Введение к работе
Актуальность темы. Тема "Алюминиевые деформированные сплавы пониженной плотности " входит, в раздел "Металлические - материалы" Государственной научно-технической программы "Перспективные материалы". Различие в составах и структурах материалов на основе алюминия обуславливает различные уровни свойств и характер поведения в конструкции. По прежнему остаются актуальными вопросы обеспечения надежности,., долговечности, выносливости, трещиностойкости деталей машин, прогнозирования работоспособности технических объектов из алюминиевых и прочих материалов. Предметом научного интереса являются сплавы алюминия с литием, обладающие большой прочностью и меньшей удельной массой, чем стандартные широко применяемые сплавы алюминия.
Теоретические свойства конструкционных материалов на практике значительно отличаются от свойств реальной конструкции.. На всем цикле производства материала, от его изготовления ( литья) до механической, обработки может наблюдаться изменение механических свойств, зависящее от многих причин. Работоспособность материала падает. Существует предположение, что определяющим фактором работоспособности изделий является исчерпание запаса его пластичности. Этим обосновывается важность теоретических исследований природы прочности и пластичности материала, физических явлений, протекающих в нем при определенных температурно- временных или температурно-деформационных циклах. Существующие методы исследования материалов недостаточно полно оценивают сопротивляемость материала разрушению в процессе эксплуатации. Поэтому нужны новые методики, позволяющие оценить работоспособность изделий на основе связи характеристик предельного состояния. Перспективным представляется метод построения многопараметрических математических моделей, ' позволяющий обеспечить оперативный прогноз поведения материала при помощи вычислительной машины. Проблемными вопросами являются накопление повреждений в материале, изменение его . плотности в процессе нагружения, способность к релаксации в различных напряженно-деформированных состояниях. Решение этих вопросов должно облегчить понимание процессов, идущих в материале во времени, а значит, создать возможность прогнозирования его поведения в процессе службы, выбора оптимального процесса его изготовления и правильной эксплуатации. Реально оценить работоспособность материала возможно лишь при комплексной программе исследований, охватывающей технологию.. изготовления , механические свойства материала, заданные его химическим составом, уровень дефектности материала, склонность его к релаксации внутренних напряжений и нестабильность структур.
Эти факторы характеризуют состав, структуру и свойства материала, т.е. его состояние. Реакцию материала на внешнее воздействие выявляет приложенное к детали напряженное состояние.
Проблема прогнозирования работоспособности может быть решена с позиций предельного состояния, одной из важнейших характеристик которого является удельная энергия предельной деформации. Эта величина входит а число новых параметров синергетики, есть сложная вероятностная функция , зависящая от структурно-энергетического, напряженно-деформированного состояния, релаксационной способности и дефектности материала. Для решения этой функции необходимо провести целый комплекс испытаний и расчетов.
Стандартные механические характеристики, определяемые при кратковременных статических испытаниях, не всегда отражают сложные изменения, происходящие в материале во времени. Для того, чтсбы учесть этот фактор, требуется новый подход, развиваемый синергетикой. Суть его состоит в представлении материала как открытой термодинамической системы, находящейся а состоянии далеком от равновесия, постоянно самоподстраивающейся и эволюционирующей во взаимоотношениях с окружающей средой. Системный подход, составляющий основу современного научного направления - синергетики занимается изучением систем, состоящих из подсистем самой различной природы. Такие подсистемы приводят к возникновению пространственных, временных или пространственно-временных структур в макроскопических масштабах ( явление самоорганизации).
Синергетика вводит общий принцип подчинения, дающий возможность в сложных системах исключить большое количество переменных и свести задачу к решению небольшого количества переменных, играющих роль параметров порядка.. К числу таких параметров можно отнести перечисленные выше дефектность, прочность, релаксацию напряжений, напряженно-деформированное состояние. В металловедении, физике металлов, теории термической обработки и практике механических испытаний эти параметры, как правило, изучаются раздельно.
Цель работы. Комплексное изучение определяющих поведение параметров у ряда алюминиевых сплавов в закаленном, естественно и искусственно состар- ином состоянии, получение новых соотношений и комплексных величин и прогнозирование на их основе закономерностей изменения параметров разрушения (зарождения и роста трещин), что особенно важно для алюминиевых сплавов пониженной плотности.
Научная новизна диссертации заключается в исследовании:
1) характера поведения предельной пластичности. высокопрочных
алюминиевых сплавов в разных структурных состояниях и анализ соотношений
углов наклона кривой предельной пластичности к оси напряженных состояний и
связи с процессами трещинообразования в материалах;
-
влияния жесткости напряженного состояния на поведение одной из важнейших характеристик работоспособности - удельной энергии предельной деформации Wc и обоснование важности ее критического значения;
-
влияния химического состава и структуры на способность к релаксации внутренних напряжений, выявление корреляций между изменениями механизмов процесса релаксации и характеристиками долговременной прочности; '
4) использования критериев синергетики для описания сопротивления
разрушению алюминиевых сплавов и выбора оптимальных для надежной работы
структурных состояний.
Практическая ценность работы заключается: 1) в предложенной методике ускоренного определения предела выносливости для алюминиевых сплавов при помощи математической модели, включающей в себя показатели основных внутренних факторов, определяющих сопротивление разрушению и 2) оценке" самоорганизации структуры сплавов для создания эффективных технологических процессов изготовления деталей и выбора оптимального структурного состояния. Синергетический подход в металловедении позволяет по-новому рассмотреть эволюцию структуры сплавов в различных структурных состояниях. Металл под нагрузкой проходит ряд стохастических превращений до порога его неустойчивости. В работе показано, что для описания такого порога может служить критическая величина Wc, по достижении которой сплав испытывает самопроизвольный процесс структурной самоорганизации, что важно для прогнозирования эксплуатационных ' характеристик. В работе подтверждено положение о существовании диапазона критического показателя напряженного состояния, общего для сплавов на одной основе. Для алюминиевых сплавов критическое напряженное состояние* реализуется при Пмех от 2 до 3.
Основные положения, выносимые на зашиту.
-
Определение местонахождения сплавов систем Al-Li, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg-Cu на диаграмме структурно-энергетического состояния легких сплавов и обоснование их взаимозаменяемости, v
-
Экспериментально установленные закономерности поведения предельных характеристик сплавов 1420, Діб, Д19, ВЭ5 после рззличных термообработок а)закалка, б) закалка + естественное старение, в) закалка + искусственное старение, обеспечивающих формирование разных структур.
3. Результаты расчетов предельных характеристик алюминиевых сплавов
пониженной плотности как наиболее перспективных для авиастроения.
4. Экспериментально установленные зависимости релаксационной способности
как характеристики скорости самоорганизации структуры сплавов 1420, Д16, Д19,
В95
в различных структурных состояниях, описание протекания микропластической деформации в этих сплавах.
5. Результаты расчетов новых критериев синергетики и их применение для
оптимального выбора структурного состояния сплавов.
6. Расчетная математическая модель для прогнозирования предела
выносливости алюминиевых сплавов.
7. Теоретически установленная связь между скоростью нагружения материала
и его способностью к релаксации, позволяющая прогнозировать предел
выносливости.
Апробация работы. Основные теоретические положения и материалы диссертации обсуждались на международной научно-технической россииско- -германской конференции "Пластическая и термическая обработка современных материалов" (г. Санкт-Петербург, май 199S г.), международном научно-техническом семинаре "Совремееное металловедение для машиностроения* (г. Нижний Новгород, май 1996 г.) на научно-технической конференции "Проблемы машиноведения" (г. Нижний Новгород, январь 1997 г.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов и списка литературы из Jr источников. Работа состоит из /0 страниц текста, Ц рисунков, Л-i таблиц. Общий объем составляет &% страниц, приложение.'
