Введение к работе
Актуальность темы исследования. В оценках качества металла конструкционного и инструментального назначения основную роль играют лабораторные механические испытания. При этом многовековое применение металла сопровождалось постоянным их совершенствованием, направленным на повышение результативности в решении задач по оценке служебных и технологических свойств металла. Это предполагало совершенствование методов испытания, используемого оборудования, а также обобщение результатов этой непрекращающейся работы.
В последнее значительный вклад внесли отечественные ученые СИ. Губкин, Я.Б. Фридман, В.Л. Колмогоров, М.Л.Бернштейн, Г.А. Смирнов-Аляев, B.C. Золо-торевский и многие другие. На основе опубликованных ими фундаментальных инженерных анализов и учебной литературы формировался и продолжает формироваться профессионализм отечественных специалистов, занимающихся изучением механических свойств и проведением механических испытаний металлов.
Процесс совершенствования механических испытаний, естественно, продолжается и на современном этапе развития техники. Этому способствует возрастающая возможность использования современных информационных технологий и комплектование испытательных машин программным обеспечением с многообразными функциями. При этом компьютеризация обработки результатов, с одной стороны, повышает информативность проводимых испытаний, с другой стороны, исключает субъективные погрешности в обработке результатов испытаний.
Приоритетная роль в совершенствовании механических испытаний отводится применению инновационных подходов в их методах и обработке получаемых в них результатов. В частности это относится к растяжению, как наиболее широко применяемому испытанию в современной практике стандартных механических испытаний металла. К настоящему времени сформировался ряд механических характеристик, определяемых в этих испытаниях, которые используются для ранжирования металлов по показателям прочности и пластичности. При этом, информативность и результативность испытаний на растяжение значительно повышается, если в них по стандартизованной методике дополнительно определять характеристики, позволяющие ранжировать металлы по совокупному проявлению прочности и пластичности, которое находит выражение в виде энергии (работы), поглощаемой металлом при пластической деформации.
Аналогичный подход представляется целесообразным и к испытанию на сжатие. В настоящее время сжатие рассматривается чаще всего как технологическое испытание для выявления дефектов, инициирующих разрушение металла при деформировании. Как представляется, определение в этом испытании работы деформации позволит использовать его в прогнозировании технологичности металла при объёмной штамповке, а также долговечности в условиях эксплуатации металла, сопровождаемых сжатием.
В диссертации рассматриваются такого рода инновации, связанные с проведением инженерных анализов сопротивления металла деформации, а также наклёпа, как перспективного способа формирования востребованных механических свойств металла.
Определение сопротивления деформации необходимо для прогнозирования работоспособности металла в готовых изделиях и технологичности в механической обработке. Изучение проявления наклёпа востребовано управлением качеством металла, подвергаемого технологическому деформированию и последующей термической обработке, для использования его в формировании требуемых свойств металла.
Тем самым предопределяется актуальность рассматриваемой темы.
Степень разработанности темы представляемой работы. Оценки сопротивления деформации и проявления наклёпа фундаментально обсуждаются в ряде известных работ различных авторов (Г.А. Смирнов-Аляев, В. С. Золоторевский и многие другие). Тем не менее, возможности использования современных испытательных машин, а также современные технологии изготовления испытуемых образцов и компьютерные возможности обобщения результатов испытаний, обуславливают дальнейшее развитие оценок, необходимое для широкого применения их в инженерных анализах и руководящих материалах по управлению качеством металла.
Тем самым степень разработанности рассматриваемой темы представляется недостаточной, что вызывает необходимость дальнейшего её развития.
Диссертация явилась продолжением ряда изысканий, проводившихся на кафедре «Металловедение, пластическая и термическая обработка» НГТУ. Прежде всего, это относится к исследованиям характеристик механической работы, проявляемых в процессе деформирования металла (В. А. Скудное).
Целью представляемой диссертационной работы является обоснование разработки усовершенствованных испытаний на растяжение и сжатие, обеспечивающих повышение их информативности при прогнозировании свойств металла, проявляющихся в результате его технологического и эксплуатационного деформирования.
Для её достижения решаются общие задачи, связанные с совершенствованием методологических подходов в экспериментальных оценках:
сопротивления деформации металла при технологическом и эксплуатационном механическом воздействии;
значительных степеней (интенсивности) деформирования в технологиях механического формообразования обработкой давлением;
влияния значительного наклёпа и контролируемой термической обработки, последующей за ним, на микроструктуру и механические свойства металла.
Научная новизна работы:
сформулировано (с использованием представлений о диссипации энергии) понятие «энергетическая податливость», как приоритетного механического свойства, характеризующего сопротивление металла накоплению интенсивности деформации при технологическом и эксплуатационном механическом воздействии;
предложены критерии энергетической податливости, характеризующие сопротивление накоплению деформации при нарастающем механическом воздействии, интегрируемые с механическими характеристиками, традиционно выявляемыми в испытаниях металла на растяжение и сжатие;
выполнена (на примере технически чистой меди) количественная оценка изменения характера упрочнения металла в результате деформации, при которой уровень возникающих напряжений превышает временное сопротивление, выявляемое в испытании на растяжение, подтверждающая проявление трансформации дислокационного сценария деформационного упрочнения.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Наряду с отмеченной научной новизной, по результатам информационно-аналитического обзора и исследований, проведённых в работе, обоснована целесообразность обновления методов испытаний металла на растяжение и сжатие, предусматривая:
оценку в научных и инженерных анализах энергетического сопротивления металлов технологическому и эксплуатационному механическому воздействию с определением работы деформации;
полиноминальную аппроксимацию диаграмм деформации в испытании металлов на растяжение и сжатие, позволяющую наиболее точно отразить детали всех
участков диаграммы и максимально упростить интегрирование при определении работы;
применение самоклеющейся измерительной сетки окружностей (СИС) и образцов, имеющих конфигурацию дисков, для анализа технологий формообразования со значительными деформациями;
выявление зависимостей между твёрдостью металла и интенсивностью значительных его деформаций, используя лабораторную прокатку и сжатие;
анализ упрочнения металла, прошедшего интенсивную пластическую деформацию, с определением стандартных показателей прочности, выявляемых в испытании растяжением;
применение СИС в испытании на растяжение для определения критической деформации, характерной для анализируемого металла, длины рабочей части образца, претерпевающего сосредоточенное удлинение, и коэффициента нормальной пластической анизотропии;
использование фотографирования с последующим компьютерным анализом для выполнения линейных измерений при определении интенсивности деформации.
Обновлённые методы механических испытаний нашли отражение в учебном
пособии «Введение в механические свойства металла» (автор диссертации является
одним из соавторов данного пособия), используемом в учебном процессе НГТУ, и
руководящих материалах «Инструкция по определению энергетических
характеристик деформируемости металла при испытании на растяжение»,
разработанных металлургической компанией «ВолгоСтальПроект»
(г. Н. Новгород).
Методология и методы исследования. Решения поставленных задач базируются на вновь разработанных методах механических испытаний, предусматривающих усовершенствование:
энергетических оценок работы пластической деформации, использующих полиноминальную аппроксимацию кривых растяжения и сжатия;
дюрометрических оценок интенсивности пластических деформаций в испытании на сжатие, использующих измерения деформации торцов испытуемых образцов, и лабораторной прокаткой, используя для измерений деформаций СИС и образцы, выполненные в форме дисков;
определения в испытании на растяжение стандартных механических характеристик металла, предварительно прошедшего прокатку с контролем интенсивности деформации по СИС;
определения в испытании на растяжение критических деформаций, коэффициента нормальной пластической анизотропии и длины рабочей части образца, претерпевающего сосредоточенное удлинение, используя разметку СИС.
Объектом проводимых исследований являлся металл (технически чистая медь и конструкционные сплавы на основе железа и никеля) различного химического состава, находящийся в структурном состоянии, характерном, как для металла, предназначенного для пластического формообразования, так и для металла, используемого в условиях значительного механического воздействия.
Предметами проводимых исследований являлись:
режимы пластической и термической обработки (степень деформации, температурно-временные режимы нагрева);
показатели деформированного состояния металла (главные деформации, интенсивность деформации) и деформационного упрочения (наклёпа) в лабораторном, технологическом и эксплуатационном механических воздействиях;
диаграммы деформации в лабораторных механических испытаниях растяжением и сжатием с выявлением показателей прочности, пластичности и энергоёмкости;
микроструктура, твёрдость, микротвёрдость после пластической и последующей термической обработки, а также плотность, как физическое свойство, традиционно используемое при изучении последствий пластической деформации. (Рассмотрение данных по плотности представлено в диссертации).
При выполнении исследований применяли лабораторные приборы и испытательные машины, используемые в ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» (Саров), ОАО «ГАЗ», ООО «Бултен Рус» (Н.Новгород), позволяющие выполнять исследовательские работы на самом современном уровне. Так, испытание на растяжение и сжатие выполняли на испытательных машинах, программное обеспечение которых предусматривало обработку данных индукционной тензометрии и выдачу значений стандартных механических характеристик и диаграмм деформирования. Анализ микроструктуры выполняли на микроскопе, оснащённым программным комплексом, с помощью которого определяли размер зёрен анализируемых образцов. В исследовании микротвёрдости использовали твердомер, на котором измерение диагоналей отпечатка индентора выполняется в автоматическом режиме и представляется в значениях твердости, выражаемых в единицах HV, НВ и HRC.
Для технологических исследований использовали действующее оборудование предприятий ЭМЗ «Авангард» (г. Саров) и «Бултен Рус» (г. Н. Новгород).
Положения, выносимые на защиту
1. Представление об «энергетической податливости» как приоритетной
величине, количественно характеризующей сопротивление металла накоплению
интенсивности пластической деформации, и определение численного значения этой
величины.
2. Определение работы пластической деформации в испытании на растяжение
и сжатие с аппроксимацией деформационных кривых в виде полиномов.
(Техническое решение, защищенное патентом РФ № 2393454).
3. Дюрометрические оценки интенсивности пластических деформаций с
использованием:
-
лабораторной прокатки образцов, размечаемых измерительной сеткой окружностей, и образцов-дисков. (Техническое решение, защищенное патентом РФ №2553829);
-
интенсивностей деформаций в лабораторном испытании на сжатие, определяемых по главным деформациям в плоскости торца испытуемого образца. (Техническое решение, защищенное патентом РФ № 2609817);
3.3. фотографирования в комплексе с компьютерным анализом для
определения деформаций в различных механических испытаниях.
4. Применение измерительной сетки окружностей для выявления
интенсивности локальных деформаций по всей длине металлического образца,
подвергаемого растяжению, с целью определения:
4.1. критической интенсивности деформации металла, проявляющейся при
рекристаллизационном отжиге;
4.2. длины участка рабочей части образца, претерпевающего сосредоточенное
удлинение;
4.3. коэффициента нормальной пластической анизотропии проката стали,
предназначенного для листовой штамповки.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивалась, с одной стороны корректным использованием общепринятых терминов, теоретических положений и методологии, с другой стороны - апробированием предлагаемых методов в проведённых исследованиях с применением современного оборудования для механических испытаний и металлографических исследований, а также проведением необходимого и достаточного количественного статистико-математического анализа получаемых результатов.
Материалы диссертации были доложены и обсуждены на Международных молодежных научно-технической конференциях «Будущее технической науки» (г. Н. Новгород, 2014 и 2015 г.г), Международном научном семинаре «Проблемы черной металлургии - 2014» (г. Череповец), Нижегородской сессии молодых ученых (г. Арзамас, 2015 г.), научно-технической конференция «Молодежь в науке» (г. Саров, 2015 г.), научно-производственной конференции «Кулибинские чтения» (г. Саров, 2015 г.).
Публикации. Материалы диссертационного исследования представлены в монографии и 29-ю публикациями в научно-технических журналах, сборниках научных трудов и материалах конференций, в том числе 16-ю статьями, опубликованными в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ для диссертационных публикаций (четыре из них перепечатаны в англоязычных журналах). По предложенным в работе техническим решениям получены три патента РФ.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация изложена на 217 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (105 источников) и Приложения (дополнительные данные по микроструктуре и примеры освоения новых разработок), содержит 43 таблицы и 63 рисунка (диаграммы, графики и фотографии, иллюстрирующие обсуждаемые данные).
Личный вклад автора в проведении работы. Основной объём механических испытаний, металлографических исследований и обобщения полученных данных выполнен непосредственно автором диссертации при участии соавторов (представленных в списке опубликованных работ). Автор является основным участником постановки и планирования всех диссертационных исследований, проводившихся в лабораторных и производственных условиях, и их организатором с изготовлением значительного объёма испытуемых образцов из металла, более чем 20 марок. При этом автором диссертации была разработана и реализована методология фотографирования в сочетании с компьютерным анализом для определения деформаций самоклеющейся измерительной сетки и торцов сжимаемых образцов.