Оценка структурной устойчивости металлических материалов и выявление механизмов их разрушения при низких температурах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат наук Аносов, Максим Сергеевич
Аносов, Максим Сергеевич
кандидат наук
2018
- Специальность ВАК РФ05.16.01
- Количество страниц 193
Оглавление диссертации кандидат наук Аносов, Максим Сергеевич
Введение........................................................................................ 5
Глава 1 Литературный обзор. Хладостойкость металлов и методы её оценки........................................................................................... 14
1.1 Основные требования, предъявляемые к материалам, работающим в условиях пониженных температур.................................................. 14
1.2 Влияние низких температур на механизмы разрушения металлов и механические свойства................................................................ 17
1.2.1 Хладостойкость. Механизмы разрушения металлов при низких температурах...................................................................... 17
1.2.2 Влияние различных факторов на хладостойкость металлов............ 21
1.2.3 Влияние низких температур на механические свойства металлов.... 24
1.3 Классификация хладостойких материалов. Рекомендации по выбору хладостойких материалов............................................................. 30
1.4 Методы оценки хладостойкости металлов...........................................33
1.5 Акустическая эмиссия в процессах деформации и разрушения материалов................................................................................36
1.6 Выводы по главе 1.......................................................................42
Глава 2 Материалы, оборудование и методы исследования процесса деформации и разрушения металлов при низких температурах...............44
2.1 Материалы для исследования процессов деформации и разрушения при низких температурах...................... . 44
2.2 Оборудование и устройства для исследования процессов деформации и
разрушения материалов при низких температурах.......... 46
2. 2.1 Оборудование для испытания образцов на ударный изгиб при
пониженных температурах................ ..... 47
2. 2.2 Оборудование для испытания образцов на растяжение при
пониженных температурах........................................................ 50
2. 2.3 Оборудование для испытания образцов на усталость при
пониженных температурах............................................................... 54
2.3 Алгоритмы и методы обработки сигналов АЭ на основе подходов
нелинейной динамики и фрактального анализа................................... 56
2. 3.1 Алгоритм расчета фрактальной размерности сигнала АЭ............... 56
2. 3.2 Алгоритм реконструкции аттрактора и расчета его фрактальной
размерности по сигналу АЭ............................................................. 62
2. 3.3 Алгоритм расчета информационной энтропии сигнала АЭ............. 64
2. 3.4 Обработка и классификация сигнала АЭ с использованием
нейронной сети................................................................... 67
2.4 Оценка фрактальной размерности структуры и изломов металлов по изображениям.......................................................................................... 70
2.5 Выводы по главе 2........................................................................ 76
Глава 3 Экспериментальные исследования деформации и разрушения металлов при низких температурах.................................................... 78
3.1 Исследование разрушения металлов при ударном изгибе....................... 78
3.2 Исследование деформации и разрушения металлов при растяжении....... 82
3.3 Оценка механизма деформации и разрушения металлов на основе классификации и идентификации сигнала АЭ.................................... 93
3.4 Исследование механизма усталостного разрушения металлов................ 96
3.5 Выводы по главе 3...................................................................... 101
Глава 4 Анализ экспериментальных исследований................................ 102
4.1 Анализ изломов образцов при ударном изгибе, растяжении и усталостных испытаниях металлов.................................................. 102
4.1.1 Анализ фрактографических исследований изломов образцов при ударном изгибе, растяжении и усталостных испытаниях металлов... 102
4.1.2 Связь ударной вязкости с фрактальной размерностью излома образцов............................................................................. 108
4.2 Анализ экспериментальных данных по усталостным испытаниям образцов на изгиб............................................................................................. 110
4.3 Влияние типа кристаллической решетки металлов на хладостойкость.... 115
4.4 Влияние параметров нагружения на результаты испытаний.................. 120
4.5 Выводы по главе 4........................................................................... 125
Глава 5 Пути повышения хрупкой прочности металлов с ОЦК решеткой....................................................................................... 127
5.1 Сравнительные квантово-механические расчеты влияния примесей на прочность границ зерен а-железа и алюминия................................... 127
5.2 Модель хрупкого разрушения металлов с ОЦК решеткой при низких температурах...................................................................................... 133
5.3 Оценка влияния термообработки на механические характеристики стали
20 при работе в условиях пониженных температур................................ 144
5.4 Основные пути повышения хрупкой прочности углеродистых сталей
при низких температурах............................................................ 149
5.5 Выводы по главе 5...................................................................... 157
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................ 158
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................... 160
Список сокращений........................................................................... 174
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Разработанные программы и используемые алгоритмы
обработки экспериментальных данных........................................................ 175
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Химический состав и свойства исследуемых материалов.. 187 ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Акты о внедрении результатов диссертационной работы............................................................................................. 190
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. Степень разработанности.
Правительством и Президентом РФ в 2011 году принят указ об интенсивном освоении Северных регионов нашей страны и Арктики. Эти регионы занимают исключительно важное место в обеспечении ведущих отраслей промышленности страны разнообразными видами ресурсов. Обеспечение надежного функционирования технических объектов в условиях пониженных температур, таким образом, приобретает ключевое значение. Повышение надежности машин и сооружений, работающих в условиях Крайнего Севера и Арктики, должно основываться на глубоком знании поведения металлов при низких температурах под действием внешних нагрузок и обоснованных рекомендациях по их выбору.
При пониженных температурах возрастает вероятность хрупкого разрушения, особенно металлов с ОЦК решеткой. В связи с этим, требуется разработка способов выявления механизма разрушения металлов в широком диапазоне температур, как в лабораторных условиях, так и в процессе эксплуатации.
Современные приборы, имеющие высокое разрешение и возможность сканирования больших площадей поверхности (сканирующая туннельная микроскопия, лазерная профилометрия, оптико-телевизионные, измерительные комплексы и др.), позволяют исследовать механизмы деформации на нано-, мезо-и микро- уровнях, однако использование этих приборов ограничивается лабораторными условиями. Это в свою очередь требует разработки характеристических параметров оценки степени деградации структуры металла, позволяющих в режиме реального времени проводить исследования кинетики структурных перестроек на различных стадиях деформации металлов в широком диапазоне температур на реальных конструкциях.
Одним из перспективных методов оценки стадии пластической деформации и разрушения металлов является метод акустической эмиссии (АЭ). Метод АЭ нашел широкое применение при исследовании, как процессов деформирования,
так и разрушения. Однако в связи с особенностями процесса деформирования и разрушения металлов в условиях низких температур (например, явления хладноломкости) требуется проведение дополнительных исследований и совершенствование методик обработки АЭ сигналов.
В последние годы в металловедении стали широко использоваться подходы нелинейной динамики, фрактальных представлений и искусственного интеллекта. С интенсивным развитием аппарата искусственных нейронных сетей (ИНС) открываются новые возможности для исследования материала в процессе деформирования и разрушения, в частности, для задач распознавания структуры и изломов металлов.
В связи с этим, выявление механизмов разрушения и оценка структурной устойчивости металлов при деформации в условиях низких температур на основе электронно-микроскопических исследований и анализа сигналов АЭ с использованием подходов фрактального анализа и ИНС является актуальной.
Целью диссертационной работы является выявление механизмов разрушения и разработка способа оценки структурной устойчивости конструкционных сплавов с использованием современных методов обработки данных результатов исследований при пластическом и упругопластическом циклическом деформировании в широком диапазоне температур.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
• исследовать механизмы разрушения сталей 20, 45, 12Х18Н10Т, алюминиевого сплава Д16, титанового сплава ВТ8 при ударном изгибе с использованием фрактографических исследований в широком диапазоне температур;
• разработать способ выявления механизма разрушения, испытанных на ударный изгиб металлических сплавов, на основе обработки изображений изломов и их классификации с использованием ИНС;
• исследовать процесс разрушения металлов при пластическом и упругопластическом циклическом деформировании в условиях низких
температур с использованием электронно-микроскопического
фрактографического анализа и регистрации сигналов АЭ;
• на основе результатов экспериментальных исследований предложить новые характеристические параметры и обосновать их применение для оценки устойчивости структурного состояния металлов в процессе деформирования при низких температурах, на основе фрактального анализа сигналов АЭ;
• разработать способ оценки структурной устойчивости и механизмов разрушения металлов с использованием новых характеристических параметров, классификации и идентификации сигналов АЭ в широком диапазоне температур.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Проведены исследования механизмов разрушения ряда металлов с различным типом кристаллической решетки в широком диапазоне температур при ударном изгибе. Разработан способ выявления механизма разрушения испытанных на ударный изгиб металлических сплавов, на основе обработки изображений изломов и их классификации с использованием искусственной нейронной сети (п.2, п.10 паспорта специальности 05.16.01);
2. Предложены новые характеристические параметры, основанные на использовании фрактальных и информационных характеристик сигналов АЭ. Экспериментально обосновано их применение для оценки структурной устойчивости при деформации металлов в широком диапазоне температур. В качестве характеристических параметров, при оценке устойчивости структурного состояния предложены - фрактальная размерность аттрактора и 8и -информационная энтропия сигнала АЭ. Увеличение фрактальной размерности аттрактора сигнала АЭ характеризует снижение структурной устойчивости металлов, а показатель информационной энтропии выступает в качестве меры неопределенности процесса деформирования при внешнем воздействии (п.11 паспорта специальности 05.16.01);
3. При растяжении образцов из стали 45 с регистрацией АЭ показано, что первичная потеря структурной устойчивости металла происходит на стадии текучести или на начальных стадиях деформационного упрочнения. На участке
деформационного упрочнения структурная устойчивость практически не изменяется, а на участке предразрушения она снижается с последующим разрушением образца. При низких температурах процесс пластической деформации образцов из стали 45 в условиях растяжения реализуется с запаздыванием, а процесс деформационного упрочнения протекает менее продолжительно, чем при комнатной температуре, что, по-видимому, является одной из причин хрупкого разрушения металлов с ОЦК решеткой (п.11 паспорта специальности 05.16.01);
4. Предложен способ выявления механизма разрушения металлов на основе классификации и идентификации сигнала АЭ с использованием искусственной нейронной сети. Показано, что понижение температуры и предварительная деформация образцов из углеродистой стали способствуют хрупкому разрушению (п.11 паспорта специальности 05.16.01);
5. Установлено, что при усталостных испытаниях в условиях низких температур процесс зарождения микротрещин, как показал анализ сигнала АЭ, осуществляется менее интенсивно. При достижении определенного количества циклов нагружения происходит интенсивный рост микротрещин, что сопровождается ростом -фрактальной размерности аттрактора сигнала АЭ. Формирование «бороздок» протекает с образованием развитых «вторичных» микротрещин (п.2, п.5 паспорта специальности 05.16.01).
Практическая ценность состоит в следующем:
1. Разработан способ выявления механизма разрушения металла на основе классификации изображения излома с использованием нейронных сетей, повышающий информативность фрактографических исследований;
2. Предложенный способ классификации и идентификации сигнала АЭ с использованием аппарата нейронных сетей может быть использован для выявления механизма разрушения материала деталей в режиме реального времени (Патент на изобретение №2671152);
3. Программа для выбора хладостойких материалов, разработанная на базе проведенного анализа различных групп хладостойких материалов, может
быть использована для выбора оптимального по своим свойствам материала для изготовления механизмов и конструкций с учетом заданных условий эксплуатации (Свидетельство РФ на программу для ЭВМ №2018611331);
4. Разработаны устройства для регулирования и поддержания температуры в процессе испытания на растяжение и при усталостных испытаниях. Использование предложенных способов, лежащих в основе обработки и анализа сигнала АЭ, значительно расширило возможности испытательных машин (Патент на изобретение №2645162 и №177639).
Методология и методы исследования. Работа выполнена с использованием современных методов исследования. Химический состав материалов изучался при помощи оптико-эмиссионной спектрометрии. Микроструктурные и фрактографические исследования проводились с использованием цифровых микроскопических комплексов. Подготовка шлифов выполнялась на автоматическом шлифовально-полировальном станке. В ходе исследования также использовались основные положения теории синергетики, нелинейной динамики, искусственных нейронных сетей и фрактального анализа. Теоретические и экспериментальные исследования, приведенные в диссертации, базируются на теории планирования экспериментов, математическом анализе, цифровой обработке сигналов, численных методов и математической статистики.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Разработанные и экспериментально обоснованные характеристические параметры - фрактальная размерность аттрактора и БИ информационная энтропия, позволяющие повысить информативность сигнала АЭ при пластическом и упругопластическом циклическом деформировании в широком диапазоне температур (Патент на изобретение №2612951, Свидетельство на программу для ЭВМ №2016610676);
2. Результаты оценки структурной устойчивости и механизмов разрушения при пластическом деформировании стали 45 при различных температурах, с использованием предложенных характеристических параметров;
3. Способ выявления механизма разрушения металла при пластическом и упругопластическом циклическом деформировании, на основе классификации и идентификации сигнала АЭ с использованием искусственной нейронной сети (Патент на изобретение №2671152);
4. Результаты оценки структурной устойчивости и механизмов разрушения, при циклическом деформировании стали 20 при различных температурах, с использованием предложенных характеристических параметров;
5. Способ выявления механизма разрушения металла, на основе обработки изображений излома и его классификации с использованием искусственной нейронной сети. Показана связь фрактальной размерности излома с величиной ударной вязкости конструкционных сплавов;
6. Автоматизированные устройства, позволяющие регулировать и поддерживать температуру в процессе испытания на растяжение и при усталостных испытаниях с регистрацией сигнала АЭ (Патенты РФ №177639 и №2645162).
Личный вклад автора. Все выносимые на защиту результаты и положения разработаны и получены лично автором. Автор принимал участие в разработке и изготовлении устройств для охлаждения образцов, подготовке и проведении экспериментальных исследований, анализе экспериментальных данных, в программной реализации алгоритмов и внедрении созданного программного обеспечения. В большинстве работ, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит определяющая роль при исследовании задач и получении результатов.
Степень достоверности результатов. Положения, выводы и рекомендации диссертационной работы подтверждаются экспериментальными данными, а также на практике в ходе разработки системы интеллектуальной диагностики состояния транспортных средств и конструкций в условиях Арктики в рамках гранта РНФ, соглашение №15-19-00235 от 18 мая 2015 г. Теоретические и прикладные результаты диссертационной работы внедрены на АО «НЗ 70-летия Победы», в виде лабораторного стенда в «Корпоративном учебном центре АО «НЗ 70-летия
Победы», а также в научную работу и учебный процесс ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях, в частности: доклад «Модель хрупкого разрушения металлических конструкций из низкоуглеродистых сталей при пониженных температурах» на VII Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов». Россия, г. Москва, 2017 г.; доклад на Международной молодежной научно - технической конференции «Будущее технической науки». г. Н.Новгород, 2014 г, 2015 г, 2017 г.; доклад «Системы интеллектуальной диагностики структурной устойчивости элементов конструкций и транспортных машин в условиях низких температур» на международной научной конференции «Science XXI century». Россия, г. Москва, 2015 г.;
Публикации. Материалы диссертации отражены в 9 основных опубликованных работах. В одной коллективной монографии, в рецензируемых журналах и изданиях, включенных в перечень ВАК Министерства образования и науки РФ, опубликовано 9, из которых 5 перепечатаны в англоязычном журнале с индексацией в Scopus. Получено 4 патента и 4 свидетельства на регистрацию ПО для ЭВМ.
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Металловедение и термическая обработка металлов», 05.16.01 шифр ВАК
Разработка многослойного стального материала с высоким запасом вязкости разрушения при низких температурах2022 год, кандидат наук Власова Дарья Владимировна
"Влияние структурных изменений в заготовках из конструкционных сталей, полученных 3D печатью электродуговой наплавкой, на хладостойкость и механические свойства"2021 год, кандидат наук Колчин Павел Владимирович
Разработка научно-технологических основ термической обработки хладостойких перлитных и мартенситных сталей для ответственных конструкций атомной техники2019 год, доктор наук Оленин Михаил Иванович
Ударная вязкость и усталостная прочность металлических материалов после равноканального углового прессования2013 год, кандидат наук Фесенюк, Максим Викторович
Исследование особенностей разрушения низколегированных сталей и их сварных соединений в интервале вязко-хрупкого перехода2021 год, кандидат наук Судьин Владислав Витальевич
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка структурной устойчивости металлических материалов и выявление механизмов их разрушения при низких температурах»
Краткая характеристика работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показана научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, приведены сведения об апробации работы, о структуре и объеме диссертации.
В главе 1 представлен анализ отечественной и зарубежной литературы по теме исследования.
Большой вклад в разработку хладостойких материалов и повышение их хладостойкости внесли: Андреев А.К., Лебедев В.В., Панин В.Е., Солнцев Ю.П., Сердитов А.Е., Титова Т.А. и др.
Механизмы хрупкого разрушения металлов, как наиболее характерного для низких температур, рассмотрены в работах В.Е. Панина, И.И.Новикова, В.И.Саррака, В.В.Болотина, Р.В.Гольдштейна, Н.Н.Давиденкова, А.Ф.Иоффе, Л.А.Копельмана, А.Я.Красовского, Н.А.Махутова, Е.М.Морозова, В.В.Панасюка, В.З.Партона, G.R.Irwin A.A.Griffith, J.M.Robertson и др. Прикладные задачи, связанные с разработкой методов оценки хрупкого разрушения, повышением долговечности металлоконструкций, представлены в работах Е.М.Баско,
A.В.Викулина, Г.В.Пачурина, А.Г.Гумерова, Г.П.Гусляковой, Ю.И.Егорова, О.М.Иванцова, П.Ф.Кошелева, В.Н.Красико, А.Я.Красовского, С.А.Куркина,
B.П.Ларионова, А.М.Лепихина, А.В.Лыглаева, Н.А.Махутова, Ю.Г.Матвиенко, В.В.Москвичева, Н.В.Новикова, В.Е.Панина, Ю.И.Пашкова, Ю.П.Солнцева, В.И. Трефилова, В.Т.Трощенко, В.Н.Чувильдеева, В.В.Харионовского, F.M.Burdekin, K.Kalna, T.Kanazawa, W.Weibull, и др.
Как отмечалось, одним из перспективных методов оценки стадийности пластической деформации и разрушения металлов является метод АЭ. Большой вклад в использование этого метода внесли А.Е. Андрейкив, О.В. Башков, В.Н. Белов, B.C. Бойко, ЛР. Ботвина, В.А. Грешников, О.В. Гусев, Ю.Б. Дробот, В.И. Иванов, А.В. Иляхинский, Н.В. Лысак, В.В. Мишакин, Г.Б. Муравин, Н.В. Новиков, С.Н. Пичков, В.М. Родюшкин, H.A. Семашко, А.Н. Серьезнов, А.Л. Углов, В.М. Финкель, А.А. Хлыбов и др.
Однако в связи с особенностями процесса деформирования и разрушения металлов в условиях низких температур, в частности, явления хладноломкости, метод АЭ требует совершенствования программного обеспечения (ПО) и аппаратных средств (АС) для регистрации и обработки сигналов АЭ.
В последние годы в металловедении стали широко использоваться подходы нелинейной динамики и фрактальных представлений, развиваемые В.С.
Ивановой, А.Г. Колмаковым, В.И. Трефиловым, и др., а также аппарат ИНС для решения большого круга задач.
На основе проведенного литературного обзора поставлена цель и задачи исследования.
Глава 2 посвящена описанию исследуемых материалов аппаратного, программного и методического обеспечения проводимых исследований при использовании процесса деформации и разрушения металлов с регистрацией сигнала АЭ. Рассмотрено применяемое оборудование и конструкции криогенных камер, позволяющих проводить исследования процессов деформации и разрушения металлов при разных видах нагружения в широком интервале температур.
В главе 3 изложены результаты экспериментальных исследований при ударном изгибе, растяжении и усталостных испытаниях, в частности, в условиях пониженных температур.
В главе 4 проведен анализ результатов экспериментальных и теоретических исследований. Рассмотрены результаты электронно-микроскопических, фрактографических и других видов анализа поверхностей разрушения. Изучено влияние типа кристаллического строения металла, ее ЭДУ (энергии дефекта упаковки), параметра решетки и других атомных и термодинамических характеристик металлов на хрупкое разрушение в широком диапазоне температур испытаний.
Глава 5 посвящена исследованиям путей повышения хрупкой прочности сталей с ОЦК решеткой. Проведено квантово-механическое моделирование влияния примесей на прочность границ зерен в металлах с ОЦК решеткой при низких температурах. Приведены исследования по влиянию режима термообработки на механические и энергетические характеристики сталей.
В заключении диссертации приведены основные результаты и выводы.
Приложения содержат: 1. разработанные программы и алгоритмы; 2. копии актов о внедрении результатов работы; 3. химический состав исследуемых материалов.
Глава 1 Литературный обзор. Хладостойкость металлов и методы её оценки
В настоящее время разработано большое количество хладостойких материалов, однако, для выбора наиболее подходящего материала необходимо учитывать комплекс необходимых свойств для обеспечения надежного функционирования технических систем в Арктических условиях.
Повышение надежности машин и сооружений, работающих в условиях Крайнего севера и Арктики, достигается, прежде всего, за счет правильного выбора и использования хладостойких материалов.
Среди важных свойств материалов, работающих при низких температурах, являются их ударная вязкость и усталостные характеристики материалов, определяющие остаточный ресурс ответственных узлов транспортных и вспомогательных средств.
В связи с этим в главе рассмотрены основные требования, предъявляемые к материалам, работающим в условиях пониженных температур; влияние низких температур на механизмы разрушения металлов и их механические свойства. Рассмотрены основные методы оценки хладостойкости и диагностики материалов для оценки деформации и разрушения в условиях пониженных температур.
1.1 Основные требования, предъявляемые к материалам, работающим в условиях пониженных температур
На основе анализа климатических условий, рабочих сред и ряда других факторов, оказывающих влияние на эксплуатационные характеристики материала, выделим наиболее существенные:
• пониженные температуры в ряде случае до -60°С и ниже;
• сложный характер нагружения конструкций в связи с воздействием статических, циклических и динамических нагрузок от воздействий ледовых полей, волн, ветра, возможных землетрясений;
• коррозионно-механическое и эрозионное воздействие морской воды и
льда;
• значительные колебания температуры в процессе эксплуатации технического объекта.
Как правило, при снижении температуры эксплуатации увеличивается статическая и циклическая прочность, происходит снижение пластичности и вязкости, а также повышение склонности к хрупкому разрушению.
Конструкция или узел машины северного исполнения должна соответствовать комплексу требований, которые, в ряде случаев, противоречат друг другу. К числу основных требований следует отнести:
- минимальная масса;
- достаточная надежность;
- необходимая быстроходность;
- минимальная динамическая нагруженность;
- малая стоимость;
- долговечность и т. д.
Выделим основные технические требования к материалам технических систем, исходя из выделенных особенностей в работе спасательных и ряда других транспортных средств и конструкций, работающих в условиях Арктики:
1. Огнестойкость - способность материалов конструкций ограничивать распространение огня, а также сохранять необходимые эксплуатационные качества при высоких температурах в условиях воздействия огня. Характеризуется пределами огнестойкости и распространения огня;
2. Гидрофобность - это характеристика материалов, определяющая их способность не смачиваться водой. К полностью гидрофобным материалам относятся многие металлы, керамика, часть органических соединений, стекло;
3. Горючесть (возгораемость) - способность вещества (материала) к распространению пламени или к тлению. В России по горючести вещества делятся на горючие (после зажигания самостоятельно горят на воздухе), трудногорючие (гаснут после удаления источника зажигания), негорючие (не
горят даже в зоне действия источника зажигания). В США и большинстве западноевропейских стран трудногорючие вещества в отдельную группу не выделяют;
4. Показатель токсичности продуктов горения материалов - отношение к единице объема замкнутого пространства материала, при сгорании которого выделяющиеся продукты вызывают гибель 50 % подопытных животных. Этот показатель следует использовать для сравнительной оценки токсичности продуктов горения веществ;
5. Требование к устойчивости материала при воздействии на него прямых солнечных лучей.
Кроме того, как и многие материалы, материалы, работающие в Арктических условиях, должны обладать также следующими требованиями:
6. Устойчивость материалов к влиянию агрессивных составов;
7. Одно из важнейших требований, предъявляемых к материалу, является требование по износостойкости (свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определённых условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания).
Также существуют методы повышения износостойкости деталей благодаря нанесению специального износостойкого покрытия на поверхность детали.
8. При выборе материалов, работающих в условиях Арктики, следует отметить необходимость достижения постоянства свойств материалов конструкции (структурной устойчивости), либо их незначительное изменение (в пределах заданных норм) в период эксплуатации и при различных температурах, перепад которых очень большой.
9. Важное требование к материалам, работающим в условиях низких температур - хладостойкость. Хладноломкость характерна, как правило, для металлов и сплавов с ОЦК и ГПУ решетками. Запас вязкости имеется у материалов, у которых порог хладноломкости расположен ниже рабочей температуры.
На основе анализа приведенных выше требований необходимо отметить, что в качестве ключевого показателя необходимо рассматривать хладостойкость. Требуется изучение хладостойкости материалов, влияния различных факторов на характер разрушения материалов при низких температурах и разработка способов анализа изломов после испытания образцов на ударный изгиб.
1.2 Влияние низких температур на механизмы разрушения металлов и
механические свойства
1.2.1 Хладостойкость. Механизмы разрушения металлов при низких
температурах
Хладостойкими [1,2,3,4,5] называют материалы, сохраняющие достаточную вязкость при низких температурах от -269°С до 0°С (4 - 273 К). С понижением температуры у большинства металлов и сплавов меняется механизм деформации, начинает возрастать сопротивление сдвигу и металл разрушается хрупко, тогда, как при комнатной температуре наблюдается вязкое разрушение. Дадим ряд определений, которыми будем оперировать в ходе исследования.
Хрупкая прочность - это сопротивление хрупкому разрушению. Хладноломкость - свойство металлов хрупко разрушаться при снижении температуры. Хладостойкость - свойство материала противостоять хрупкому разрушению при низких температурах [6].
Явление хладноломкости и объяснение механизма хрупко-вязкого перехода можно объяснить схемой, созданной А. Ф. Иоффе и развитой Н.Н. Давиденковым (рис. 1.1). Я.Б. Фридман обобщил схему, предложенную Давиденковым для случая сложного напряженного состояния.
Как видно по модели А. Ф. Иоффе, с понижением температуры сопротивление отрыва меняется незначительно по сравнению с сопротивлением пластической деформации аТ (предел текучести), что в определенный момент (рис. 1.1.) вызывает смену механизма разрушения [6].
а, МПа
Ткр. /, °С
Рисунок 1.1 - Схемы хрупкого (I) и вязкого (II) разрушений стали в зависимости от температуры по Иоффе [6]
Температура, соответствующая пересечению кривых ат и аотр является критической температурой хрупкости (Ткр.). При температуре ниже температуры хрупкости сопротивление отрыву меньше, чем предел текучести, что характеризует хрупкое разрушение материала. На порог хладноломкости оказывают влияние множество факторов, такие, как скорость деформирования (с увеличением скорости деформирования увеличивается склонность металла к хрупкому разрушению), наличие концентраторов напряжений, острота и глубина надреза (с их увеличением возрастает склонность к хрупкому разрушению).
По результатам анализа литературных данных можно выделить следующие
виды разрушения, которые приведены на рисунке 1.2.
Рисунок 1.2 Виды разрушения
Как видно из рисунка 1.2, можно выделить 3 вида разрушения с точки зрения механизма деформации, а именно: вязкое, хрупкое и смешанное, а также 2 вида разрушения с точки зрения микроструктуры. С использованием
микрофрактографии можно наиболее точно определить вид разрушения исследуемого образца. На рисунке 1.3. приведены виды изломов стали, каждый из которых имеет свои особенности (табл. 1.1).
Чтобы различать механизмы разрушения (вязкое и хрупкое), необходимо четко понимать особенности каждого из механизмов. Основные признаки вязкого и хрупкого разрушения приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 Основные признаки вязкого и хрупкого разрушения
Признак
Особенности механизма разрушения
Вязкое разрушение
Хрупкое разрушение
Вид трещины и схема разрушения
По величине пластической зоны у вершины трещины
Большая зона пластической деформации впереди распространяющейся трещины.
Величина пластической зоны в устье трещины мала.
Скорость распространения трещины
Малая скорость распространения трещины.
Для стали скорость роста трещины достигает 2500 м/с [7].
Энергоемкость процесса образования и роста _трещины_
Характеризуется высокой поглощенной энергией. Как
правило, большая работа распространения трещины.
Низкая энергоемкость хрупкого разрушения, как и работа распространения трещины.
Характер разрушения
Образующаяся трещина «тупая» с большим углом раскрытия.
Трещина - «острая», имеет малый _угол раскрытия._
По виду излома
Излом матовый, волокнистый, без металлического блеска.
Имеет металлический блеск, имеет характерное ручьистое строение.
Как видно из анализа табл. 1.1, хрупкое разрушение гораздо опаснее вязкого, т.к. имеет большую скорость распространения трещины и является менее энергоемким. Трещина при хрупком разрушение растет не стабильно, а в ряде случаев самопроизвольно, зона пластической деформации в зоне образования трещины мала.
Стоит отметить, что с понижением температуры снижение пластичности происходит постепенно в определенном интервале температур. При этом процент волокна в изломе уменьшается, и при достижении определенной температуры можно наблюдать полностью хрупкий излом. При испытании выше порога хладноломкости наблюдается вязкий излом, при разрушении ниже порога
хладноломкости наблюдается хрупкий излом, в остальном диапазоне температур
наблюдается смешанный излом.
1 2 3 Ь
Рисунок 1.3 - Изломы стали
а - виды излома; 1 - хрупкий; 2 и 3 - смешанные; 4 - вязкий; б) микрофрактограммы (слева направо) вязкого (чашечный), хрупкого (ручьистый), интеркристаллитного хрупкого изломов
(х5000) [6]
Таким образом, можно отметить следующие особенности изломов:
1. Вязкий излом характеризуется наличием микроуглублений (ямок), которые образуются в результате роста и слияния микропустот. Причем глубина и диаметр образующихся ямок характеризует способность металла к пластической деформации;
2. Хрупкий излом характеризуется наличием в изломе ручьистого узора, представляющего собой сходящиеся ступеньки скола, образующиеся в результате разрыва перемычек между хрупкими трещинами.
Учитывая приведенные особенности механизмов разрушения (табл. 1.1), и анализ изменения структуры изломов с понижением температуры, можно сделать вывод, что при проектировании машин и отдельных узлов для работы в условиях низких температур ключевым показателем служит интервал температур вязко-хрупкого перехода.
Хрупкое разрушение, распространяющееся по границам зерен, при исследовании его на электронном микроскопе выявляется в виде, так называемых,
фасеток зернограничного скола (см. рис. 1.3). Межзеренное разрушение облегчается при выделении по границам зерен частиц хрупкой фазы [8].
В зависимости от метода, режима предшествующей обработки и ,самое важное, температуры испытания металлы могут разрушаться как вязко, так и хрупко. В связи с этим, важно выявить факторы, оказывающие влияние на хладостойкость.
1.2.2 Влияние различных факторов на хладостойкость металлов
Область применения хладостойких материалов достаточно обширна. Так, при пониженных температурах работают металлоконструкции (трубы газо-и нефтепроводов, полотно железных дорог, мосты и др.), автомобили, строительные машины, вагоны в северных районах страны.
Как уже отмечалось, ключевым показателем для материалов деталей и элементов конструкций, работающих при пониженных температурах, является хладостойкость.
Согласно литературным данным, на хладостойкость металлов большое влияние оказывают параметры структуры металла, в частности, размер зерна. Что же касается конструктивных факторов, большое влияние на хладостойкость оказывают вид и острота концентратора напряжений, а также масштабный эффект.
В связи с этим, на хладостойкость материала оказывает влияние как число действующих в кристаллической решетке систем скольжения, так и количество и распределение примесей, а также вид дислокационной структуры.
Обзор влияния примесей на хладостойкость.
Влиянию примесей на хладостойкость посвящено большое количество работ. Результаты анализа влияния различных примесей приведены ниже.
Влияние углерода: на рисунке 1.4. приведен график, иллюстрирующий изменение величины ударной вязкости в зависимости от содержания углерода.
кси; Дж'см-
20
30
10
0 1-,-,-
-200 -100 0 +Ю0 и°С
Рисунок 1.4 - Влияние процентного содержания углерода на ударную вязкость
стали [9]
Как видно из рис. 1.4, с повышением содержания углерода значения ударной вязкости сильно падают, и происходит увеличение температуры вязко-хрупкого перехода. Также можно отметить, что интервал вязко-хрупкого перехода с увеличением содержания углерода расширяется. При изучении влияния примесей рассмотрим низкоуглеродистые стали, широко применяющиеся для изготовления узлов и конструкций для работы в условиях пониженных температур.
Влияние серы: Увеличение содержания серы и, тем самым, количества сульфидов снижает пластичность и вязкость, и способствует хрупкому разрушению стали.
Влияние фосфора: Фосфор также относится к вредным примесям, наиболее сильно влияющим на свойства стали. С повышением содержания углерода охрупчивающее влияние фосфора возрастает. Углерод вызывает вытеснение фосфора из раствора на границы зерен, что ослабляет межкристаллические связи. Аналогичное влияние на фосфор оказывает марганец.
Влияние кремния, марганца, хрома, никеля, молибдена и меди хорошо отслеживается по анализу таблицы 1.2. Кроме таких характеристик, как предел текучести, предел прочности, относительное удлинение и т.д., приводятся данные по температуре перехода в хрупкое состояние по методу Е. М. Шевандина. Данные приведены для стали с 0,08—0,11%С в равновесном состоянии (отжиг на зерно 6—8 баллов, последующий отпуск при 670—680°С, охлаждение на воздухе).
Таблица 1.2 Механические свойства и температура перехода в хрупкое состояние низкоуглеродистой стали с 0,08—0,11% С
Элемент Содержание легирующего элемента, % оТ, МПа Об, МПа 5, % V, % Температура перехода в хрупкое состояние, 1х, С
Нелегированная сталь 211 358 39,2 75,2 -80
0,86 266 425 34,4 73,9 -50
1,82 354 491 32,0 70,1 -48
Ми 1,01 219 383 40,2 79,5 -100
1,86 288 486 30,0 65,6 -40
2,96 380 633 31,3 58,1 -
Сг 1,02 216 379 39,5 79,5 -80
2,26 216 384 40,9 80,1 -75
3,18 119 398 40,2 81,4 -80
N1 1,15 225 378 39,0 74,9 -140
3,07 275 480 38,3 75,0 -160
5,16 340 491 35,7 75,7 -180
Мо 1,16 244 404 32,3 70,2 -
1,69 312 394 33,2 75,8 -
Си 1,84 340 417 34,5 76,5 -
2,54 331 428 34,5 75,0 -120
3,22 388 453 35,0 74,4 -140
Как видно из таблицы 1.2, при легировании предел текучести стали увеличивается, как и предел прочности. При легировании Si, Mo, а также Mn более чем на 1% происходит снижение пластичности. Что касается температуры перехода в хрупкое состояние ^х), можно отметить следующее: легирование низкоуглеродистой стали кремнием незначительно увеличивает легирование & практически не изменяет Однако в работе [10] отмечается, что при содержании & ниже 5% можно добиться снижения порога хладноломкости. Легирование никелем заметно снижает температуру перехода в хрупкое состояние, что подтверждается другими литературными данными. Медь при содержании в количестве, близком к пределу растворимости в а-железе, вызывает снижение вязкости, но при дальнейшем увеличении сопровождается некоторым его повышением.
Влияние ванадия: Согласно данным [10], легирование стали ванадием увеличивает порог хладноломкости, тем самым является вредной примесью для стальных конструкций, работающих в условиях пониженных температур.
По результатам анализа влияния примесей на температуру перехода в хрупкое состояние, можно отметить, что, несмотря на большое количество данных по влиянию различных примесей на хладостойкость, эти данные в ряде источников отличаются и даже противоречат друг другу. Таким образом, вопрос влияния примесей на хладостойкость низкоуглеродистой стали до сих пор до конца не изучен и требует дальнейшего анализа.
Хладостойкость материалов зависит от ряда факторов. К числу наиболее значимых факторов можно отнести структуру и химический состав материала, скорость деформирования, вид напряженного состояния, а также характер предшествующей технологической обработки [11]. Хладостойкость в значительной мере зависит от пластичности металла. Снижение пластичности вызывают такие химические элементы, как кислород, водород, азот и ряда других, что связано с образованием твердых растворов внедрения [11, 12]. Металлы с ОЦК решеткой проявляют повышенную чувствительность к загрязнению газовыми примесями, при этом наибольшей растворимостью обладает водород [8]. Сетки карбидов в аустенитных нержавеющих сталях при пониженных температурах приводят к значительному снижению пластичности, при нормальных температурах их влияние незначительно [11].
Как было показано, с учетом анализа климатических условий при выборе материала конструкции также следует учитывать его коррозионную и химическую стойкость в рабочей среде. Алюминиевые сплавы, а также сплавы с добавлением никеля отличаются высокой коррозионной стойкостью в отличие от углеродистых и низколегированных сталей, что ограничивает область их применения.
1.2.3 Влияние низких температур на механические свойства металлов
В разделе 1.1. уже рассматривались некоторые аспекты влияния низких температур на механические свойства металлов.
Как показывает анализ, при понижении температуры чаще всего наблюдается повышение предела текучести, предела прочности (в ряде случаев до 5 раз относительно характеристик при комнатной температуре), рост модуля упругости, уменьшение величины относительного удлинения [13,14,3,15]. Так например, при температуре порядка 3-4К предел прочности стали в 2,5-3 раза больше, чем при комнатной температуре, для меди это увеличение составляет порядка 2 раз, для прессованного алюминия до 6 раз.
Как уже отмечалось, для грамотного выбора подходящего материала конструктору необходимо учитывать изменение механических характеристик относительно характеристик, определяемых при комнатной температуре. Кроме таких характеристик, как предел текучести а0,2, предел прочности ов, действительное разрушающее напряжение ор, относительное удлинение 5, поперечное сужение ф, определяемые в процессе статического нагружения, также необходимо учитывать статические и динамические характеристики образцов с концентратором при ударном изгибе, в частности, величину ударной вязкости. В ходе выполнения исследования необходимо рассмотреть влияние температуры в совокупности на все указанные характеристики материала.
Анализ влияния типа кристаллической решетки материала приведен в ряде литературных источников, в частности, в [3,13,14,16,17,18]. Отметим лишь некоторые особенности.
1) Металлы с ГЦК - решеткой чаще всего допускают большие пластические деформации и проявляют хорошую устойчивость при понижении температуры. Понижение температуры вызывает увеличение числа систем скольжения, при этом процесс пластической деформации идет равномерно и сопровождается упрочнением, а также отсутствуют тетрагональные искажения Для ряда металлов этой группы (например, алюминия) выполняется закон Коттрелла-Стокса [17].
2) Металлы с ОЦК - решеткой проявляют склонность к хрупкому разрушению при понижении температуры. Температуры вязко-хрупкого перехода для этих металлов изменяются в достаточно широких пределах. В отличие от
металлов с ГЦК решеткой при понижении температуры у металлов с ОЦК решеткой уменьшается число действующих систем скольжения. Понижение температуры вызывает также увеличение предела текучести. У металлов с ОЦК-решеткой проявляется критическая температура хрупкости, при которой пластичность металла снижается до незначительного уровня.
3) Что же касается металлов с ГПУ решеткой, пластические деформации ограничены еще при комнатной температуре, это связано с тем, что у них работает в основном одна система скольжения.
Мало изучено влияние низких температур для технически чистых металлов. Однако есть некоторые наработки в этой области. На рисунке 1.5 приведены зависимости, отражающие изменение предела прочности и текучести для металлов технической чистоты с разными типами кристаллической решетки [19].
В соответствии с дислокационными представлениями важными показателями, определяющими процессы деформации и разрушения металлов,
являются такие, как вектор Бюргерса, модуль сдвига, и ЭДУ [18,20,8].
_ г —■ —■ —■ —■
Похожие диссертационные работы по специальности «Металловедение и термическая обработка металлов», 05.16.01 шифр ВАК
Микроструктура низколегированных сталей и особенности их разрушения в интервале вязко-хрупкого перехода2020 год, кандидат наук Воркачев Константин Григорьевич
Взаимосвязь параметров трещиностойкости сталей корпусов реакторов ВВЭР-1000 со структурными параметрами поверхностей разрушения образцов типа SE(B)2014 год, кандидат наук Ерак, Артем Дмитриевич
Повышение эксплуатационных свойств высокопрочных комплекснолегированных сталей для обсадных труб в хладостойком и коррозионно-стойком исполнениях2024 год, кандидат наук Усков Дмитрий Петрович
Параметры вязко-хрупкого разрушения сталей и их применение для управления качеством полуфабрикатов и изделий2004 год, кандидат технических наук Шведов, Михаил Афанасьевич
Особенности механизмов разрушения и деформационного старения в зависимости от структурного состояния низколегированных трубных сталей2022 год, кандидат наук Мишетьян Анна Рубеновна
Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Аносов, Максим Сергеевич, 2018 год
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Солнцев, Ю.П. Современные и перспективные стали криогенной техники [Текст] / Ю.П. Солнцев // М.: ИМЕТ РАН. Перспективные материалы, 1998. - №3. - С. 68-81
2. Металловедение. Сталь [Текст]: справочник в 2-х томах (четырех книгах): пер. с нем. - М. : Металлургия, 1995. - 399 с.
3. Лебедев, Д.В. Конструктивная прочность криогенных сталей [Текст] / Д.В.Лебедев. - М. : Металлургия, 1976. - 264 с.
4. Солнцев, Ю.П. Хладостойкие стали и сплавы [Текст]: Учебник для вузов / Солнцев Ю. П. - Санкт-Петербург: ХИМИЗДАТ, 2014. - 476 с.
5. Новиков, Н. В. Механические испытания конструкционных материалов при низких температурах [Текст] / Н. В. Новиков, А. А. Лебедев, Б. И. Ковальчук.- Киев: Наукова думка, 1974. - 192 с.
6. Лахтин, Ю. М. Материаловедение [Текст]: Учебник для высших технических учебных заведений/ Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.
7. Финкель, В. М. Физика разрушения: рост трещин в твердых телах [Текст] / В. М. Финкель. - М.: Металлургия, 1970. - 376 с.: ил.
8. Трефилов, В.И. Дисперсные частицы в тугоплавких металлах [Текст] / В.И. Трефилов, В.Ф. Моисеев. - Киев: Наукова думка, 1975. - 240 с.
9. Вологжанина, С.А. Хладостойкие материалы. Лабораторные работы. Учебно-методическое пособие [Текст]/ С.А. Вологжанина, А.Ф. Иголкин. -СПб.: Университет ИТМО, 2015. - 42 с.
10. Гуляев, А.П. Ударная вязкость и хладноломкость конструкционной стали [Текст]/ А.П. Гуляев. - М., изд. «Машиностроение», 1969. - 69 с.
11. Гуляев, А. П. Металловедение [Текст]. Учебник для вузов./ А.П. Гуляев. -6-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1986. - 544 с.
12. Филлипов, Г.А. Деградационные процессы и их влияние на трещиностойкость трубных сталей после длительной эксплуатации [Текст]/ Г.А. Филлипов, О.В. Ливанова // Сборник трудов научно-практического семинара «Проблемы старения сталей магистральных трубопроводов»/ Под ред. Будзуляка Б.В., Седых А.Д. - Н.Новгород: Университетская книга, 2006. - 220 с.
13. Ульянин, Е. А.Стали и сплавы для криогенной техники [Текст]: справочник / Е. А. Ульянин, Н. А. Сорокина. - М.: Металлургия, 1984. - 206 с.
14. Вигли, Д. А. Механические свойства материалов при низких температурах [Текст] / Д.А. Вигли; Перевод с англ. В. Н. Геминова; под ред. [и с предисл.] Л. К. Гордиенко. - Москва: Мир, 1974. - 373 с.: ил.
15. Сорокина, H.A. Нержавеющие высокопрочные стали для службы при криогенных температурах [Текст] / Н.А. Сорокина.- Киев: Наукова думка, АН УкрССР, 1977. - с. 32-38.
16. Солнцев, Ю. П. Материалы в криогенной технике [Текст]: Справочник / Ю. П. Солнцев, Г. А. Степанов. - Л. : Машиностроение : Ленингр. отд-ние, 1982. - 312 с.
17. Береснев, Г.А. Факторы, влияющие на склонность стали к хрупкому разрушению [Текст] /Г.А. Бреснев // Сборник «Проблемы металловедения и физики металлов». М.: Металлургия, 1968. - № 9. - С. 157-162.
18. Спектор, Я.Я. О причинах влияния никеля на хладноломкость железа [Текст]/ Я.Я. Спектор, В.И. Саррак, Р.И. Энтин // ДАН СССР, 1964, т. 155. -№ 5. - С. 156-157.
19. Клиненко, А.П. Холод в машиностроении [Текст]/ А.П. Клиненко, Н.В. Новиков, Б.Л. Смоленский, В.И. Могильный, В.И. Климентьев, М.А. Рохленко.- Под редакцией А.П. Клименко. М., Изд-во "Машиностроение", 1969. - 248 с.
20. Малыгин, Г. А. Процессы самоорганизации дислокаций и пластичность кристаллов / Г.А. Малыгин // УФН, 1999. - Т. 169 - № 9. - С. 979-1010.
21. Значковский, О.Я. Сопротивление разрушению хромоникелиевых сталей при криогенных температурах [Текст]/ О.Я. Значковский, Н.В. Новиков // Сборник «Физико-механические и теплофизические свойства металлов». М.:, Наука, 1976. - С. 81-88.
22. Материаловедение: Учебник для ВУЗов, обучающих по направлению подготовки и специализации в области техники и технологии [Текст]/ Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин [и др.] - 5-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 646 с.: ил.
23. Солнцев, Ю.П. Материалы для низких и криогенных температур [Текст]: Энциклопедический справочник / Ю.П. Солнцев, Б.С. Ермаков, О.И. Слепцов, - Санкт-Петербург: ХИМИЗДАТ, 2008. - 768 с.
24. Зиновьев, Ю.А. Повышение эффективности работы транспорта в условиях крайнего севера и Сибири [Текст]/ Ю.А.Зиновьев, И.О. Леушин, А.М. Тимофеев [и др.] // Труды нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева №1(98), 2013. - С. 236 - 241.
25. Материаловедение [Текст] / Б.Н. Арзамасов [и др.].- М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. - 648 с.
26. Большаков, А.М. Вероятностные методы оценки хрупкого разрушения стальных конструкций [Текст] / А. М. Большаков. - Якутск: Учреждение РАН Ин-т физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, 2011. - 112 с.
27. ГОСТ 22848-77. Металлы. Методы испытания на ударный изгиб при температурах от минус 100 до минус 269°С. - Введ. 1979-01-01. - М.: Из-во Стандартов, 1974. - 12 с.
28. Штремель, М. А. Прочность сплавов ч. 2 Деформация [Текст] / М.А. Штремель. - М., Изд. МИСИС, 1997. - 408 с.
29. Иванова, B.C. Природа усталости металлов [Текст]/ B.C. Иванова, В.Ф. Терентьев.- М.; Металлургия, 1975.- 456 с.
30. Апасов, А.М. Исследование сигналов акустической эмиссии при статическом нагружении плоских образцов из высокопрочной стали [Текст]/ А.М. Апасов// Известия Томского политехнического университета, 2010.-т.316.- №2.- С.32-41.
31. Семашко, Н.А. Акустическая эмиссия в экспериментальном материаловедении [Текст]/ Н.А. Семашко, Б.Н. Марьин [и др.]; под ред. Н.А.Семашко.- М.: Машиностроение, 2002.-240 с.
32. Кудря, А.В. Количественная оценка разрушения по акустической эмиссии в различных масштабах измерения [Текст]/ А.В. Кудря, Е.А.Марков// Материаловедение, 2007.- №1.- С. 13-18.
33. Стрижало, В.А. Прочность и акустическая эмиссия материалов и элементов конструкций [Текст]/ В.А. Стрижало, Ю.В. Добровольский, В.А. Стрельченко [и др.]; Отв. Ред. Писаренко Г.С.; АН УССР. Ин-т проблем прочности.- Киев: Наук. Думка, 1990.- 232с.
34. Кривцов, Ю.С. Прочностные характеристики аустенитных Cr-Ni-Mn сталей для изделий криогенной техники [Текст] / Ю.С. Кривцов, O.A. Федорова// Сборник «Актуальные проблемы прочности материалов и конструкций при низких и криогенных температурах». СПб.- 1997.
35. Хирт, Дж. Теория дислокаций [Текст] / Дж. Хирт, И. Лоте.- перев. с англ. под ред. Э. М. Надгорного и Ю. А. Осипьяна. - М.: Атомиздат, 1972. - 600 с.
36. Набарро, Ф. Р. Н. Пластичность чистых монокристаллов [Текст]: пер. с англ. / Ф. Р. Н. Набарро, З. С. Базинский, Д. Б. Холт; под ред. Л. М. Утевского и А. Л. Ройтбурда. - Москва: Металлургия, 1967. - 214 с.
37. Бернер, Р. Пластическая деформация монокристаллов [Текст]: пер. с нем. / Р. Бернер, Г. Кронмюллер; под ред. [и с вводной статьей] А. Н. Орлова. -Москва: Мир, 1969. - 272 с.
38. Хирш, П.Б. Распределение дислокаций и механизмы упрочнения в металлах [Текст]/ П.Б. Хирш // Сборник «Структура и механические свойства в металлах». - М.: Металлургия, 1967. - С.42-75.
39. Рыбин, В. В. Большие пластические деформации и разрушение металлов [Текст]/ В. В. Рыбин.- М.: Металлургия, 1986.- С. 9-61.
40. Владимиров, В. И. Дисклинации в кристаллах [Текст]/ В. И. Владимиров, А. Е. Романов; отв. ред. А.Н. Орлов; АН СССР, Физ.-техн. ин-т им. А.Ф. Иоффе. Л.- Наука, 1986.- 222 с.
41. Конева, Н.А. Дислокационные субструктуры и их трансформация при усталостном нагружении (обзор) [Текст]/ Н.А. Конева, Л.А. Теплякова, О.В. Соснин [и др.] // Известия ВУЗов. Физика.- № 3.- 2002.- С. 87-98.
42. Механизмы усталостного разрушения материалов при низких температурах [Текст] / Кабалдин Ю.Г. [и др.]// Вестник машиностроения. - 2017. -№7. -С.51-58.
43. Трефилов, В.И. Физические основы прочности тугоплавких металлов [Текст]/ В.И. Трефилов, Ю.В. Мильман, С.А. Фирстов.- Киев: Наук. думка, 1975. - 315 с.
44. Бернштейн, М.Л. Структура деформированных металлов [Текст]/ М.Л. Бернштейн.- Издательство Металлургия, 1977.- 431 с.
45. Елсукова, Т.Ф. Влияние масштабных уровней поворотных мод пластического течения на сопротивление деформации поликристаллов [Текст]/ Т.Ф. Елсукова, В.Е. Панин// Физическая мезомеханика.- 2009.-т.12.- № 3.- С. 5-13.
46. Панин, В.Е. Деформируемое твердое тело как нелинейная иерархически организованная система [Текст]/ В.Е. Панин, В.Е. Егорушкин// Физическая мезомеханика.- 2011.- т. 14.- № 3.- С. 7-26.
47. Соснин, О.В. Эволюция дислокационных субструктур в сталях при усталостном нагружении [Текст]/ О.В. Соснин, А.В. Громова, Ю.Ф. Иванов [и др.] // Вестник Новгородского государственного университета.-2004.- № 28.- С.13-28.
48. Пригожин, И. Введение в термодинамику необратимых процессов [Текст]/ И. Пригожин.- М.; Мир, 1962.- 232 с.
49. Малинецкий, Г. Г. Современные проблемы нелинейной динамики [Текст]/ Г. Г. Малинецкий, А. Б. Потапов.- Москва: Эдиториал УРСС, 2000.- 336 с.
50. Панин, В.Е. Структурные уровни деформации твердых тел [Текст]/ В.Е. Панин, В.А. Лихачев, Ю.В. Гриняев.- Новосибирск; Наука, 1985.- 229 с.
51. Кабалдин, Ю.Г. Оценка устойчивости структурного состояния металлических материалов при их деформации на основе подходов нелинейной динамики и фрактального анализа [Текст]/ Ю.Г. Кабалдин, М.С. Аносов, Д.А. Шатагин [и др.] // Успехи современной науки.- Т.4. - № 9.- 2016.- С. 100-107.
52. Панин, В.Е. Основы физической мезомеханики [Текст]/ В.Е. Панин// Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов. -Новосибирск: Наука.- 1995.- Т.1.- №1.- 297с.
53. Клявин, О.В. Пластичность и прочность твердых тел в среде жидкого гелия [Текст]/ О.В.Клявин // Проблемы прочности и пластичности твердых тел.-Ленинград: Наука.- 1979. - С.189-200.
54. Николаев, В.И. Неустойчивость деформации при температуре жидкого гелия [Текст]/ В.И. Николаев, В.В. Шпейзман // Физика твердого тела.-1997.- т.39.- №4.- С. 647-651.
55. Иванова, В.С. О связи стадийности процессов пластической деформации с фрактальной структурой, отвечающей смене масштабного уровня деформации [Текст]/ В.С. Иванова, А.А. Оксогоев // Физическая мезомеханика.- т.6.-№9.- 2006.- С. 17-27.
56. Иванова, В. С. Синергетика и фракталы в материаловедении [Текст]/ В.С. Иванова, А.С. Баланкин, И.Ж. Бунин [и др.]. - М.: Наука, 1994. - 384 с.
57. Савенков, Г.Г. Связь фрактальной размерности поверхности разрушения с комплексом стандартных характеристик материала на растяжение [Текст]/ Г.Г. Савенков, Б.К. Барахтин// ПМТФ.- 2011.- т.52.- №6.- С. 177-184.
58. Саврай, Р.А. Механические характеристики азотистой аустенитной стали 04Х20Н6Г11М2АФБ при статическом растяжении в интервале температур от -70 до + 1400С [Текст]/ Р.А. Саврай, А.В. Макаров, Э.С. Гаркунов [и др.]// Вектор науки ТГУ.- 2015.- №4 (34).- С. 100-106.
59. Александров, В.В. Особенности пластической деформации и разрушения металлов при низких температурах [Текст]/ В.В. Александров, А.И. Борзяк, С.В. Боярский [и др.]// Сб. Физико-механические и теплофизические свойства металлов.- М.: Наука.- 1976.- С. 179-183.
60. Чернов, В.М. Хладостойкость и разрушение металлов с разными кристаллическими решетками - дислокационные механизмы [Текст]/ В.М. Чернов, Б.К. Кардашев, К.А. Мороз// Журнал технической физики.- 2016.-т.86.-вып.7.- С. 57-64.
61. Судзуки, Т. Динамика дислокаций и пластичность [Текст]: Пер. с япон./ Т. Судзуки, Х. Есинава, С. Такеути.- М.: Мир, 1989.- 296 с.
62. Вологжанина, С.А. Оценка ресурса и обобщение влияния процессов длительной эксплуатации на структуру и свойства хладостойких сталей [Текст]: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.02.01.- СПб., 2004.- 36 с.
63. Москвитина, Л.В. Структуры деформации и разрушения ходовых частей большегрузных самосвалов М-200 (США), эксплуатирующихся в условиях низких температур [Текст]/ Л.В. Москвитина, С.Г. Москвитин// Труды Всероссийской конференции «Актуальные проблемы машиностроения».-Якутск.- 2015.- С. 827-831.
64. Ларионов, В.П. Хладостойкость материалов и элементов конструкций: результаты и перспективы [Текст]/ В.П. Ларионов, В.Р. Кузьмин, О.И. Слепцов [и др.] //Новосибирск: Наука.- 2005.-290 с.
65. Кандрашов, Б.К. Внутреннее трение и хрупко-вязкий переход в конструкционных сталях [Текст]/ Б.К. Кандрашов, А.С. Нефагин, Г.Н. Ермолаев [и др.] // Письмо в ЖТФ.- 2008.- т.2.- вып. 18.- С. 44-49.
66. Панин А.В. О природе низкотемпературной хрупкости сталей с ОЦК-структурой [Текст]/ А.В. Панин, М.С. Казаченок // Физическая мезомеханика.- 2013.- №6.- С.5-12.
67. Илюхин, В.Ю. Исследование влияния деформационного старения на коррозионную стойкость и склонность к водородному охрупчиванию трубных сталей различной категории прочности [Текст]: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.02.01. - М., 2009. - 18 с.
68. Савицкий, Е.М. Металловедение тугоплавких и редких металлов [Текст]/ Е.М. Савицкий, Г.С. Бурханов.- М.: Наука,1973.-143 с.
69. Колесников, В.И. Квантово-химический анализ изменений прочности железа, вызванных зернограничной сегрегацией [Текст]/ В.И. Колесников, Ю.Ф. Мигаль, С.Н. Мижирицкая, В.Н. Доронькин// Вестник Южного научного центра РАН.- 2007.- т.3.- № 2.- С. 12-19.
70. Заводинский, В.Г. Квантово-механическое исследование влияния примесей (C и P) на прочностные характеристики феррита (a-Fe) [Текст]/ В.Г. Заводинский, Ю.Г. Кабалдин// Computational nanotechnology.- 2017.- №1.- С. 36-38.
71. H. Hohenberg, W. Kohn. Inhomogeneous Electron Gas. Phys. Rev. 136 (1964) B864-71
72. W. Kohn, J.L. Sham. Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects. Phys. Rev. 140 (1965) A1133-38.
73. M.L. Cohen, V. Heine. Pseudopotential theory of cohesion and structure. In: Ehrenreich H, Seitz F, Turnbull D, editors. Solid State Physics, New York: Academic Pres; 1970; 24; 38-249.
74. Заводинский, В.Г. Компьютерное моделирование наночастиц и наносистем: учебное пособие для вузов [Текст]/ Заводинский В.Г. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2013.- 174 с.
75. Fritz Haber Instutute: http://www.fhi-berlin.mpg.de/
76. M. Beckstedte, A. Kley, J. Neugebauer, M. Scheffler. Density functional theory calculations for poly-atomic systems: electronic structure, static and elastic properties and ab initio molecular dynamic. Comp. Phys. Commun. 107 (1997) 187-205.
77. M. Fuchs, M. Scheffler. Ab initio pseudopotentials for electronic structure calculations of poly-atomic systems using density functional theory. Comp. Phys. Commun. 119 (1999) 67-165.
78. Марочник сталей и сплавов [Текст]/ М.М.Колосков [и др.]; под общей ред. А.С. Зубченко. - М.: Машиностроение, 2001.- 672 с.
79. Самсонов, Г.В. Свойства элементов [Текст]: справочник. В 2 частях. Ч.1. Физические свойства / Г.В. Самсонов.- 2-е изд. М.: Металлургия, 1976. -600 с.
80. Носкова, Н.И. Сопоставление энергии дефекта упаковки с электронной структурой [Текст]/ Н.И. Носкова, В.А. Павлов, С.А. Немнонов // ФММ.-1965.- Т.20, вып. 6.- С.920-924.
81. Григорович, В.К. Металлическая связь и структура металлов [Текст]/ В.К. Григорович.- М., Наука, 1988.- 296 с.
82. Юм-Розери, У. Факторы, влияющие на стабильность металлических фаз [Текст]/ У. Юм-Розери // Устойчивость в металлах и сплавах.- М.: Мир, 1970.- С. 79-199.
83. Корнилов, И.И. Металлохимические свойства элементов периодической системы [Текст]/ И.И. Корнилов, Н.М. Матвеева, А.И. Пряхина, Р.С. Полякова.- М.: Наука, 1986.- 256 с.
84. Саррак, В.И. Хрупкое разрушение металлов [Текст]/ В.И. Саррак// Успехи физических наук.- 1959.- т.27, вып.2.- С.339-361.
85. Бокштейн, Б.С. Перераспределение атомов легирующих элементов при старении стали Х11Н5М4 и Х11Н4М5К15 [Текст]/ Б.С. Бокштейн, А.Л. Мирский, Н.Г. Орехов // Изв. вузов, Черная металлургия.- 1979.- № 1.- С. 100-103.
86. Гаврилюк, В.Г. Распределение углерода и легирующих элементов в сплавах на основе железа [Текст]/ В.Г. Гаврилюк // Фазовые и структурные превращения и метастабильные состояния в металлах. - Киев, Наукова думка.- 1988.- С.51-72.
87. Барсуков, О.А. Основы атомной физики [Текст]/ О.А. Барсуков, М.А. Ельяшевич.- М.: Научный мир, 2006. - 648с.
88. Шахназаров, Ю.В. Исследование старения Сг-М-Со-Мо сталей [Текст]/ Ю.В. Шахназаров, М.С. Анисимова, Е.А. Цукров // ФММ.- 1973.- т.35, вып. 1.- С. 201-204.
89. Панин, В.Е. Научные основы хладноломкости конструкционных сталей с ОЦК решеткой и деградация их структуры при эксплуатации в условиях низких температур [Текст]/ В.Е. Панин [и др.]// Физическая мезомеханика.-2016.-Т.19, №2.- С. 5-14.
90. Нохрин, А.В.Старение сталей труб магистральных газопроводов [Текст]/ А.В. Нохрин, В.Н. Чувильдеев// Вестник Нижегородского университета им. Н.И.Лобачевского.- 2010.- №5(2).- С.171-180.
91. Мартин, Дж. У. Микромеханизмы дисперсного твердения [Текст]/ Дж. У. Мартин// Физическая мезомеханика.- М.: Металлургия.- 1998.- №1.- С. 3-35.
92. Гринберг, Б.А. Интерметаллиды №3А1 и ТА1: микроструктура, деформационное поведение [Текст]/ Б.А. Гринберг, М.А. Иванов.-Екатеринбург: УРО РАН, 2002. - 358 с
93. Трефилов, В.И. Деформационное упрочнение и разрушение поликристаллических металлов [Текст]/ В.И. Трефилов, В.Ф. Моисеев, Э.П. Печковский [и др.]; под ред. акад. АН УССР В. И. Трефилова.- К.: Наукова думка, 1987. - 246 с.
94. Коротаев, А.Д. Дисперсное упрочнение тугоплавких металлов [Текст]/ А.Д. Коротаев, А.Н. Тюменцев, В.Ф. Суховаров.- Новосибирск: Наука, 1989.211 с.
95. Панин, В.Е. О природе хрупкой прочности сталей с ОЦК-структурой [Текст]/ Панин В. Е. [и др.]// Физическая мезомеханика.- 2013.- т.16, 33-12. С.5-12.
96. Гуляев, А.П. Металловедение. Учебник для вузов [Текст]/ А.П.Гуляев.- 6-е изд., перераб. и доп.- М.: Металлургия, 1986.- 544 с.
97. Солнцев, Ю.П. Конструкционные стали и сплавы для низких температур [Текст]/ Ю.П. Солнцев, Г.А. Степанов.- М.: Металлургия, 1985.- 271 с.
98. Голыптейн, М.И. Дисперсионное упрочнение сталей/ М.И. Голыптейн , В.М.Фарбер.- М.: Металлургия, 1979.- 207 с.
99. Новиков, И.И. Термодинамические аспекты пластического деформирования и разрушения металлов [Текст]/ И.И. Новиков// Сборник «Физико-механические и теплофизические свойства металлов».- М.: Наука, 1976.- С. 170-179.
100. Кабалдин, Ю.Г. Оценка и диагностика структурной устойчивости материалов при низких температурах с использованием подходов нелинейной динамики и искусственного интеллекта [Текст]/ Ю.Г. Кабалдин, Д.А. Шатагин, Д.А. Сидоренков, А.А. Головин, М.С. Аносов // Вестник машиностроения. - 2017. - №6. - С. 59-63.
101. Степанов, В.А. Роль деформации в процессе разрушения твердых тел [Текст]/ В.А. Степанов // Сборник «Проблемы прочности и пластичности твердых тел».- Ленинград.: Наука.- 1979.- С. 10-26.
102. Орлов, А. Н. Границы зерен в металлах [Текст]/ А.Н. Орлов, В.Н. Перевезенцев, В.В. Рыбин.- М.: Металлургия, 1980.- С. 5-52.
103. Косевич, В. М. Структура межкристаллитных и межфазных границ [Текст]/ В.М. Косевич, В.М. Иевлев, Л.С. Палатник, А.И.Федоренко.- М.: Металлургия, 1980.- Гл. 4,5.
104. Келли А. Кристаллография и дефекты в кристаллах [Текст]/ А. Келли, Г. Гровз.- М.: Мир, 1974.- 504 с.
105. Мартин, Дж. Стабильность микроструктуры металлических систем [Текст]/ Дж. Мартин, Р. Доэрти. - М.: Атомиздат, 1978. - 280 с.
106. Аэро, Э.Л. Нелинейная теория локализованных волн в сложных кристаллических решетках как в дискретно-континуальных системах [Текст]/ Э.Л. Аэро, Ф.Н. Булыгин// Вычислительная механика сплошных сред.- т. 1, №1.-2008.- С.14-30.
107. Кащенко, М.П. Волновая модель роста мартенсита при y-a превращении в сплавах на основе железа [Текст]/ М.П. Кащенко.- Екатеринбург: УИФ «Наука», 1993. - 224 с.
108. Николис, Г. Структурообразование в неравновесных системах [Текст]/ Г. Николис, И. Пригожин.- М.: Мир, 1979.- 512 с.
109. Марченко, И.Г. Молекулярная динамика с квантовой статистикой для исследования динамических свойств металлов [Текст]/ И.Г. Марченко, И.И. Марченко // Вестник Харьковского университета.- № 933, вып. 4.- 2010.- С. 41-48.
110. Пасьхе, С.Г. О термофлуктуационном формировании локальных структурных изменений в кристаллах в условиях динамического нагружения [Текст]/ С.Г. Пасьхе, К.П. Зольников, Д.С.Крыжевич, А.Н. Тюменцев // Физическая мезомеханика.- №8.- 2005.- С.55-60.
111. Кабалдин Ю.Г. Механизмы усталостного разрушения материалов при низких температурах [Текст]/ Кабалдин Ю.Г. [и др.]// Вестник машиностроения. - 2017. -№7. - С. 51-58.
112. Ридный, Я.М. Ab-initio моделирование азота в ГЦК-решетке железа [Текст]/ Я.М. Ридный, А.А. Мирзоев, Д.А. Мирзаев // Вестник ЮрГУ. Серия Металлургия.- 2014.- т. 14, №2.- С. 59-63.
113. Кардашов, Б.К. Внутреннее трение и хрупко-вязкий переход в конструкционных материалах [Текст]/ Б.К. Кардашов [и др.]// Письма в ЖТФ.- 2006.- т.32, вып. 19.- С.44-49.
114. Мазуренко, В.В. Моделирование физических свойств наноматериалов на базе параллельных алгоритмов. Учебное пособие [Текст]/ В.В. Мазуренко, А.Н. Руденко, В.Г. Мазуренко.- Екатеренбург. УГТУ-УПИ, 2009.- 78 с.
115. Григорьев, Р.С. Методы повышения работоспособности техники в северном исполнении [Текст]/ Р.С. Григорьев, В.П. Ларионов, Ю.С. Уржумцев.-Новосибирск: Наука, 1987.- 253 с.
116. Михайлов, В.Е. Замедленное разрушение металлоконструкций [Текст]/ В.Е. Михайлов, В.В. Лепов, В.Т. Алымов, В.П. Ларионов.- Новосибирск: Наука, 1999.- 224 с.
117. Данилов, Ю. А. Лекции по нелинейной динамике [Текст]/ Ю. А. Данилов.-М.: Постмаркет, 2001. - 184с.
118. Табор, М. Хаос и интегрируемость в нелинейной динамике/ М. Табор.- М.: Эдиториал УРСС, 2001. - 318 с.
119. Бернштейн, М. Л. Механические свойства металлов [Текст]/ М. Л. Бернштейн, В. А. Займовский. - М.: Металлургия, 1979. - 354 с.
120. Глинер, Р.Е. Инновационные методы испытания металла, подвергаемого технологическому деформированию и термической обработке: монография [Текст]/ Р.Е. Глинер [и др.]; НГТУ им. Р.Е. Алексеева.- Нижний Новгород, 2016.-124 с.
121. Золотаревский, В.С. Механические свойства металлов [Текст]/ В.С. Золотаревский.- М.: Машиностроение, 1983.- 352 с.
122. ГОСТ 27655-88 Акустическая эмиссия. Термины, определения и обозначения. - Введ. 1989-01-01.- М.: Издательство стандартов, 1988 - 12 с.
123. Relation of the fractal dimension of the fracture surface with a set of standard tension characteristics of the material Savenkov G.G., Barakhtin B.K. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. 2011. Т. 52. № 6. С. 997-1003.
124. Malay K. J., Hansen A., Hinrichen E. L. Experimental measurements of the roughness of brittle cracks // Phys. Rev. Lett. 1992. V. 68, N 2. P. 213-215.
125. Milman V. Y., Stelmashenko N. A., Blumenfeld R. Fracture surfaces: A critical review of fractal studies and a novel morphological analysis of scanning tunneling microscopy measurements // Progr. Material Sci. 1994. V. 38. P. 425474.
126. Bouchaud E. Scaling properties of cracks // J. Phys. Condens. Matter. 1997. V. 9. P. 4319-4344.
127. Башков О.В. Анализ эволюции дефектной структуры поликристаллических материалов на различных стадиях нагружения методом акустической эмиссии [Текст]: автореф. дис. ... доктора техн. наук: 05.16.09. -Комсомольск - на - Амуре, 2011. - 37 с.
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АЭ - акустическая эмиссия
БД - база данных
АЦП - аналого-цифровой преобразователь
МДТТ - механика деформируемого твердого тела
ЭВМ - электронно-вычислительная машина
ОЦК - объёмно-центрированная кубическая (решетка)
ГПУ - гексагональная плотноупакованная (решетка)
ГЦК - гранецентрированная кубическая (решетка)
ЭДУ - энергия дефекта упаковки
ПО - программное обеспечение
ИНС - искусственная нейронная сеть
НЧ - низкие частоты
ВЧ - высокие частоты
ТФП (ОБТ) - теория функционала плотности
ПП - псевдопотенциал
ТО - термообработка
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Разработанные программы и используемые алгоритмы обработки
экспериментальных данных
Алгоритм и программа для выбора хладостойких материалов (Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ №2018611331)
Рисунок П1.1 - Блок схема выбора материала для ответственных узлов транспортных и вспомогательных средств и конструкций Этапы разработки программы: 1.1 - Исходные данные: - температура эксплуатации (min и max);
- минимальное значение предела прочности (согласно КД);
- минимальное значение предела текучести (согласно КД);
- Требуемое минимальное значение ударной вязкости (согласно КД).
1.2 Проверка материалов (из разработанной базы данных) по пределу прочности:
св> свтп (для всего диапазона эксплуатационных температур)
В БД используется уравнение, отражающее изменение предела прочности от температуры ав=:Т(1:) - с понижением температуры (с +20оС до -60оС и ниже) предел прочности растет, с повышением температуры (сначала растет, после достижения определенной температуры начинает монотонно уменьшаться (рис.П1.2)). Отметим, что данная зависимость носит качественный характер.
Рисунок П1.2 - Изменение параметров предела прочности, текучести,
относительного удлинения в широком диапазоне температур для сталей
1.3 Проверка материалов (из разработанной базы данных) по пределу текучести: ат> аТтт (для всего диапазона температур)
В базе данных также используется зависимость предела текучести от температуры ат=:Т(1:).
1.4 Проверка материалов (из разработанной базы данных) по уровню ударной вязкости. Как показали исследования, достаточно сопоставить ударную вязкость при минимальной температуре эксплуатации (т.к. наиболее часто она принимает наименьшее значение при минимальной температуре эксплуатации) с заданной в п.1.
1.5 По выбранным критериям выделяются все подходящие материалы либо выводится сообщение, что подходящих материалов нет.
1.6 Если выделяется несколько материалов, программа автоматически выдает ниже оптимальный материал (критерий оптимизации: относительное удлинение - т.к. при работе в условиях низких температур это один из ключевых показателей).
1.7 В случае, если нет подходящих материалов, необходимо рассматривать возможность улучшения эксплуатационных характеристик.
Интерфейс программы выглядит следующим образом (рис. П.1.3)
Рисунок П1.3 - Интерфейс программы для выбора хладостойких материалов
(а) и ее апробация (б)
Далее на рис. П1.4 приведен программный код.
Рисунок П1.4 - Программный код
Алгоритм расчета фрактальной размерности и информационной энтропии
сигнала АЭ
Рисунок П1.5 - Блок-схема алгоритма расчета фрактальной размерности Хаусдорфа (а) и информационной энтропии (б) сигнала АЭ
Рисунок П1.6 - Оптимизированный участок алгоритма Алгоритм построения аттрактора и расчета его фрактальной
размерности
Рисунок П1.7 - Блок-схема алгоритма построения аттрактора и расчета его
фрактальной размерности
Алгоритм оценка фрактальной размерности структуры
130 150 190
Рисунок П1.8 - Границы в электронной микрофотографии хаотической
дислокационной структурой в ферритных зернах определенные с помощью
гистограммы распределения яркости в зависимости от яркостного максимума
Изображение Дбуметное бейблет-преобразобание Результат дбумерного
бейблет-преобразобания
Ч С? Определение положения максимума ВейВлет-функции
Одномерный сигнал йбумерный сигнал Крибые, отражающие
структуру материала
1 А 8 г? ^ § Векторизация Вычисление фрактальной размерности
СЬертка Пеана
Результат бейблет-преобразобания йбумерный сигнал Значение фрактальной
размерности
Рисунок П1.9 - Алгоритм расчета фрактальной
размерности изображения
Рисунок П 1.10 - Схема распознавания и хранения данных об изломах образцов. Способ классификации изломов с
использованием ИНС
Упрощенный алгоритм оценки температуры вязко-хрупкого перехода
Упрощенный алгоритм оценки температуры вязко-хрупкого перехода можно представить следующим образом:
1. Проводятся испытания на ударный изгиб при температуре от 20оС с постепенным понижением до температуры, при которой величина ударной
л
вязкости падает до 5...10 Дж/см , или до наименьшей температуры эксплуатации материала. Температура изменяется с шагом не менее 10оС.
2. Проводится расчет относительного изменения ударной вязкости АКСУ, начиная с температуры, следующей за температурой 20оС и относительного изменения температуры АТ.
3. Определяется отношение АКСУ/АТ для каждого рассматриваемого интервала температур.
4. Определяются: середина температурного интервала, в котором значение АКСУ/АТ максимально; температура, при которой значение ударной вязкости падает в 2 раза относительно значения при температуре +200С.
5. За температуры вязко-хрупкого перехода принимается максимальная из температур, определенных в п.4.
Рисунок П1.11 - Упрощенный алгоритм оценки температуры вязко-хрупкого перехода (блок-схема)
Программа для определения структурной устойчивости материалов в условиях Арктики (Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ
№2016610676)
Рисунок П1.12 - Интерфейс программного обеспечения определения структурной устойчивости материалов
Рисунок П1.13 - Фрагмент листинга ПО для определения структурной устойчивости материалов в среде разработки Lab View
Рисунок П 1.14 - Внешний вид системы диагностики структурной устойчивости
материалов
Фрагмент корреляционного анализа экспериментальных данных по ударной вязкости и фрактальной размерности излома
У * Расчет выборочных средних
№ п.п. Материал Температура испытания. °С Среднее значение К СУ, Дж/сн2 Фрактальная размерность излома, Г>и Ои
ксу ка7 ■ он
1 Сталь 45 20 40 1,8126 23,1567 1,3212 42,1065
0 34 1,814
-20 27 1,817
-40 19 1:822
-60 10 1,8294
-80 9 1,832
2 Сталь 12Х18Н10Т 20 309 1,8555 290,0000 1,3637 540,3651
-20 302 1,859
-40 297 1,863
-60 280 1,8684
-80 262 1,8725
3 ВТ8 20 50 1,7911 43,2000 1,7956 77,5510
-20 48 1,793
-40 41 1,7942
-60 40 1,7974
-80 37 1,8021
Выборочные дисперсии Среднеквадратичное отклонение Коэффициент корреляции
s2 (kcv) =-— -ксv2 л s4dk) =--~dk2 п = Js2 (kcv)] s(dи) = Js2(DII)n kcvdn - kcv-dm s(kcv)-s{dyi)
134,4722222 5,46539Е-05 11,59621536 0,007393165 -0,97316906
237,6 3,73696Е-05 16,95377354 0,006153323 -0,973331237
24,56 1,439 ME-05 4,955304677 0,003353303 -0,900044433
Фрагмент статистической обработки экспериментальных данных по ударной
вязкости
№ Материал Температура испытания °С Значения KCV: Дж'см' Показатель Формула Результат
1 Сталь 45 20 42 Число значений, п СЧЕТ 3
2 20 44 Среднее значение, KCVcp СРЗНАЧ 40
3 20 за Станд. Отклонение, S СТАНДОТКЛ 2,3234
4 20 42 Стандартное отклонение среднего Sep. S/(n"(l/2)) 1,0000
5 20 37 К. стьюд. (5%, г-1) t СТЬЮДРАСПОБР 2,3646
6 20 за Донерительный интервал, ДИ t*Scp 2,3646
7 20 36 Относительная ошибка 6 ДИ/KCVcp 0,0599
S 20 39
1 Сталь 45 0 36 Число значений, п СЧЕТ 7
2 0 34 Среднее значение, KCVcp СРЗНАЧ 34
3 0 32 Станд. Отклонение, S СТАНДОТКЛ 3,3523
4 0 31 Стандартное отклонение среднего Sep. S/(n<4l/2)) 1,2671
5 0 33 К. стьюд. (5%, г-1) t СТЬЮДРАСПОБР 2,4469
6 0 33 Доверительный интервал, ДИ t*Scp ЗД004
7 0 41 Относительная ошибка б ДИ/KCVcp 0,0904
8 0
1 Сталь 45 -20 24 Число значений, г СЧЕТ 7
2 -20 27 Среднее значение, KCVcp СРЗНАЧ 27
3 -20 25 Станд. Отклонение, S СТАНДОТКЛ 2,3705
4 -20 31 Стандартное отклонение среднего Sep. S/(n*(l/2)) 0,3959
5 -20 27 К. стьюд. (5%, г-1) t СТЬЮДРАСПОБР 2,4469
6 -20 27 Доверительный интервал, ДИ t*Scp 2,1923
7 -20 24 Относительная ошибка б ДИ/KCVcp 0,0325
S -20
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Химический состав и свойства исследуемых материалов
1. Сталь 20
Массовая доля элементов, %, по ГОСТ 1050-88
С
Мп
N1
Б
Р
Сг
Си
лб
Бе
0.170.24
0.170.37
0.350.65
<0.25
<0.04
<0.04
<0.25
<0.25
<0.08
Основа
Удельный вес стали 20: 7,85 г/см Твердость материала: НВ 10 -1 = 163 МПа
Температура критических точек: Лс1 = 735 , Лс3(Лст) = 850 , Лг3(Лгст) = 835 , Лг1 = 680 Температура ковки, °С: начала 1280, конца 750, охлаждение на воздухе Обрабатываемость резанием: в горячекатанном состоянии при НВ 126-131 и 5В=450-490 МПа, Ки тв. спл=1,7 и Ки б.ст=1,6
Свариваемость материала: без ограничений, кроме деталей после химико-термической обработки. Способы сварки: РДС, АДС под флюсом и газовой защитой, КТС Флокеночувствительность: не чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости: не склонна._
Механические свойства:
Состояние поставки Механические свойства, не менее (ГОСТ 1050-88)
Предел текучести, оТ Временное сопротивление разрыву, оВ Относительное удлинение, 5 Относительное сужение, у
Н/мм2 %
Прокат калиброванный 245 410 25 55
2. Сталь 45
Массовая доля элементов, %, по ГОСТ 1050-88
С
Мп
Б
Р
Сг
N1
лб
N
Си
0.420.50
0.170.37
0.500.80
<0.040
<0.035
<0.25
<0.3
<0.08
<0.008
<0.30
Примечание. По ТУ 108.11.890-87 содержание Сг, N1 и Си - не более 0,4%_
Удельный вес: 7826 кг/м3 Термообработка: Состояние поставки Твердость материала: НВ 10 -1 = 170 МПа
Температура критических точек: Лс1 = 730 , Лс3(Лст) = 755 , Лг3(Лгст) = 690 , Лг1 = 780 , Мп = 350
Свариваемость материала: трудносвариваемая. Способы сварки: РДС и КТС. Необходим подогрев и последующая термообработка.
Температура ковки, °С: начала 1250, конца 700. Сечения до 400 мм охлаждаются на воздухе. Обрабатываемость резанием: в горячекатаном состоянии при НВ 170-179 и ов=640 МПа, К и
тв. спл 1 И Ки б.ст 1
Флокеночувствительность: малочувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости: не склонна._
Механические свойства:
Состояние поставки Механические свойства, не менее (ГОСТ 1050-88)
Предел текучести, Ох Временное сопротивление разрыву, ов Относительное удлинение, 5 Относительное сужение, у
Н/мм2 %
Прокат горячекатаный 355 540 13 40
3. Сталь 12Х18Н10Т
Массовая доля элементов, %, по ГОСТ 5632-72
С
Мп
Б
Р
Сг
N1
Бе
Т1
<0,12
<0,80
<2,00
<0.02
<0.035
17,0-19,0
9,0-11,0
Основа
<0.8
Удельный вес: 7920 кг/м3 Термообработка: Закалка 1050 - 1100оС, вода
Температура ковки: начала 1200 °С, конца 850 °С. Сечения до 350 мм охлаждаются на воздухе Твердость материала: НВ 10 -1 = 179 МПа
Свариваемость материала: без ограничений, способы сварки: РДС (электроды ЦТ-26), ЭШС и КТС. Рекомендуется последующая термообработка
Обрабатываемость резанием: в закаленном состоянии при НВ 169 и ов=610 МПа, Ки тв.
спл=0,85, Ки б. ст=0,35
Флокеночувствительность: не чувствительна
Жаростойкость: в воздухе при Т=650 °С 2-3 группа стойкости, при Т=750 °С 4-5 группа стойкости
Предел выносливости: о-1=279 МПа, п=10
Механические свойства:
Состояние поставки Механические свойства
Предел текучести, оТ Временное сопротивление разрыву, ов Относительное удлинение, 5 Относительное сужение, у
Н/мм2 %
Прокат калиброванный 196 510 35 40
4. Алюминиевый сплав Д16
Массовая доля элементов, %, ГОСТ 4784-97
Бе Мп N1 Т1 Л1 Си Мв 2п
<0,5 <0,5 0,3-0,9 <0.1 <0.1 90.8-94.7 3.8-4.9 1.2-1.8 <0.3
Удельный вес: 2800 кг/м3
Твердость материала: НВ 10 -1 = 42 МПа
Термообработка: Закалка дюраля Д16 проводится при 485-503 °С (прессованные изделия),
старение при Т=20 °С, при 185-195 С около 68 часов
Механические свойства:
Состояние поставки Механические свойства, не менее ГОСТ 214 ^88-97
Предел текучести, ох Временное сопротивление разрыву, оВ Относительное удлинение, 5 Относительное сужение, у
Н/мм2 %
Пруток прессованный 295 420 10 16
5. Титановый сплав ВТ8
Массовая доля элементов, %, по ГОСТ 19807-91
Бе С Мо N И А1 2г О Н Примесей
до 0.3 до 0.1 0.2 -0.4 2.8 -3.8 до 0.05 87.55 -90.9 5.8 - 7 до 0.5 до 0.15 до 0.015 прочих 0.3
Удельный вес: 4520 кг/м3
Механические свойства:
Состояние Механические свойства (ГОСТ 26492-85)
поставки Предел Временное Относительное Относительное
текучести, сопротивление удлинение, 5 сужение, у
Ох разрыву, оВ
Н/мм2 %
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.