Оценка степени поврежденности конструкционных материалов по изменению деформационного рельефа поверхности стали тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.09, кандидат наук Демченко, Артем Альбертович

• Демченко, Артем Альбертович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Демченко, Артем Альбертович

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Анализ исследований степени поврежденности металла по профилю поверхности в условиях малоцикловой усталости

1.1 Проблемы малоцикловой усталости

1.2 Деформационный рельеф поверхности

1.3 Методы исследования поверхности конструкционных материалов

1.4 Фрактальный подход к оценке параметров деформационного рельефа поверхности

1.5 Особенности оценки степени поврежденности сталей 33 Выводы по первой главе

2 Оборудование и методики исследования

2.1 Объект исследования

2.2 Методика усталостных нагружений

2.3 Оборудование для исследования морфологии деформационного

40

рельефа

2.4 Программное обеспечение для обработки полученных данных 46 Выводы по второй главе

3 Исследование изменения морфологии деформационного рельефа поверхности металла

3.1 Подбор оптимального режима съемки поверхности стали на ЬБМ

3.2 Обработка сканированной поверхности стали в программном комплексе 7ЕИ-2008

3.3 Результаты исследования изменения морфологии деформационного рельефа поверхности металла

Выводы по третьей главе

4 Вычисление фрактальной размерности деформационной поверхности металла с применением результатов измерений парамет- 63 ров рельефа

55

57

68

71

4.1 Определение одномерных фрактальных характеристик рельефа методом нормированного размаха

4.2 Определение двумерных фрактальных характеристик рельефа методом агрегирования интегральной дисперсии

4.3 Определение трехмерных фрактальных характеристик рельефа методом объемного «box-counting» с помощью алгоритма SDBC

4.4 Сравнительный анализ зависимостей фрактальной размерности деформационного рельефа поверхности, определенной разными 74 методами, от степени поврежденности

4.5 Моделирование на атомарном уровне зарождения «нанотрещин»

76

в поликристаллах на начальной стадии развития деформации Выводы по четвертой главе

5 Разработка метода определения степени поврежденности нефтегазового оборудования по изменению фрактальной размерности 84 деформационного рельефа поверхности

Выводы по пятой главе

Основные результаты и выводы

Список использованных источников

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка степени поврежденности конструкционных материалов по изменению деформационного рельефа поверхности стали»

ВВЕДЕНИЕ

Значительная доля технологического оборудования нефтегазоперерабатывающей отрасли изготовлена из конструкционной стали ВСтЗсп5: резервуары, технологические трубопроводы, теплообменное оборудование, цилиндрические емкости, аппараты. Данное оборудование зачастую эксплуатируется в условиях циклического нагружения, которое в конечном итоге приводит к разрушению. Наибольшую опасность представляет упруго-пластическая область деформирования, поскольку разрушение происходит с большой скоростью. В целях предупреждения аварийного разрушения объектов необходимо проводить оценку технического состояния и ресурса оборудования. Совершенствование методов оценки ресурса требует наличия информации о состоянии материала и динамике его изменения при накоплении повреждений в условиях знакопеременного нагружения.

Известно, что значительная часть разрушений начинается с поверхности и подповерхностных слоев. Поэтому информация об изменениях на поверхности может служить в качестве оценочной характеристики состояния материала. При накоплении материалом усталостного повреждения на его поверхности образуется деформационный рельеф. Систематические исследования процессов, происходящих при усталости металла, показывают изменение деформационного рельефа, что создает предпосылки для возможности количественной оценки накопленного усталостного повреждения. В связи с этим, целесообразно определить взаимосвязь степени поврежденности и изменения деформационного рельефа, формирующегося при циклическом нагружении.

Многочисленные исследования (Е.А. Наумкина, О.Г. Кондрашовой, А.Т. Шарипкуловой, Т.Р. Бикбулатова и многих других) зависимостей физических параметров: температурного градиента порога

хладноломкости, среднего размера зерна, предела

прочности, поверхностной энергии, скорости ультразвука, скорости коррозии, относительной напряженности магнитного поля от степени поврежденности показывают характерные экстремумы в областях поврежденности Nj/Np = 0,3-Ю,4 и Nj/Np = 0,7-Ю,8 (Nj/Np - отношение количества циклов нагружения на момент измерения к количеству циклов до разрушения). В работе B.C. Ивановой показано, что при накоплении материалом критической энергии происходит смена механизмов адаптации материала к внешним воздействиям, что объясняет наличие экстремумов на зависимостях. Большой интерес представляет выявление масштабного уровня, на котором происходит смена механизмов адаптации.

В связи с вышеизложенным, целью диссертационной работы является установление взаимосвязи параметров деформационного рельефа поверхности стали ВСтЗсп5 и степени поврежденности, накопленной при малоцикловой усталости, и выявление масштабного уровня, на котором происходит смена механизмов адаптации стали.

Для достижения поставленной цели в работе ставились следующие задачи исследования:

- Освоить методики бесконтактной ЗБ-съемки деформационной поверхности с помощью конфокальной лазерной сканирующей микроскопии, выявить физические основания фрактальных закономерностей процесса развития деформационного рельефа, провести фрактальный анализ сталей при малоцикловой усталости разными методами с определением их фрактальных характеристик.

- Установить зависимости изменения параметров деформационного рельефа поверхности в стали ВСтЗсп5 от степени накопления усталостных повреждений в области упруго-пластической деформации на разных масштабных уровнях, используя сравнительный анализ дисперсионных и фрактальных методов (RSa и Df) оценки деформационного рельефа

поверхности и степени изменения его параметров под влиянием

знакопеременных нагрузок.

- Разработать методики фрактального подхода разного типа (одномерного, двумерного и трехмерного) для анализа динамики развития морфологии деформационного рельефа поверхности стали при накоплении усталостных повреждений. Разработать рекомендации по применению параметров деформационного рельефа при оценке состояния стали ВСтЗсп5, подверженной циклическому нагружению.

Поставленные задачи решались с использованием экспериментальных методов исследования морфологии деформационного рельефа поверхности при малоцикловом нагружении по схеме кругового консольного изгиба. Для реализации получения ЗЭ топографий рельефа поверхности применялся конфокальный лазерный сканирующий микроскоп Ь8М-5-Ехс^ег. В качестве исследуемого материала была выбрана сталь ВСтЗсп5, как наиболее широко распространенная при изготовлении оборудования нефтегазовой отрасли. По результатам исследований было обосновано применение дисперсионного И^а и фрактального Бг подходов к исследованию малоцикловой усталости металла нефтегазовых конструкций.

Научная новизна работы заключается в том, что интегральный параметр ЯБа шероховатости деформационного рельефа поверхности стали ВСтЗсп5 при накоплении усталостных повреждений в области упругопластических деформаций имеет тенденцию к росту, достигая значительной скорости в потенциальной зоне разрушения, а также стадийность, характеризуемую двумя экстремумами в областях =

0,3-Н),4 и Н/Ир = 0,7-Ю,8 степени поврежденности, наиболее выраженными на наноуровне.

Зависимость фрактальной размерности деформационного рельефа поверхности стали ВСтЗсп5, полученная методом агрегирования интегральной дисперсии, от уровня накопленных повреждений при

малоцикловой усталости подтверждает наличие двух

участков поврежденности Ni/Np = 0,2-Ю,4 и Nj/Np = 0,6-Ю,8 с немонотонным распределением фрактальной размерности.

Зависимости фрактальной размерности поверхности стали ВСтЗсп5 от степени поврежденности, полученные методом нормированного размаха и методом объёмного «box-counting» на разных масштабных уровнях, показали значимость каждого масштабного уровня на динамику формирования деформационного рельефа. При этом в интервале Nj/Np = 0,(НО,4 происходит неоднородное образование дефектов на всех масштабных уровнях, особенно выраженное на нано-уровне; в интервале Ni/Np = 0,4-Ю,8 происходит одновременное распространение дефектов на всех масштабных уровнях; в интервале N/Np = 0,8-^1,0 до полного разрушения фиксируется резкий рост фрактальной размерности, преобладающий на субмикроуровне..

По результатам исследования разработана методика «Определение степени поврежденности стали ВСтЗсп5 по зависимости параметров деформационного рельефа поверхности от степени накопления усталостных повреждений при малоцикловой усталости», которая используется в учебном процессе при проведении лабораторных занятий по дисциплине «Оценка накопленных повреждений и предельного состояния материала» для подготовки магистров по направлению 151000 Технологические машины и оборудование ФГБОУ ВПО УГНТУ.

Основные положения, выносимые на защиту:

- зависимости параметра шероховатости RSa деформационного рельефа поверхности стали ВСтЗсп5 от степени накопления усталостных повреждений;

- методики вычисления одномерной, двухмерной и трехмерной фрактальной размерности параметров шероховатости RSa поверхности стали ВСтЗсп5;

- зависимости фрактальной размерности параметров шероховатости

Ь^а поверхности стали ВСтЗсп5 от степени накопления

усталостных повреждений;

- масштабный уровень, на котором происходит смена механизмов адаптации стали ВСтЗспб к внешним воздействиям.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих конференциях: 61-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2010 г.); 62-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (Уфа, 2011 г.); VII Международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов» (Черноголовка, 2012 г.); семинар УНГТУ «Остаточный ресурс нефтезаводского оборудования» (Уфа, 2013

г.).

Автор выражает благодарность своему научному руководителю

д.т.н., профессору И.Р. Кузееву и консультанту по исследовательской части д.т.н., доценту Е.А. Наумкину за оказанную помощь при постановке задач и анализе результатов исследований.

1 Анализ исследований степени поврежденности металла по профилю поверхности в условиях малоцикловой усталости

1.1 Проблемы малоцикловой усталости

Явление усталостного разрушения было открыто В. Ранкином и А. Велером более ста лет тому назад [36]. Значительные успехи в изучении усталости были достигнуты несколькими коллективами ученых, в частности, под руководством Н.М. Беляева, H.H. Давиденкова, И.А. Одинга, Д.И. Гольцева, Г.С. Писаренко и В.Т. Трощенко, C.B. Серенсена, Л.И. Савельева, М.В. Воропаева, К.К. Симинского, H.H. Афанасьева С.Д., Волкова, Р.Д. Вагапова, H.H. Вассермана и В.А. Гладковского, И.А. Биргера, А.И. Кочетова и А.Д. Кролевецкого.

Явление разрушения под действием циклических напряжений, вызывающих пластическую деформацию материала, получило название малоцикловой усталости.

На рисунке 1.1 приведена схема усталостной кривой [37].

Hepanipan ршшжмцнесм yv uliim'I >шг i решшш

0 Мс 5 • 104 Л'с N

число циклов нагружения

ав - предел прочности; ап- напряжение разрыва; ак - критическое напряжение; оя(\у) - предел усталости; атц - циклический предел текучести, 1ЧК - критическое

число циклов Рисунок 1.1 - Полная кривая усталости:

Традиционно на кривой усталости выделяются две области: область малоцикловой (до 105 циклов) [37] и многоцикловой усталости (107-109 циклов). В последние десятилетия исследуется также область гигацикловой усталости (109-Ю10 циклов) [37]

Точке А соответствует временное сопротивление, при котором разрушение происходит за первый цикл. На участке АБ излом носит квазистатический характер. Участок БВ соответствует началу усталостного разрушения. Появляется усталостная трещина, продвигающаяся вперед при каждом новом цикле нагружения.

Малоцикловая усталость характеризуется наличием макроскопических пластических деформаций, охватывающих значительную часть сечения детали [1]. Область малоцикловой усталости детально изучалась в работах C.B. Серенсена, А.П. Гусенкова, P.M. Шнейдеровича, H.A. Махутова, С.С. Мэнсона, Л.Ф. Коффина, Б.Ф. Лангера и др.

Последствия разрушений усталости могут носить серьёзный характер. В декабре 1977 года на Череповецком химзаводе произошел разрыв стенки сушильной башни толщиной с образованием магистральной трещины длиной около 7 метров и шириной от 3 до 5 мм [2]. 10 января 1977 года произошло крушение 85-метрового танкера "Честер Поллинг". Судно попало в суровый зимний шторм. Высота волн превышала 10 метров [2]. В 1978 году обрушился мост в городе Туре. Тросы лопнули в тот момент, когда на мост въехал нагруженный двумя легковыми автомобилями и мотоциклом грузовик [2].

В отличие от обычной (многоцикловой) усталости малоцикловая усталость имеет три специфические особенности [1]: уровень высоких напряжений (деформаций), обусловливающий долговечность материала не более 105 циклов; низкую частоту циклических нагрузок (не более 50 цикл/мин, чаще всего — 0,1 —10 цикл/мин); наличие контролируемого параметра — вида нагружения (по предельной нагрузке или «условному»

напряжению — мягкое нагружение, а по предельной деформации — жесткое нагружение).

При циклической упруго-пластической деформации, так же как и при статической, образуются резкие полосы скольжения, число которых в процессе циклического деформирования увеличивается. Большие амплитуды вызывают возникновение глубокого сдвига и его распространение на расстояние, равное сотням периодов решетки, — отсюда немедленное появление видимых полос. При малоцикловой усталости зерна сразу же превращаются в разориентированные блоки, в то время как при обычной усталости ориентация внутри зерен не изменяется, что легко обнаруживается рентгеноструктурным анализом.

Циклическая упруго-пластическая деформация обычно рассматривается как трехстадийный процесс [1]. На первой стадии происходят структурные изменения и накопление дефектов решетки — эта стадия занимает около 1 % общей долговечности. В течение второй стадии на структурные изменения накладывается деструкция — зарождение и распространение первичных усталостных трещин. На этой стадии внутри зерен образуются видимые микроскопические блоки, разделенные трещинками; величина блоков обычно определяется амплитудой первого цикла и не изменяется при последующем деформировании. На третьей стадии мелкие трещины сливаются в магистральную трещину, которая распространяется вглубь и является непосредственной причиной разрушения. В физике прочности и пластичности выделяются три масштабных уровня процесса пластической деформации в окрестности любой точки тела и вершины трещины усталости: микроскопический, мезоскопический и макроскопический [36]. Процессы, происходящие на атомном и молекулярном уровнях, относятся к микроскопическому уровню, поведение ансамблей атомов - к мезоскопическому, поры и трещины - к макроуровню.

Закономерности процесса распространения трещины при малоцикловой усталости зависят от характера разрушения металла — межзеренного (интеркристаллитного) или внутризеренного (транскристаллитного). Как правило, при напряжениях ниже предела текучести металла, происходит транскристаллитное разрушение, а выше предела текучести — интеркристаллитное. При напряжении, приближающемся к пределу текучести, существует переходная зона, где наблюдаются одновременно оба вида разрушения.

1.2 Деформационный рельеф поверхности

Усталостное разрушение начинается с поверхности металлических материалов. Это связано с тем, что наиболее интенсивная пластическая деформация протекает в приповерхностных слоях, глубиной порядка размера зерна [21, 46]. Поведение и состояние этого слоя определяют долговечность до зарождения усталостных трещин и, во взаимосвязи с характеристиками всего объема материала, обусловливают уровень предела выносливости, а также уровень порогового коэффициента интенсивности напряжений, необходимого для начала усталостной трещины. [37]. Роль поверхности в зарождении разрушения является предметом многочисленных исследований металлов. Изучается влияние поверхностных слоев в зарождении дислокационных петель, приповерхностных трещин, а также влияние свободного объема в приповерхностных слоях на начало разрушения.

В ходе пластической деформации металлического образца на его поверхности уже после нескольких циклов нагрузки формируется деформационный рельеф и развивается до появления усталостной трещины. Характеристики рельефа определяются микроструктурой, которая эволюционирует в процессе пластической деформации. Знакопеременные нагрузки вызывают упругопластические деформации в локальных зонах

материала. Рост плотности дислокаций и их последующая самоорганизация приводит к изменению деформационных механизмов, что является причиной деградации физического состояния металла и его разрушения. Поэтому исследования динамики развития деформационного рельефа для установления степени деградации механических свойств металла при знакопеременном нагружении является актуальной задачей.

1.2.1 Полосовая дислокационная структура. Полосы скольжения. Экструзии и интрузии

Полосовой тип дислокационной структуры представляет собой протяженные, в пределах одного зерна, плотные дислокационные стенки. Иногда внутри этих объемов видны отдельные дислокации, а также разделяющие их поперечные дислокации границы субзерен. В участках металла, в которых имеется полосовая структура, наблюдаются знакопеременные чередования дифракционного контраста (в виде темных и светлых полос). В некоторых зернах полосовая структура возникает в начале стадии насыщения: 0,4 от ожидаемой долговечности [38].

Изучение дислокационной структуры на стадии зарождения полосовой структуры показывает, что при ее возникновении на поверхности образца еще не выявляются устойчивые полосы скольжения. Интенсивность развития полосовой структуры убывает по мере удаления от поверхности образца; в отдельных случаях она встречается на глубине до 450 мкм от поверхности образца. Наблюдения на электронном микроскопе в поверхностных слоях толщиной до 30 мкм (в случае железа) показывают, что еще с момента циклической текучести сохраняется повышенная плотность дислокаций.

Дальнейшее циклическое нагружение сопровождается еще большим образованием полосовой структуры. В большинстве зерен образуется

типичная ячеистая структура с вытянутыми ячейками, в остальных — полосовая структура [38].

Полосы скольжения являются наглядным признаком пластической деформации. Они состоят из разного числа линий скольжения (рисунок 1.2). Под условным термином линии понимается след скольжения в одной плоскости на свободной поверхности. Это — след относительного взаимного перемещения кристаллографических плоскостей в результате перемещения дислокаций. По мере роста нагрузки происходит заполнение линиями скольжения зон между ранее образованными линиями скольжения.

Полосы скольжения в поперечном сечении образуют на поверхности образца ступеньки. Высота ступеньки равна постоянной решетки, и тогда — это след элементарного акта пластической деформации. Выделяют "добавочные" линии скольжения, наблюдаемые между собственно линиями, но значительно меньшей высоты и длины. Характер и геометрия скольжения, а также строение полос скольжения тесно связаны со строением металла и условиями деформации. Скольжение происходит вдоль определенных (наиболее плотноупакованных атомами) плоскостей и кристаллографических направлений, образующих системы скольжения [39].

Схема образования сложной морфологии деформационного рельефа поверхности поликристалла с помощью дискретных линий и полос скольжения (рисунок 1.2):

- микрорельеф: сдвиги внутри зерен (внутризеренное дислокационное скольжение - ВДС);

- мезорельеф: сдвиги между зернами (зернограничное проскальзывание - ЗГП)

- макрорельеф: сдвиги между группами зерен (полосы Людерса-Чернова)

Рисунок 12 - Схема образования сложной морфологии деформационного рельефа поверхности поликристалла с помощью дискретных линий (слева) и полос скольжения (справа)

Существуют особые разновидности полос скольжения: экструзии — связаны с выдавливанием металла и интрузии — полосы с впадинами на выходе их (рисунок 1.3).

Экструзии вдоль полосы скольжения 'сь* жструзий

Экструзии нерегулярной формы

Следы грубого скольжения

Рельеф паверхнос вблши экструзии

\

\

//'Слияние пор > Двойные экструзии А

\ Стрелками указано * ."К направление роста

л\ч трещин х

c-Vv трещин .

I \ \

• \ /Т~ Интрузии

'^уЯТ. " •''''.........111 '!|

¿7 Экструзии Интрузии V W- Интрузии

/ когерентные /у вблизи W (I стадии роста тряцин)

с матрицей^« жструзий J' yjjC //

Высокая плотность дислокаций

Рисунок 1.3

1.2.2 Шероховатость в условиях усталости

Важной микрогеометрической характеристикой является шероховатость поверхности. Она в значительной степени определяет основные эксплуатационные свойства деталей и узлов: износостойкость, сопротивление усталости, коррозионную стойкость и др. Поэтому характеристики шероховатости поверхности должны анализироваться в технологических исследованиях и строго контролироваться в процессе производства. Шероховатость поверхности при обработке заготовки детали зависит от большого числа технологических факторов, например, скорости резания, качества поверхности инструмента, механических свойств и химического состава материала заготовки. Микрогеометрия поверхности является результатом действия совокупности процессов, характеризующих динамическую систему.

Развитие усталости влияет на изменение рельефа поверхности деталей, подвергнутых циклическому нагружению. На графиках микронеровности (профилограммах) можно регистрировать не только

группы полос скольжения, но и развитые единичные полосы скольжения (на очень тщательно отполированной поверхности). Однако не высота ступенек скольжения в этих полосах оказывает существенное влияние на микрорельеф. Сильнее действует пластическая деформация отдельных зерен и групп зерен, а также перемещения в окрестности выхода микротрещин на поверхность.

Высота микронеровности, вызванной усталостным повреждением, весьма существенно зависит от рода материала и, прежде всего, от его пластических свойств и от состояния поверхности. Она уменьшается с увеличением прочности и твердости и при определенных их значениях может совсем не появиться (если не образуется микротрещина). Высота микронеровностей одинаково быстро уменьшается при уменьшении размеров зерна [39].

В [39] для практических целей предложено установить критерии изменения микронеровности поверхности, превышение которых будет сигналом опасных усталостных изменений.

Таким образом, параметры шероховатости деформационного рельефа поверхности могут служить оценочной характеристикой степени поврежденности материала.

1.3 Методы исследования поверхности конструкционных материалов

Существуют разрушающие и неразрушающие методы контроля. К разрушающим методам относятся: механическое испытание металлов,-металлографические исследования образцов металлов,- химический анализ состава металлов. На сегодняшний день на первый план выходят методы технической диагностики, сочетающие механику разрушений, металловедение и неразрушающий контроль. Современные методы диагностики также требуют непрерывное получение информации о процессе выработки ресурса и высокую чувствительность.

По характеру взаимодействия с обследуемым объектом существуют следующие типы неразрушающего контроля: электрический, магнитный, вихретоковый, тепловой, акустический, оптический, радиоволновой, радиационный, проникающими веществами.

Большинство методов позволяет выявить только наличие достаточно крупных трещин. Однако гораздо важнее распознать более раннюю стадию накопления дефектности - образование микротрещин.

На сегодняшний день для исследования микронеровности деформационной поверхности существует метод объемного сканирования поверхности на лазерных сканирующих системах основанных на оптических методах [57].

1.3.1 Принцип лазерного объемного сканирования поверхности

Принцип лазерной сканирующей микроскопии основан на использовании двух сопряженных плоскостей — плоскости предмета и плоскости изображения. Каждой точке предмета соответствует определенная точка в плоскости изображения, причем размер области изображения в квадрат увеличения больше, чем в плоскости предмета. Улучшить качество изображения объекта удается с помощью различных приемов, один из которых состоит в использовании когерентного источника света и диафрагмировании плоскости изображения. На рисунках 1.4 и 1.5 представлены общая схема работы микроскопа и принцип сканирования по осям Сканирование по оси Z осуществляется в нанометрическом

диапазоне путем автоматизированного изменения положения предметного столика [43].

Сканирование под углом

Рисунок 1.4 - Оптическая схема лазерного сканирующего микроскопа схема микроскопа; б - сканирование в плоскости ХУ; в - сканирование по оси Ъ.

Однонаправленное сканирование

а-

Рисунок 1.5 - Способы сканирования образца лазерным лучом в плоскости

Лазерный сканирующий конфокальный микроскоп (ЛСКМ) позволяет получить изображение с очень тонкого слоя поверхности, при этом получается так называемый «оптический срез», которое благодаря особенностям конфокальной микроскопии получается более контрастное и четкое (то есть имеющее более высокое разрешение) по сравнению с обычной световой. Записав в памяти компьютера серию оптических срезов, ЛСКМ проводит объемную реконструкцию объекта для получения его трехмерного изображения - топографии рельефа поверхности. Также имеется возможность получить 2D изображения с большой глубиной резкости, спроецировав точки каждого слоя попавшие в фокус объектива в одну проекцию (Maximum intensity). На рисунке 1.6 схематично представлен принцип получения серий «оптических срезов» объемного объекта.

объекта по оси

Рисунок 1.6 - Принцип получения серий «оптических срезов» объемного

объекта

1.4 Фрактальный подход к оценке параметров деформационного рельефа поверхности

При проведении статистического анализа широко используются элементы математической статистики, включающие теорию выборок,

Серия изображений (Z-серия)

▼

Перемещение

оценки доверительных интервалов, проверку статистических гипотез, способы аппроксимации экспериментальных данных. Указанные методы и подходы давно стали традиционными и весьма подробно описаны во многих руководствах. Наряду с ними в последние годы получили распространение и некоторые менее известные способы обработки данных, основанные, в частности, на фрактальном, мультифрактальном анализах и вейвлет-преобразованиях [3]. Введение нового параметра (фрактальной размерности), с помощью которого можно охарактеризовать рельеф деформационной поверхности стали, может существенно повысить точность определения усталостного повреждения. В связи с этим, является актуальной разработка фрактальных моделей поверхностных деформационных структур при определении накопленного усталостного повреждения конструкционных сталей.

1.4.1 Фракталы. Фрактальная размерность

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Демченко, Артем Альбертович, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников

1 Малоцикловая усталость стали в рабочих средах / Г. В.Карпенко, К. Б. Кацов, И. В. Кокотайло, В. П. Руденко. - Киев: Наукова думка, 1977. - 110 с.

2 Куликова, Д. В. Физическая природа разрушения / Д. В. Куликова, Н. В. Мекалова, М. М. Закирничная. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 1999. - 240 с.

3 Короленко, П. В. Новационные методы анализа стохастических процессов и структур в оптике. Фрактальные и мультифрактальные методы, вейвлет-преобразования / П. В.Короленко, М. С. Маганова, А. В. Меснянкин. - М.: НИИЯФ МГУ, 2004. - 82 с.

4 Мандельброт, Б. Фрактальная геометрия природы = The Fractal Geometry of Nature / Б. Мандельброт. - M.: Институт компьютерных исследований, 2002. - 656 с.

5 Федер, Е. Фракталы: пер. с англ. / Е. Федер. - М.: Мир, 1991. - 254 с. 6. Потапов, А. А. Фракталы в радиофизике и радиолокации: Топология

выборки / А. А. Потапов. - М.: Университетская книга, 2005. - 847 с.

7 Торохов, Н. А. Определение фрактальной размерности поверхности эпитаксиального n-GaAs в локальном пределе / Н. А. Торохов, В. Г. Божков, И. В. Ивонин // Физика и техника полупроводников. - Т. 43, № 1. - 2009. - С. 38-46.

8 Герасименко, Н. Н. Фрактальные методы анализа степени упорядоченности наноструктур / Н. Н. Герасименко, С. А. Апрелов // Российские нанотехнологии. - 2007. - Т. 2, № 1-2. - С. 136-139.

9 Будаев, В. П. Фрактальная нано- и микроструктура осажденных пленок в термоядерных установках / В. П. Будаев, JL Н. Химченко // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. - 2008. - № 3. - С. 34-61.

10 Fractal character of cold-deposited silver films determined by low-temperature scanning tunneling microscopy / C. Douketis, Z. Wang, T. Haslett, M. Moskovits // Physical Review B. - 1995. - V. 51, № 16. - P. 51.

11 Zahn, W. The dépendance of fractal dimension on measuring conditions of scanning probe microscopy / W. Zahn, A. Zösch // Fresenius1 Journal of Analytical Chemistry. - 1999. - V. 365. - P. 168-172.

12 Применение методов фрактальной геометрии для управления качеством измерений атомно-силового микроскопа / С. М. Аракелян, В. А. Быков, С. В. Кутровская и др. // Химическая физика и мезоскопия. - 2011. -Т. 13, №1. -С. 63-71.

13 Измеров, М. А. Методы определения фрактальной размерности инженерных поверхностей / М. А. Измеров // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2006. - № 3. - С. 10-17.

14 Назаров, Ю. Ф. Применение методов фрактальной геометрии в технологии изготовления деталей из композитных материалов / Ю. Ф. Назаров, В. И. Ломаев, Е. Н. Спиридонов. - http: // www.ihst.ru/personal/akm/1 lt29.htm.

15 Вячеславова, О. Ф. Современные технологии обработки материалов в свете теории фракталов и ее практического приложения / О. Ф. Вячеславова. - // http://www.mashin.ru/jurnal/archiv.php?id=15&njro=200602&yy=2006.

16 Вячеславова, О. Ф. Компьютерный ретрофиттинг измерений и контроля как элемент информационных технологий / О. Ф. Вячеславова. -http://www.mami .ru/pages/fîles/scJ ournal_ 1 (5 )_2008. doc

17 Бельков, Д. В. Методы определения фрактальной размерности рельефа обработанной поверхности / Д. В. Бельков // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: междунар. сб. науч. тр. / ДонНТУ -Донецк, 2009. - Вып. 37. - С. 14-19.

18 Оценка накопленного усталостного повреждения по насыщенности и фрактальной размерности деформационного рельефа / М. В. Карускевич, Е. Ю. Корчук, А. С. Якушенко, Т. П. Маслак // Проблемы прочности. - 2008. -№6. -С. 128-135.

19 Иванова, В. С. Синергетика и фракталы в материаловедении / В. С. Иванова, А. С. Баланкин, И. Ж. Бунин. - М.: Наука, 1994. - 384 с.

20 Lovejoy, S. Area-perimeter relation for rain and cloud areas / S. Lovejoy // Science. - 1982. - Vol. 216. - P. 185-187.

21 Терентъев, В. Ф. Усталостная прочность металлов и сплавов / В. Ф. Терентьев. - М.: Интермет Инжиниринг, 2002. - 288 с.

22 Овсянников, В. Е. Анализ фрактальной размерности профиля шероховатости выглаженной поверхности / В. Е. Овсянников, В. Ю. Терещенко // Технические науки в России и за рубежом: материалы междунар. заоч. науч. конф., Москва, ноябрь 2012 г. - М., 2012. - С. 102-105.

23 Ясников, И. С. Дислокационная модель эволюции фрактальной размерности микроструктуры деформируемого твердого тела / И. С. Ясников, А. Виноградов, Ю. Эстрин // Физика твердого тела. - 2013. - Т. 55, Вып. 2. -С. 306-312.

24 Self-affine surface morphology of plastically deformed metals / M. Zaiser, F.M. Grasset, V. Koutsos, E.C. Aifantis // Physical review letters. - 2004. -Vol. 93.-P. 195-507.

25 Zaiser, M. Fractal analysis of deformation-induced dislocation patterns / M. Zaiser, K. Bay, P. Hahner // Acta Materialia. - 1999. - V. 47, Iss. 8. - P. 2463-2476.

26 Zaiser, M. Scale invariance in plastic flow of crystalline solids / M. Zaiser // Advances in Physics. - 2006. - V. 55, Iss. 1-2. - P. 185-245.

27 Meissner, O. Formation of mesostructures at the surface of ferritic steel and a nickel monocrystal under increasing load - an in situ AFM experiment / O. Meissner, J. Schreiber, A. Schwab // Applied Physics A. - 1998. - V. 66, Iss. 1. -P. 1113-1116.

28 Korsukov, V. Scaling response of the amorphous alloy surface on loading and extrinsic crystallization / V. Korsukov, P. Butenko, A. Chmel // Europhysics Letters. -2010. - V. 90, Iss. 2. - P. 26007.

29 Влияние одноосного растяжения и гидростатического сжатия на геомерию и морфологию поверхности лент аморфного сплава Fe77NilSi9B13

/ В. И. Бетехтин, П. Н. Бутенко, В. JI. Гиляров и др. // Физика твердого тела. -2008.-Т. 50, Вып. 10.-С. 1800-1806.

30 Формирование степенных распределений дефектов по размерам в процессе разрушения материалов / В. JI. Гиляров, М. С. Варкентин, В. С. Корсуков и др. // Физика твердого тела. - Т.52, Вып.7. - С. 1311-1315.

31. Горелик, С. С. Рекристаллизация металлов и сплавов / С. С.Горелик. С. В. Добаткин, Л. М. Капуткина. - М.: МИСиС, 2005. - 432 с.

32 Hirata, Т. Fractal structure of spatial distribution of microfracturing in rock, / T. Hirata, T. Satoh, K. Ito. // Geophysical J. Roy. Astronom. Soc. - 1987. -V. 90.-P. 369-374.

33 Севостьянова, И. H. Фрактальные характеристики поверхностей деформации композиционного материала и их связь со структурой / И. Н. Севостьянова, С. Н. Кульков // Письма в журнал технической физики. - 1999. Т. 25, №2.-С. 34-38.

34 Кульков, С. Н. Фрактальная размерность поверхности при деформационном мартенситном превращении в никелиде титана / С. Н. Кульков, Ю. П. Миронов // Журнал технической физики. - 2004. - Т. 74, Вып. 4.-С. 129-132.

35 Матвиенко, А. В. Влияние методов обработки на фрактальную размерность микрорельефа поверхности / А. В.Матвиенко, Л. Н. Феник, Джалиль Аль Маджид // Донбас-2020: наука i техшка . виробництву: Матер1али IV наук.-практ. конф., м. Донецьк, 27-28 травня 2008 р. - Донбасс, 2008.-С. 240-243.

36 Механика деформируемого твердого тела / А. И. Каландия, А. И. Лурье, Г. Ф. Манджавидзе [и др.]. - М: Наука, 1972. - 480 с.

37 Терентьев, В. Ф. Циклическая прочность металлических материалов / В. Ф. Терентьев, А. А. Оксогаев. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. - 61 с.

38 Терентьев, В. Ф. Природа усталости металлов / В. Ф. Терентьев, В. С. Иванова. - М: Металлургия, 1975. - 456 с.

39 Коцаньда, С. Усталостное растрескивание металлов: пер. с польского / С. Коцаньда; под ред. С. Я. Яремы. - М.: Металлургия, 1990. -623 с.

40 Кузнецов, П. В. Фрактальная размерность как характеристика усталости поликристаллов металлов / П. В. Кузнецов, И. В. Петракова, Ю. Шрайбер // Физическая мезомеханика. - 2004. - Т. 7, Спец. вып. 1 - С. 389-392.

41 Севастьянова, И. Н. Фрактальные характеристики поверхности пластически деформированного композита карбид вольфрама-железомарганцевая сталь / И. Н. Севастьянова, С. Н. Кульков // Журнал технической физики. - 2003. - Т. 73, Вып. 2. - С. 81-86.

42 Лепов, В. В. Структурные модели процессов накопления повреждений и трещинностойкость конструкционных материалов: автореферат дисс. ... докт. техн. наук. / В. В. Лепов. - Якутск: Ифтп Севера СО РАН, 2006. - 37 с.

43 Каплан, У. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля / У. Каплан, Д. Брандон. - М.: Техносфера, 2004. - 384 с.

44 ГОСТ 25.502-79. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость. - М.: Изд-во стандартов, 1981. - 25 с.

45 ГОСТ 2789-83. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики. - Введ. 23 - 04 - 1973.

46 Иванова, В. С. Количественная фрактография. Усталостное разрушение / В. С. Иванова, А. А. Шанявский. - Челябинск: Металлургия, 1988.-400 с.

47 Иванова, В. С. Синергетика. Прочность и разрушение металлических материалов / В. С. Иванова. - М.: Наука, 1992. - 157 с.

48 Наумкин, Е. А. Методология прогнозирования ресурса нефтегазового оборудования, эксплуатируемого в условиях циклического нагружения, на стадии проектирования и эксплуатации: автореферат дис. ... д-ра техн. наук / Е. А. Наумкин; УГНТУ. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2011. - 24 с.

49 Оборин, В. А. Масштабно-инвариантные закономерности эволюции структуры и оценка надежности алюминиевых сплавов при последовательных динамических и усталостных нагружениях / В. А. Оборин, М. В. Банников, О. Б. Наймарк // Вестник ПНИПУ. Механика - 2010. - № 2. -С. 87-97.

50 Изучение эволюции пластически формируемого монокристалла алюминия на основе структурного анализа поверхности / Ю. В. Баяндин, Е.

A. Ляпунова, В. А. Оборин [и др.] // Механика сплошных сред как основа современных технологий: тез. докл. XVI Зимней школы по механике сплошных сред, (24-27 февраля 2009). - Екатеринбург, 2009. - С. 53.

51 Исследование эволюции структуры армко-железа при ударно-волновом нагружении на основе фрактального и корреляционного анализа / Е. А. Ляпунова, В. А. Оборин, С. В. Уваров [и др.] // Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах: тез. докл. 7-го Рос. симп., (23 июля -1 августа 2009, Новый Афон). - 2009. - С. 5.

52 Влияние электрического потенциала на изменение фрактальной размерности поверхности алюминия при ползучести / С. Н. Старовацкая, С.

B. Коновалов, В. Е. Громов, Л. П. Мышляев // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. - 2010. - Т 7, № 4. - С. 52-56.

53 Демченко, А. А. Накопление повреждений в материале стенки РВС / А. А. Демченко, А. В. Сисанбаев, Е. А. Наумкин // 61-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: материалы конф. / УГНТУ. - Уфа, 2010. - Кн. 1. - С. 206.

54 Демченко, А. А. Динамика деформационного рельефа поверхности стали при малоцикловом нагружении / А. А. Демченко, Е. А. Наумкин // 62-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: материалы конф. / УГНТУ. - Уфа, 2011. - Кн. 1 . - С. 217.

55. Сисанбаев, А. В. Моделирование аккомодационных процессов в тройных стыках нанокристаллов с разным размером зерен / А. В. Сисанбаев,

A. А. Демченко, М. В. Демченко // Химическая физика и мезоскопия. - 2012. -Т. 14, №2.-С. 253-257.

56. Взаимосвязь деформационного рельефа поверхности и степени поврежденности стали при малоцикловом нагружении / А. А. Демченко, М.

B. Демченко, А. В. Сисанбаев [и др.] // Химическая физика и мезоскопия. -2012. - Т. 14, № 3. - С. 426—429.

57. Исследования фрактальной размерности деформационной поверхности стали лазерным методом / А. А. Демченко, М. В. Демченко, А.

B. Сисанбаев, И. Р. Кузеев // Химическая физика и мезоскопия. - 2012. - Т. 14, №4.-С. 569-573.

58. Сисанбаев, А. В. Экспериментальное моделирование аккомодации в тройных стыках общего типа при деформации трикристаллов и нанокристаллов / А. В. Сисанбаев, А. А. Демченко, М. В. Демченко // Деформация и разрушение материалов. - 2012. - № 9. - С. 2-6.

59. Исследование взаимосвязи деформационного рельефа и степени поврежденности стали / А. А. Демченко, М. В. Демченко, А. В. Сисанбаев [и др.] // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2013. - Т. 79, № 2. -

C. 42-44.

60. Методика исследования фрактальной размерности деформационной поверхности стали / А. А. Демченко, М. В. Демченко, А. В. Сисанбаев, И. Р. Кузеев // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2013. - Т. 79, № 7,4. 1.-С. 44-42.

61. Панин, В. Е. Фундаментальная роль наномаспггабного структурного уровня пластической деформации твердых тел / В. Е. Панин, А. В. Панин // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2006. - № 12. - С. 5-10.

62. Штейн, Г. И. Руководство по конфокальной микроскопии / Г. И. Штейн. - СПб: ИНЦ РАН, 2007. - 77 с.

63 Бикбулатов, Т. Р. Оценка остаточного ресурса оборудования и предельного состояния конструкционных материалов при усталостном

нагружении по результатам электромагнитных измерений: Автореф. дис. ... канд. техн. наук / Т. Р. Бикбулатов; УГНТУ. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2011. - 24 с.

64 Петров, В. А. Оценка предельного состояния стали 09Г2С по отклику электромагнитного сигнала / В. А. Петров, Т. Р. Бикбулатов, Е. А. Наумкин // Материалы 61-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ. - Уфа: УГНТУ, 2010. - Кн. 1. - С. 224-225.

65 Шарипкулова, А. Т. Разработка метода оценки предельного состояния металла технологических трубопроводов по электромагнитным параметрам: Автореф. дис. ... канд. техн. наук / А. Т. Шарипкулова; УГНТУ. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2009. - 24 с.

66 Шарипкулова, А. Т. Оценка предельного состояния сосудов, работающих под давлением, по отклику электромагнитного сигнала / А. Т. Шарипкулова, Е. А. Наумкин // Обеспечение промышленной безопасности на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах: материалы Всерос. конкурса инновац. проектов студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Российской Федерации. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2007. -С. 95-99.

67 Кузеев, И. Р. Критерии технического состояния оборудования по отклику электромагнитного сигнала / И. Р. Кузеев, А. Т. Шарипкулова, Е. А. Наумкин // Остаточный ресурс нефтезаводского оборудования: сб. науч. тр. -2007.-Вып. 2.-С. 101-110.

68. Зарождение и развитие потоков дефектов на поверхностидеформируемого твердого тела /А. В. Панин, В. А. Клименов, Н. Л. Абрамовская, А. А. Сон // Физическая мезомеханика. - 2000. - Т. 3, № 1. -С. 83-93.

69 Влияние состояния поверхностного слоя Ст 3 на механизм пластического течения и сопротивление деформации /А. В. Панин, В. А. Клименов, Ю. И. Почивалов, А. А. Сон. // Физическая мезомеханика. - 2001. -Т. 4, №4.-С. 85-92.

70 Влияние состояния поверхности субмикрокристаллических титана и а-железа на их деформацию и механические свойства / А. В. Панин, В. Е. Панин, И. П. Чернов [и др.] // Физическая мезомеханика. - 2001. - Т. 4, № 6. -С. 87-94.

71 Панин, А. В. Механизм формирования полос локализованной пластической деформации и их влияние на механические характеристики нагруженных твердых тел / А. В. Панин, А. А. Сон, М. С. Казаченок // Вопросы материаловедения. - 2002. - № 1 (29). - С. 335-344.

72 Панин, А. В. Применение фрактального описания для анализа изображений в сканирующей зондовой микроскопии / А. В. Панин, А. Р. Шугуров // Поверхность. - 2003. - № 6. - С. 64-71.

73 Мезоскопические структурные уровни деформации в поверхностных слоях ихарактер усталостного разрушения поликристаллов при знакопеременном изгибе. Часть I. Мезоскопическая субструктура / В. Е. Панин, Т. Ф. Елсукова, А. В. Панин [и др.] // Физическая мезомеханика. -2004.-Т. 7, №2.-С. 5-17.

74 Особенности локализации и стадийности пластической деформации субмикрокристаллического армко-железа с полосовой фрагментированной субструктурой / А. В. Панин, А. А. Сон, Ю. Ф. Иванов, В. И. Копылов. // Физическая мезомеханика. - 2004. - Т. 7, № 3. - С. 5-16.

75 Панин, В. Е. Эффект поверхностного слоя в деформируемом твердом теле / В. Е. Панин, А. В. Панин. // Физическая мезомеханика. - 2005. -Т. 8, №5.-С. 7-15.

76 Мезосубструктура в поверхностных слоях поликристаллов прициклическом нагружении и ее роль в усталостном разрушении / В. Е. Панин, Т. Ф. Елсукова, А. В. Панин, О. Ю. Кузина // Доклады Академии Наук. - 2005. - Т. 403, № 3. - С. 1-6.

77 Панин, В. Е. Масштабные уровни пластической деформации и разрушения наноструктурных материалов / В. Е. Панин, А. В. Панин // Нанотехника. - 2005. - Т. 3. - С. 28-42.

78 Панин, А. В. Масштабные уровни деформации в поверхностных слоях нагруженных твердых тел и тонких пленках: Автореф. дис. ... д-ра физ.-мат. наук / А. В. Панин. - Томск, 2006. - 22 с.

79 Встовский, Г. В. Введение в мультифрактальную параметризацию структур материалов / Г. В. Встовский, А. Г. Колмаков, И. Ж. Бунин. - М.; Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. - 115 с.

80 Исследование микрорельефа обработанных поверхностей с помощью методов фрактальных сигнатур / А. А. Потапов, В. В. Булавкин, В. А. Герман, О. Ф. Вячеславова // Журнал технической физики. - 2005. - Т. 75, Вып. 5.-С. 28-45.

81 Калуш, Ю. А. Показатель Херста и его скрытые свойства / Ю. А. Калуш, В. М. Логинов // Сибирский журнал индустриальной математики. -2002. - Т. 5, № 4 (12). - С. 29-37.

82 Аптуков, В. Н. П.Исследование микрорельефа поверхности сильвина с помощью метода Хёрста / В. Н. Аптуков, В. Ю. Митин, А. П. Скачков // Вестник Пермского университета. - 2010. -. Вып. 4 (4). - С. 30-33.

83 Маслак, Т. П. Метод определения усталостного повреждения обшивки фюзеляжа при ресурсных испытаниях самолета с использованием фрактальных моделей деформационного рельефа: Автореферат дис. ... канд. техн. наук / Т. П. Маслак - Киев, 2010. - 22 с.

84 . Фрактальность деформационного рельефа поликристаллического алюминия / М. В. Карускевич, О. Ю. Корчук, Т. П. Маслак [и др.] // Вестник НАУ. — 2006. — № 2. — С. 78-81.

85 Маслак, Т. П. Регрессионные модели эволюции параметров деформационного рельефа при циклическом нагружении / Т. П. Маслак // Вестник НАУ. — 2008. — № 1 (34). — С. 89-92.

86 Деформационный рельеф поверхности как показатель усталостной поврежденности авиационных сплавов на основе алюминия / С. Р. Игнатович, М. В. Карускевич, Т. П. Маслак [и др] // Деформация и

разрушение материалов и наноматериалов: тез. докл. междунар. конф., 12-15 окт. 2009 г.— М., 2009. — Том 1. — С. 53-54.

87 Структурная поврежденность и разрушение образцов-свидетелей усталостного повреждения / М. В. Карускевич, О. Ю. Корчук, Т. П. Маслак [и др.] // Авиационно-космическая техника и технология. — 2008. — № 9 (56). —С. 110-114.

88 Веттегрень, В. И. Изучение динамики микродефектов на поверхности нагруженной меди при помощи интерференционного микроскопа. / В. И. Веттегрень, С. Ш. Рахимов, Е. А. Бакулин // Физика твердого тела. - 1995. - Том 37, № 12. - С. 3630-3634.

89 Веттегрень, В. И. Исследование эволюции поверхности нагруженных образцов меди при помощи растрового туннельного профилометра / В. И. Веттегрень, С. Ш. Рахимов, В. Н. Светлов // Физика твердого тела. - 1995. - Том 37, № 4. - С. 913-921.

90 Поверхностные слои и внутренние границы раздела в гетерогенных материалах / отв. ред. В. Е. Панин; РАН, Сиб. отд-ние, Ин-т физики прочности и материаловедения. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2006. - 520 с. - (Интеграционные проекты СО РАН; Вып. 8).

91 Шанявский, А. А. Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций: синергетика в инженерных приложениях / А. А. Шанявский. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2003. - 802 с.

92 Панин, В. Е. Физическая мезомеханика - новая парадигма на стыке физики и механики деформируемого твердого тела / В. Е. Панин, Ю. В. Гриняев // Физическая мезомеханика. - 2003. - Т. 6, № 4. - С. 9-36.

93 Панин, В. Е. Физическая мезомеханика деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. I. Физические основы многоуровневого подхода / В. Е. Панин, В. Е. Егорушкин, А. В. Панин // Физическая мезомеханика. - 2006. - Т.9, № 3. - С. 9-22.