-пластической области нагружения: явлений неупругой деформации и микропластичности. Внешние факторы: уровень напряжений, скорость деформации, температура и др. оказывают существенное влияние на развитие- структурных пе-- рестроек, природу и физические механизмы процессов несовершенной упругости.
Изучение, влияния знакопеременного нагружения в области упру- го-пластических деформаций на структуру и характеристики неупругих свойств особенно важно для промышленных материалов, предназначенных для длительной - работы в условиях высокоамплитудного циклического нагружения в звуковом и ультразвуковом диапазонах частот. К таким материалам относятся двухфазные сплавы с более пластичной ОЦК'фазой, в частности, стали и (ос + в)-сплавы титана.
К настоящему времени накоплен достаточно обширный оксперзиен-.тальный и теоретический материал о влиянии различных факторов ш развитие процессов структурной повреждаемости, кеупруги-э свойски и демпфирующую способ :к л> двухфазных сплавов при значопереыенно нагружении. Однако, остается актуальным вопрос разработки аппа ' ратных средств и принципов измерения упругих и диссипативных ха рактеристик материалов. В недостаточном объеме прозздоЕы исследо .; вания закономерностей амплитудно-циклического воздействия на эф
- A -
фективные упругие параметры, дефект модуля упругости (ДМ) и ха
рактеристики неупругости металлов в' различном структурном состоя
нии. Успешное решение данной проблемы позволяет на этой основе
разработать обобщенные критерии прогнозирования эксплуатационной
надежности и параметров циклической стабильности упругих свойств,
что является особенно необходимым для систем, работающих' в резо
нансном режиме. .-""
Диссертационная работа выполнена в Тульском Государственном техничзеком университете в соответствие с тематическим планом НИР под руководством проф. Д.М. Левина и проф. С. А. Головина.
Дель работы: установление закономерностей влияния структуры
на характеристики неупругости двухфазных сплавов на основе железа
и титана в условиях амшштудно-циклического нагрузкения и разра
ботка ка этой основе методов оценки,их стабильности в ультразву
ковом диапазоне частот. .
Автор защищает: ^/V
способ оценки стабильности неупругйх характеристик конструкционных материалов методом ультразвуковой акустики;
методику определения- и бценки достоверности данных о величине неупругого рассеяния энергии (демпфирующей способности) по методу подводимой мощности;
результаты исследования влияния структуры и термической обработки на накопление структурной повревдаемости и циклическую стабильность упругих и неупругих характеристик двухфазных сплавов на основе гхелеза и титана;
установленные особенности формирования дефекта модуля нормальной упругости в магнитных полях насыщения при высокочастотном нагружении железа и сплавов ка его основе. Установленные граничные значения влияния содержания углерода на ДМ и внутреннее тре-t ниє (ВТ) з магнитных полях насыщения.
режимы термической обработки и способы получения заготовок из высокопрочных титановых сплавов для изготовления упругих элементов, обеспечивающих стабильность параметров упругости в условиях длительных ультразвуковых колебаний при напряжениях близких к пределу выносливости;
Научная новизна:
- разработана методика определения рассеяния энергии (демпфирующей способности) по методу подводимой мощности и оценка циклической стабильности конструкционных материалов;
- 5 - ' - установлены закономерности и этапы формирования структурной повреждаемости в отожженных сплавах системы Fe - С (предельная концентрация С < 0,8 мае. %);
построена концентрационно-силовая карта областей действия механизмов дислокационной неупругости для отожженного железа и конструкционных углеродистых сталей;
определены вклады дислокационного и магнитомеханического механизмов в формирование ДМ и ВТ в железе и сплавах на его основе, а также установлены параметры, контролирующие реализацию этих механизмов;
определены параметры, обеспечивающие нормированную стабильность дефекта модуля упругости в условиях амплитудно-циклического нагружения для материалов с пластичной ОЦК-фазой.
Практическая ценность и реализация результатов работы Разработаны и аттестованы Госстандартом РФ:
методические указания МИ 1699-87 "Методика определения и оценки достоверности данных об относительном рассеянии энергии (демпфирующей способности) металлов и сплавов";
таблицы стандартных справочных данных ГСССД 133-89 "Сплавы системы марганец-медь. Демпфирующие и упругие свойства. Демпфирующая способность при циклических нагрузках до 30 МПа. Модуль нормальной упругости при температурах -80...80 С".
Разработаны и обоснованы методики экспресс-анализа демпфирующей способности и оценки циклической устойчивости упругих параметров, которые используются для контроля свойств сплавов высокого демпфирования на НПО "Тулачермет" (г.Тула)
Результаты работы применимы для прогнозирования циклической стабильности характеристик неупругости конструкционных материалов при знакопеременном нагружении.
Определены режимы упрочняющей термической обработки и эксплуатации упругих элементов из сплавов титана, обеспечивающих гарантированное сохранение уровня упругих свойств в условиях ультразвуковых колебаний при напряжениях близких к пределу выносливости. Полученные результаты внедрены в ЦНИИКМ "Прометей" (г. С-Петер-бург) при производстве упругих элементов (мембран) из сплавов 5В и ВТ14. .
Общая методика исследований
Изучение влияния структуры, числа циклов нагружения, амплитуды деформации и скорости ее изменения, а также процессов возврата
упругих свойств двухфазных материалов проводили на разработанной; и изготовленной в ТулГТУ ультразвуковой высокоамплитудной установке, работающей в автоколебательном режиме и обеспечивающей симметричное однородно-напряженное состояние "растяжение-сжатие" в рабочей части исследуемого образца специальной формы. Микроструктурные исследования проводили на оптических микроскопах МИМ-8, ММР-4 и "Neofot". Термическую обработку образцов проводили в муфельных лабораторных печах и в вакуумной высокотемпературной печи. Измерение твердости, обработку экспериментальных данных и оценку их достоверности выполняли в соответствии с требованиями ГОСТ 8.064- 79, а также с использованием разработанного методического указания МИ 1699-87. Обработку экспериментальных данных ДМ и ВТ проводили на ПЭВМ "Нейрон" и СМ 1914 "Mazovia" с использованием разработанкь.ч пакетов прикладных программ.
Апробация работы Основные результаты исследований доложены и обсуждены на научно-технических конференциях по проблеме (Тула 1988,1991; Киров 1988,1991; Киев 1988; Ижевск 1989, Ереван 1987), а также на 9 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулШ (1985-1994).
Публикации. Основные результаты работы изложены в 9 статьях.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 210 страницах и включает введение, аналитический обзор литературы, методическую главу, две исследовательские главы, заключение, приложение, список литературы; содержит 155 страниц машинописного текста, 53 рисунка, 11 таблиц и библиографический список, включающий 150 наименований.
Похожие диссертации на Формирование неупругих свойств сталей и двухфазных сплавов титана под воздействием ультразвукового нагружения и разработка методов оценки их структурной стабильности
