Разработка методов ультразвуковой диагностики и электроимпульсного подавления усталостного разрушения сталей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, кандидат технических наук Соснин, Олег Валерьевич

• Соснин, Олег Валерьевич
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Соснин, Олег Валерьевич

1 Усталость металлов и сплавов и механизмы электростимули-рованной модификации их структуры

1.1 Усталостное разрушение. Диагностика усталости

1.2 Общее представление о механизмах электропластичности

1.3 Структуроизменение в сплавах, обработанных мощными электрическими импульсами

1.4 О залечивании трещин в металлах при воздействии электрических токовых импульсов

1.5 Постановка задачи исследования

2 Методики исследования и выбор материалов

2.1 Методика усталостных испытаний

2.2 Ультразвуковая методика контроля накопления усталостных повреждений

2.3 Металлографические и структурные методы исследования

2.4 Выбор материалов для исследований

3 Электростимулированное повышение усталостной прочности

3.1 Ультразвуковой контроль накопления усталостных повреждений

3.2 Природа изменения СУЗ при усталости

3.3 Экспериментальные данные о росте усталостной прочности за счет электрической обработки

3.4 Структурные механизмы возрастания усталостной прочности

4 Залечивание усталостных микротрещин при электрическом воздействии

4.1 Микроструктурные и дюрометрические исследования

4.2 Растровая электронная микроскопия поврежденных зон

4.3 О природе эффекта восстановления усталостной прочности

5 Электрическая стимуляция тонких изменений в структуре термически обработанной стали

5.1 Процессы отпуска стали при электрической обработке

5.2 Зернограничный эффект электрической стимуляции

6 Анализ показателей надежности при восстановлении ресурса деталей, работающих в условиях усталостного нагружения

6.1 Усталостное разрушение и и - образная кривая отказов

6.2 Модель развития отказов при усталостном нагружении Заключение и основные выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов ультразвуковой диагностики и электроимпульсного подавления усталостного разрушения сталей»

Проблема усталостного разрушения металлов и сплавов остается актуальной до настоящего времени, несмотря на многолетнюю историю исследований. Значительный экспериментальный материал, накопленный к настоящему времени [1-3], в большей степени подчеркивает ее сложность, чем указывает пути решения. Существует достаточно много неясностей как в объяснении природы повреждаемости [3] при усталостном нагружении, так и при диагностировании усталости [4, 5]. Работы последних лет [6] указывают на сложную природу явления усталости, связанную с самоорганизацией, накоплением и взаимодействием решеточных дефектов в процессе усталостного нагружения.

Сказанное определяет актуальность выполненной работы. Действительно, следует считать, что наиболее часто встречающимся видом нагружения при эксплуатации конструкций, машин и механизмов является циклическое (знакопеременное или более сложное) нагружение, при котором развиваются усталостные явления. Оно характерно для авиационной и ракетной техники, двигателестрое-ния разного типа, транспорта и других отраслей техники. Особую роль играет усталостное нагружение при эксплуатации железнодорожного транспорта. Как подвижный состав (бандажи колес, оси, несущие элементы локомотивов и вагонов и т.п.), так и элементы пути (в первую очередь рельсы [7, 8]) подвержены знакопеременному нагружению, причем амплитуда прикладываемой нагрузки достигает критических значений. Ситуация осложняется тем обстоятельством, что железнодорожный трансорт эксплуатируется при большом перепаде температур окружающей среды, который в условиях Сибири может колебаться от -40 до +40 С0. Неожиданное в большинстве случаев наступление заключительной стадии усталостного разрушения (хрупкий долом) может приводить в таких случаях к катастрофическим последствиям с трудно прогнозируемыми тяжелыми последствиями. Для диагностики усталостного разрушения используются различные методики. В частности, определенные перспективы имеет методика, основанная на измерении малых изменений скорости распространения ультразвука [9]. Помимо надежного определения приближения усталостного разрушения желательной является возможность восстановления ресурса деталей за счет каких-либо внешних воздействий. Большие возможности в этом отношении представляет применение электроимпульсной обработки [10], способствующей релаксации напряжений и залечиванию трещин [11].

На основе сформулированных выше положений определена общая задача исследования: разработать методику подавления усталостных микротрещин с помощью обработки усталостно поврежденного материала импульсами электрического тока большой амплитуды. При этом необходимо достижение следующих частных целей выполняемого исследования:

1 .Разработать способ простого и надежного определения начала критической стадии развития усталостного разрушения, применимый для индивидуальных изделий.

2.Предложить методику восстановления ресурса деталей с помощью специального вида обработки, применимую для достаточно широкого класса практически важных конструкционных материалов.

3.Для повышения надежности и глубины понимания получаемых результатов провести металловедческую проработку проблемы усталостного нагружения и природы восстановления ресурса деталей при такой обработке.

Новизна полученных в работе результатов определяется тем обстоятельством, что в отличие от традиционных подходов все полученные результаты по диагностике и восстановлению ресурса относятся к индивидуальным изделиям, подвергаемым усталостному воздействию. Анализ их состояния не требует привлечения статистических понятий, обычных для традиционного подхода к проблеме усталостного разрушения и затрудняющих точное определение состояния реального изделия. Это порождает принципиально новый подход к прогнозированию ресурса ответственных изделий и позволяет повысить надежность современной техники.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Акустический критерий для выявления опасной стадии усталостного разрушения по уменьшению скорости распространения ультразвука.

2. Способ подавления усталостного разрушения и частичного восстановления ресурса деталей с помощью обработки импульсами электрического тока большой амплитуды.

Научная и практическая значимость выполненных в диссертационной работе исследований определяется тем, что предложен методически простой и надежный способ определения наступления критической стадии эксплуатации индивидуального изделия и доказана принципиальная возможность частичного восстановления ресурса такого изделия путем его электроимпульсной обработки. Подобные методики могут быть использованы при диагностике состояния ответственной техники в различных промышленных отраслях. Они не требуют специального дорогостоящего оборудования, достаточно надежны и могут применяться практически в любых условиях.

Заключение диссертации по теме «Материаловедение (по отраслям)», Соснин, Олег Валерьевич

Заключение и основные выводы.

Полученные в работе результаты открывают возможность существенного повышения надежности деталей машин и увеличения их ресурса. Установление резкого снижения скорости распространения ультразвука как информативного фактора обеспечивает эксплуатацию машин и механизмов по состоянию [102]. С другой стороны электрическое воздействие на материал с накопленными дефектами позволяет восстановить ресурс деталей и увеличить его по сравнению с необработанным состоянием на 15.20% [76, 112, 113]. Эти возможности кажутся особенно перспективными для ответственной технике, где недопустимы отказы отдельных деталей и где для обеспечения надлежащего уровня надежности приходится существенно увеличивать несущую возможность детали, увеличивая ее габариты, или прибегать к многократному резервированию [101], что также удорожает изделие.

В работе показано, что возрастание усталостной прочности при обработке стали электрическими импульсами связано с по крайней мере тремя механизмами, из которых наиболее эффективным является модификация металла вблизи микротрещин усталостного происхождения. Сложная комплексная природа эффекта позволяет оптимальным образом выбирать режимы электрического воздействия за счет варьирования уровня парциального вклада каждой из составляющих эффекта.

Обобщая результаты работы, можно сделать следующие основные выводы:

1. Доказана применимость методики измерения скорости распространения ультразвука для обнаружения критической стадии усталостного разрушения. Наступление критической стадии обнаруживается по началу резкого снижения скорости распространения ультразвука после длительного этапа постоянства или медленного падения скорости ультразвука.

2. Предложен способ предотвращения усталостного разрушения путем обработки деталей, вступивших в третью стадию разрушения, электрическими токовыми импульсами большой амплитуды. Такая обработка сопровождается возрастанием ресурса на 15.20%.

3. Показано, что восстанавливающее ресурс действие электрических импульсов определяется перекристаллизацией материала вблизи микродефектов типа усталостных микротрещин и релаксацией внутренних напряжений 1-го и 2-го родов (макро- и микро).

4. Проанализирован и оценен, как малый, вклад в общий эффект таких механизмов, как дополнительный отпуск закаленной стали или изменение состояния границ зерен при электрической обработке усталостно нагруженных образцов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Соснин, Олег Валерьевич, 1998 год

1. Кеннеди А.Д. Ползучесть и усталость в металлах. М.: Металлургия, 1965.312 с.

2. Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. М.: Металлургия, 1975. 455 с.

3. Коллакот Р. Диагностика повреждений. М.: Мир, 1989. 516 с.

4. Крауткремер И., Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль материалов. М.: Металлургия, 1991. 752 с.

5. Иванова B.C., Баланкин A.C., Бунин И.Ж., Оксогоев A.A. Синергетика и фракталы в материаловедении. М.: Наука, 1994. 383 с.

6. Полухин П.И., Грдина Ю.В., Зарвин Е.Я. Прокатка и термическая обработка рельсов. М.: Металлургия, 1964. 510 с.

7. Поляков В.В., Великанов A.B. Основы технологии производства железнодорожных рельсов. М.: Металлургия, 1980. 318 с.

8. Муравьев В.В., Зуев Л.Б., Комаров К.Л. Скорость звука и структура сталей и сплавов. Новосибирск: Наука, 1996. 184 с. Ю.Спицин В.И., Троицкий O.A. Электропластическая деформация металлов. М.: Наука, 1985. 187 с.

9. П.Громов В.Е., Зуев Л.Б., Козлов Э.В., Целлермаер В .Я. Электро-стимулированная пластичность металлов и сплавов. M.: Недра, 1996. 293 с.

10. Испытания металлов. М.: Металлургия, 1967. 452 с.

11. Мак Лин Д. Механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1965.432 с.

12. Гриффитс А. А. Явления разрушения и течения в твердых телах. МиТОМ, 1965. №1. С.9-14. (Перевод статьи, опубликованной в Phil. Trans. Roy. Soc. 1920. A221. P.193-198).

13. Эвери Д., Бэкофен В. Разрушение твердых тел. М.: Металлургия, 1967. С.146-190.

14. Екобори Т. Физика прочности и пластичности. М.: Металлургия, 1972. С.285-294.

15. Вуд В.А. Атомный механизм разрушения. М.: Металлургиздат, 1963. С.413-437.

16. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. М.: Мир, 1972. 408 с.

17. Гликман Л.А., Тэхт В.П. Некоторые проблемы прочности твердого тела. Л.: Изд-во АН СССР, 1959. С.246-255.

18. Чечулин Б.Б. Масштабный фактор и статистическая природа прочности металлов. М.: Металлургиздат, 1963. 120 с.

19. Роней М. Разрушение. Т. 3. М.: Мир, 1976. С.473-527.

20. Екобори Т. Физика и механика разрушения и прочности твердых тел. М.: Металлургия, 1971. 264 с.

21. Финкель В.М. Физика разрушения. М.: Металлургия, 1970. 344 с.

22. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов. Т.1. Новосибирск: Наука, 1995. 298 с.

23. Пайтген Х.-О., Рихтер П.Х. Красота фракталов. М.: Мир, 1993. 174 с.

24. Zhou X.Y., Chen D„ Ке W., Zang Q.S., Wang Z.G. Fractal characteristics of pitting under cyclic loading. Mater. Letters. 1989. V. 7. No 12. P.473-476.

25. Технические средства диагностики. Справочник. M.: Машиностроение, 1989. 672 с.

26. Баш В.Я. Исследование напряжений и деформаций термоэлектрическим методом. Киев: Наукова думка, 1984. 100 с.

27. Меламедов И.М. Физические основы надежности. Д.: Энергия, 1970. 152 с.

28. Роль дислокаций в упрочнении и разрушении металлов. М.: Наука, 1965. 180 с.

29. Тушинский Л.И., Батаев A.A., Тихомирова Л.Б. Структура перлита и конструктивная прочность стали. Новосибирск: Наука, 1993.28 с.

30. Троицкий O.A., Лихтман В.И. Об анизотропии действия электронного и у-облучения на процесс деформации монокристаллов цинка в хрупком состоянии. ДАН СССР. 1963. Т. 148. №2. С.332-334.

31. Conrad H., Sprecher A.F. Dislocations in Solids. Elsevir Sei. Publ. 1989. P.499-539.

32. Зуев Л.Б., Громов B.E., Курилов В.Ф., Гуревич Л.И. Подвижность дислокаций в монокристаллах цинка при действии импульсов тока. ДАН СССР. 1978. Т.239. №1. С.84-87.

33. Бойко Ю.И., Гегузин Я.Е., Клинчук Ю.И. Экспериментальное обнаружение увлечения дислокаций электронным ветром в металлах. Письма в ЖЭТФ. 1979. Т.30. №3. С.168-172.

34. Спицын В.И., Троицкий O.A. Моделирование теплового и пинч-действия импульсного тока на пластическую деформацию металла. ДАН СССР. 1975. Т.220. №5. С.1070-1073.

35. Климов K.M., Новиков И.И. Действие импульсов электрического тока на процесс растяжения тонких металлических проволок. Металлы. 1983. №3. С.155-158.

36. Кравченко В .Я. Воздействие направленного потока электронов на движущиеся дислокации. ЖЭТФ. 1966. Т.51. №6. С.1677-1688.

37. Каганов М.И., Кравченко В.Я., Нацик В.Д. Электронное торможение дислокаций в металлах. УФН. 1973. Т.111. №4. С.655-682.

38. Фикс В.Б. О взаимодействии электронов проводимости с одиночными дислокациями в металлах. ЖЭТФ. 1981. Т.80. №6. С.2313-2316.

39. Батаронов И.Л., Рощупкин A.M. О влиянии электрического тока и магнитного поля на взаимодействие дислокаций с точечными дефектами в металлах. ФТТ. 1988. Т.ЗО. №11. С.ЗЗ 11-3318.

40. Климов K.M., Мордухович A.M., Глезер A.M., Молотилов Б.В. О прокатке труднодеформируемых железокобальтовых сплавов с применением электрического тока высокой плотности. Металлы. 1981. №6. С.69-72.

41. Громов В.Е., Целлермаер В.Я., Базайкин В.И. Электростимулиро-ванное волочение: структура и анализ. М.: Недра, 1996. 160 с.

42. Громов В.Е., Зуев Л.Б., Базайкин В.И., Целлермаер В.Я. Закономерности электростимулированной пластической деформации металлов и сплавов на разных структурных уровнях. Известия Вузов. Физика. 1996. №3. С.66-96.

43. Громов В.Е., Гуревич Л.И., Курилов В.Ф. Влияние импульсов электрического тока на подвижность и размножение дислокаций в монокристаллах Zn. Проблемы прочности. 1989. №10. С.48-53.

44. Баранов Ю.В., Тришкина Л.И., Козлов Э.В. Влияние электрического поля на механические свойства и дислокационную структуру поликристаллического никеля. Пробл. машиностроения и надежности машин. 1992. №5. С.67-74.

45. Ерилова Т.В., Громов В.Е., Кузнецов В.А. Об изменении текстуры при электростимулированном волочении. Известия Вузов. Черн. Металл. 1989. №2. С.81-84.

46. Громов В.Е., Кузнецов В.А., Ерилова Т.А. Структура проволоки после электростмулированного волочения. Сталь. 1989. №8. С.87-98.

47. Громов В.Е., Данилов В.И., Целлермаер В.Я., Сизова О.В., Зуев Л.Б. Структура и свойства проволоки из стали 08Г2С после электро-стимулированного волочения. ФММ. 1992. №3. С.129-135

48. Финкель В.М. Физические основы торможения разрушения. М.: Металлургия, 1977. 359 с.

49. Финкель В.М., Головин Ю.И., Слетков A.A. О возможности торможения быстрых трещин импульсами тока. ДАН СССР. 1976. Т.227. №4. С.848-851.

50. Финкель В.М., Головин Ю.И., Слетков A.A. Разрушение вершины трещины сильным электромагнитным полем. ДАН СССР. 1977. Т.237. №2. С.325-327.

51. Головин Ю.И., Финкель В.М., Слетков A.A. Образование кратера в вершине трещины под действием мощного локального электромагнитного поля. ФизХОМ. 1997. №3. С.18-21.

52. Головин Ю.И., Финкель В.М., Слетков A.A., Шибков A.A. Динамика разрушения материала в вершине трещины под действием сильного электромагнитного поля. ФизХОМ. 1978. №2. С.40-42.

53. Головин Ю.И., Киперман В.А. Концентрация электрического и теплового полей в вершине острых дефектов в металле. ФизХОМ. 1980. №4. С.26-30.

54. Борисов В.Т., Головин Ю.И., Иванов В.М. Влияние электрического тока на прочность стальных пластин с концентраторами напряжений. Проблемы прочности. 1984. №2. С.92-95.

55. Взрывающиеся проволочки. М.: ИИЛ, 1963. 341 с.

56. Электрический взрыв проводников. М.: Мир, 1965. 360 с.

57. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. М.: Изд-во «Советская энциклопедия», 1979. 400 с.

58. Панченко В.Е., Скаков Ю.А., Кример Б.И. Лаборатория металлографии. М.: Металлургия, 1965. 439 с.

59. Смолмен Р., Ашби К. Современная металлография. М.: Атомиз-дат, 1970. 208 с.

60. Глазов В.М., Вигдорович В.Н. Микротвердость металлов. М.: Металлургиздат, 1962. 224 с.

61. Уманский Я.С. Рентгенография металлов. М.: Металлургиздат, 1960. 448 с.

62. Рентгенография в физическом металловедении. М.: Металлург-издат, 1961. 368 с.

63. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. В 2-х томах. М.: Мир, 1984. Т.1 303 с. Т.2. 291 с.

64. Фрактография и атлас фрактограмм. Справочник. М.: Металлургия, 1982. 489 с.

65. Семакин Е.В., Чиракадзе Д.З., Целлермаер В.Я., Громов В.Е., Со-снин О.В. Электростимулированное восстановление долговечности сварных соединений: эксперимент и модель. Известия Вузов. Черн. металл. 1997. №6. С.48-51.

66. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974. 560 с.

67. Степанов Г.В., Бабуцкий А.И. Влияние импульсного тока высокой плотности на усталостную долговечность стального образца с концентратором. Проблемы прочности. 1995. №5-6. С.74-78.

68. Митропольский А.К. Техника статистических вычислений. М.: Физматгиз, 1961. 469 с.

69. Токуока Т., Ивасимицу Ю. Нелинейная динамическая теория упругости. М.: Мир, 1979. С.153-170.

70. Кузнецов В.Д. Наросты при резании и трении. М.: ГИТТЛ, 1956. 284 с.

71. Миркин Л.И. Физические основы обработки материалов лучами лазера. М.: Изд-во МГУ, 1975. 383 с.

72. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Оборонгиз, 1963. 464с.

73. Пфанн В. Дж. Зонная плавка. М.: Металлургиздат, 1960. 272 с.

74. Кубашевски О. Диаграммы состояния двойных систем на основе железа. Справочник. М.: Металлургия, 1985. 183 с.

75. Карлслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964.487 с.89.3айт В. Диффузия в металлах. М.: ИИЛ, 1958. 381 с.

76. Френкель Я.И. Введение в теорию металлов. М.: ГИФМЛ, 1958. 368 с.

77. Блантер М.Е. Фазовые превращения при термической обработке стали. М.: Металлургиздат, 1962. 268 с.

78. Билби Б.А., Христиан Д.В. Фазовые превращения в стали. М.: Металлургиздат, 1961. С.7-71.

79. Постников B.C. Внутреннее трение в металлах. М.: Металлургия, 1969. 330 с.

80. Зуев Л.Б., Соснин О.В., Поляков В.В., Громов В.Е. Электропластический эффект и внутреннее трение в стали 08Г2С. Металлофизика и новейшие технологии. 1998. Т.20. №1. С.69-71

81. Поляков В.В., Алексеев А.Н. Применение метода внутреннего трения к измерению теплофизических характеристик пористых металлов. Сибирский физ.-техн. ж-л. 1993. №4. С.35-37.

82. Лебедев P.C., Постников B.C. Релаксационные явления в металлах и сплавах. М.: Металлургиздат, 1960. С.199-221.

83. Бернштейн М.Л., Тихомирова Е.С. Релаксационные явления в металлах и сплавах. М.: Металлургиздат, 1960. С.279-288.

84. Ке T.S. Inelastic properties of the iron. Trans. AIME. 1948. V.176. P.448-455.

85. Rouais J.C., Lormand G., Eyraud C. Deplacement des joints de grains d'un metal sous l'effect d'un champ electique. Bull. Soc. Franc. Ceramique. 1963. No.80. P.53-59.

86. ЮО.Глейтер Г., Чалмерс Б. Болыиеугловые границы зерен. М.: Мир, 1975.375 с.

87. Герцрикен С.Д., Дехтяр И.Я. Диффузия в металлах и сплавах в твердой фазе. М.: Физматгиз, 1960. 564 с.

88. Решетов Д.Н., Иванов A.C., Фадеев В.З. Надежность машин. М.: Высшая школа, 1988. 238 с.

89. ЮЗ.Диллон Б., Сингх Ч. Инженерные методы обеспечения надежности систем. М.: Мир, 1984. 318 с.

90. Базовский Н. Надежность: теория и практика. М.:Мир,1965.373с.

91. Носенко В.И., Котляр Б.Д., Лебединец-Стеценко Л.Л. Физика отказов. Материалы 3-го Всесоюзного совещания. Москва-Суздаль, 1984. С.166.

92. Юб.Громов В.Е., Чиракадзе Д.З., Семакин Е.В., Соснин О.В., Целлермаер В.Я. Электростимулированное восстановление ресурса выносливости сварных соединений. Известия РАН. Серия физическая. 1997. №5. С.1019-1023.

93. Авраамов И.С., Семакин Е.В. Физическая (энергетическая) модель надежности элементов систем автоматики. М. -.Знание, 1972.73 с.

94. Ю8.Муравьев В.В., Степанова Л.Н., Слайковская В.А. Основы метрологии, неразрушающего контроля и сертификации. Новосибирск: СибГАПС, 1997. 110 с.

95. Статистические методы в экспериментальной физике. М.: Атомиздат, 1976. 335 с.

96. ПО.Уэствуд А., Пиккенс Дж. Атомистика разрушения. М.: Мир, 1987. С.7-34.

97. Johnson W. Introduction to crashworthiness. Int. J. of Crashworthi-ness. 1996. V.l. Nol.P.7-10.

98. Иванов Ю.Ф., Громов B.E., Козлов Э.В., Соснин O.B. Эволюция каналов локализованной деформации в процессе электростмулированного волочения низкоуглеродистой стали. Известия Вузов. Черная металлургия. 1997. №6. С.42-45.

99. ПЗ.Петрунин В.А., Чиракадзе Д.З., Целлермаер В.Я., Громов В.Е. Соснин О.В. Синергетика электростмулированного усталостного разрушения. Известия Вузов. Черная металлургия. 1997.№6.С.46-48.