Библиографическое описание:

Столярчук А. С., Романенко М. Д., Серов И. М., Зубков А. В., Коробов А. В. Статистические закономерности статических и циклических повреждений конструкционных материалов на мезоструктурном уровне // Молодой ученый. — 2015. — №23. — С. 232-235.

 

Исследуется взаимосвязь между шириной петли механического гистерезиса и структурным состоянием конструкционных материалов на мезоуровне. Используя аппарат математической статистики, показано принципиальное различие между статическими и циклическими повреждениями структуры на исследованном уровне.

Ключевые слова: петля механического гистерезиса, статические и циклические повреждения, мезоструктура.

 

Постановка задачи. Как известно, ресурс работы конструкционных материалов в изделиях, например, при эксплуатации нефтехимического комплекса (в том числе, при циклических нагрузках) определяется совокупностью их физико-механических свойств. Эти свойства в процессе работы изменяются, зачастую приводя к аварийным ситуациям, в частности из-за «повреждения» материала в результате искажения его структуры.

Задачами настоящей работы являлись: экспериментальное изучение процессов повреждения структуры конструкционных материалов, а также исследование взаимозависимости дисперсии (неоднородности) этих процессов и макропараметров механического состояния, например, петли механического гистерезиса. Структурным повреждениям ставились в соответствие «локальные деформации», накапливаемые при статическом или циклическом нагружениях.

Масштабный уровень исследования. Большинство современных конструкционных металлических материалов являются поликристаллическими агрегатами. Поэтому при их исследовании и разработке моделей макроповреждения необходимо опираться на экспериментальное изучение процессов накопления локальных повреждений по «элементам» структуры материала. Известно [1], что характер структуры (зерна, субзерна, ансамбли дислокаций, единичные дислокации и пр.) определяется выбором масштабного уровня рассмотрения процессов повреждения.

В настоящей работе для исследований выбран мезоструктурный уровень, на котором в качестве базового элемента структуры рассматривается либо само зерно поликристалла, либо его составляющие (субзерна), то есть масштаб измерения локальных деформаций принят «внутризеренный». Такой подход обусловлен двумя обстоятельствами. Во-первых, накопление повреждений в структурированном материале требует учета этой структуры, что означает отказ от первой гипотезы механики деформирования твердого тела: гипотезы «о д н о р о д н о с т и»! Во-вторых, выбранный масштабный уровень наиболее значим, поскольку интегрально отображает всю информацию о повреждениях на более мелких уровнях, являясь «представительным объемом» [2].

Сравнительный анализ амплитудных зависимостей. Принято считать [3], что макропараметром, отражающим неупругость, то есть локальные микропластические акты (в пределе — до масштабов единичных дефектов строения кристаллической решетки: атомов внедрений, вакансий, единичных дислокаций и пр.), которые и ответственны за общее повреждение материала, является форма петли механического гистерезиса, а в частности — ее ширина .

Рассмотрим экспериментальные зависимости ( — амплитуда напряжения) для моно- и поликристаллической структур (рис. 1). В качестве объекта исследования выбран молибден. Выбор объекта в данном случае не существенен, поскольку нас интересует только сравнительный анализ поведения материала в разных структурных состояниях.

Рис. 1. Амплитудные зависимости для моно- (а) и поликристалла (б) молибдена

 

Как видим, изменение монокристаллической структуры на поликристаллическую влияет на характер амплитудных зависимостей. При переходе от предварительной однократной статической нагрузки к циклической тренировке (1,5·104 …2,75·105 циклов) амплитудные зависимости для поликристалла расходятся (кривые «1» и «2»), чего не наблюдается в монокристаллическом состоянии. Проверка показала, что наблюдаемый эффект качественно подтверждается для конструкционных и инструментальных углеродистых сталей (сталь 20; сталь 45; сталь У7). Это явно свидетельствует: зеренная структура является определяющей, непосредственно влияя на механическое состояние (фиксируемое по петле!) — в данном случае после циклических нагрузок, то есть при усталости.

Таким образом, приведенные результаты подтверждают наше предположение о том, что изучение локального деформирования на масштабном уровне, близком к размеру зерна или его составляющих (на уровне мезомасштаба), будет отражать общие закономерности глобального повреждения материала.

Статистический подход при описании повреждений. Измерение локальных деформаций ( — номер интервала измерения), фиксирующих повреждение мезообъемов на принятом внутризеренном уровне, осуществлялось по известной [4] методике. Исследования проведены на феррито-перлитной стали 20 и титановом сплаве ВТ6 при статическом и циклическом (отнулевом растяжении) нагружениях. С целью установления статистических закономерностей распределения внутризеренных деформаций их измерение осуществлялось на базе 20 мкм, которая для стали 20 была в 3…4 раза меньше размера зерна. При этом объем выборки составлял не менее 100 интервалов. Степень неоднородности оценивали по «коэффициенту концентрации» локальных деформаций , где . Считают [5], что этот коэффициент является одним из структурно-чувствительных параметров неоднородности деформирования материала, то есть дисперсии локальных внутризеренных деформаций. Стандартная ошибка определения деформаций на принятых интервалах измерения контролировалась и не превышала 1 % от номинальных величин.

На рис. 2 представлены графики распределения вдоль геометрической оси цилиндрического образца, подвергнутого предварительно осевому растяжению. Макродеформация () как при статическом, так и при циклическом растяжении накапливалась за три равные ступени (5+5+5 %). Как видно (рис. 2, а), остаточная деформация распределяется крайне неоднородно так, что значения для стали 20 достигают величин ~ 2,5, а для титанового сплава ВТ6 еще больше ~ 3…4). Для обоих материалов отмечается достаточно устойчивое, почти 100-процентное, закрепление очагов деформирования при статическом испытании.

Рис. 2. Графики изменения для стали 20 на трех ступенях (а) деформации и поля регрессии (б) коэффициентов концентрации

 

При переходе к циклическим нагрузкам наблюдается принципиально иная картина. Во-первых, четкое закрепление очагов деформирования исчезает, что уже говорит о другом характере накопления повреждений. Во-вторых, на графиках в некоторый момент появляются резкие пики. Проведенный на микроскопе Olympus BX-61 металлографический анализ показал наличие усталостных трещин на этих участках (для стали 20 это демонстрирует рис. 3); значит наблюдаемые пики это не следствие деформации, а результат раскрытия «берегов трещины» у поверхности, что означает: вторая гипотеза механики деформирования твердого тела — гипотеза «с п л о ш н о с т и» в процессе циклического нагружения, то есть при усталости материала, не справедлива!

Рис. 3. Усталостная трещина в стали 20

 

Полученные выводы подтверждаются и при рассмотрении эмпирических линий регрессии коэффициентов концентрации (рис. 2, б) предыдущей () и последующей () стадий деформирования. Номер стадии при этом принимал два значения: . Изменение характера накопления повреждений при циклических нагрузках здесь интерпретируется, с одной стороны, расширением поля регрессии (за счет потери «сплошности»), а с другой, — нарушением закреплений, что отображается отклонением эмпирической линии регрессии от биссектрисы (см. рис. 2, б) по сравнению с их практическим совпадением при статическом растяжении. Так, подсчет ортогональных коэффициентов уравнения линии регрессии показал, что в отличие от статического повреждения (), при переходе к циклическому . То есть в среднестатистическом аспекте концентрация деформаций после циклического воздействия уменьшается по сравнению со статическим — соответственно, кривая «2» на рис. 1, б становится более пологой, чем кривая «1». Этот эффект подтверждается и для других материалов: титанового сплава ВТ6, стали 45 и молибдена.

Резюме. Полученные экспериментальные результаты диктуют необходимость отказа для поликристаллических конструкционных материалов, рассматриваемых на мезомасштабном уровне, от двух фундаментальных гипотез механики деформирования твердого тела уже в начале усталости. Они же подтверждают принципиальное различие характера накопления повреждений при статическом и циклическом нагружениях. Кроме того, ширина петли механического гистерезиса, по нашим данным, непосредственно зависит от мезоструктуры материала, а значит может адекватно отображать изменения этой структуры, то есть повреждение материала в процессе циклических нагрузок.

 

Литература:

 

  1.                Панин, В. Е. Структурные уровни пластической деформации и разрушения / В. Е. Панин, Ю. В. Гриняев, В. И. Данилов и др. — Новосибирск: Наука. — 1990. — 255 с.
  2.                Багмутов, В. П. Методика определения представительного объема в поликристаллических конструкционных материалах / В. П. Багмутов, А. С. Столярчук, А. В. Коробов // Известия ВолгГТУ. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». — Волгоград, 2013. — № 15 (118). — C. 71–74.
  3.                Трощенко, В. Т. Механическое поведение материалов при различных видах нагружения / В. Т. Трощенко и др. — Киев: Логос, 2000. — 571 с.
  4.                Гурьев, А. В. Исследование микроособенностей деформации реальных сплавов / А. В. Гурьев, Л. В. Кукса, Ю. Д. Хесин. — Известия АН СССР. Металлы. — 1967. — № 2. — С. 122–129.
  5.                Романов, А. Н. Особенности рассредоточенного трещинообразования в связи с неоднородностью развития деформаций при малоцикловом нагружении / А. Н. Романов, М. М. Гаденин. — В кн.: Структурные факторы малоциклового разрушения металлов. — М.: Наука. — 1977. — С. 39–50.
Основные термины: петли механического гистерезиса, конструкционных материалов, механики деформирования твердого, локальных деформаций, закрепление очагов деформирования, деформирования твердого тела, накопления повреждений, циклических повреждений конструкционных, Похожая статья, характера накопления повреждений, структуры конструкционных материалов, неоднородности деформирования материала, титанового сплава ВТ6, конструкционных материалов в изделиях, статическом и циклическом, состоянием конструкционных материалов, внутризеренных деформаций, циклических нагрузках, повреждение материала, гипотезы механики деформирования

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle