Взаимосвязь структурных изменений с характеристиками размерной стабильности материалов при эксплуатации в условиях вакуума тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.01, доктор технических наук Логвинов, Анатолий Николаевич

• Логвинов, Анатолий Николаевич
• доктор технических наук
• 1997

Оглавление диссертации доктор технических наук Логвинов, Анатолий Николаевич

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ВЛИЯНИИ ВАКУУМА НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ).

1.1. Влияние вакуума на сопротивление усталости металлических конструкционных материалов.

1.2. Влияние вакуума на ползучесть материалов.

1.3. Влияние вакуума на пластичность и механические свойства при одноосном растяжении.

1.4. Анализ состояния вопроса и постановка задач исследования.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ВАКУУМА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗМЕРНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ.

2.1. Оценка влияния степени разрежения среды на стабильность линейных размеров.

2.2. Оценка влияния десорбционных процессов в вакууме на механические свойства материалов при одноосном растяжении.

2.3. Оценка влияния дегазации в вакууме на характеристики размерной стабильности.

2.4. Оценка влияния сублимации компонентов сплава в вакууме на условный предел упругости и релаксацию напряжений.

2.4.1. Влияние сублимации компонента сплава на условный предел упругости.

2.4.2. Влияние сублимации компонента сплава на релаксацию напряжений.

2.5. Выводы.

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

3.1. Исследование влияния вакуума на стабильность линейных размеров.

3.2. Исследование влияния вакуума на сопротивление микропластической деформации.

3.3. Исследование влияния вакуума на релаксацию напряжений.

3.4. Рентгенографическое исследование влияния вакуума на материалы.

3.5. Выводы.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.

4.1. Кратковременное влияние вакуума.

4.1.1. Изменение линейных размеров при переносе материала из воздуха в вакуум.

4.1.2. Влияние вакуума на сопротивление микропластической деформации.

4.2. Длительное влияние вакуума.

4.2.1. Влияние изотермической выдержки в вакууме на сопротивление микропластической деформации.

4.2.2. Исследование влияния сублимации на характеристики размерной стабильности.

4.2.3. Влияние изотермической выдержки на релаксацию напряжений.

4.2.4. Влияние вакуума на металлизованную пленку полиэтилентерефталата.

4.2.5. Исследование влияния технологии получения листа сплава АМгб на стабильность геометрических размеров.

4.2.5.1. Влияние толщины листа на стабильность линейных размеров.

4.2.5.2. Влияние величины зерна на стабильность линейных размеров.

4.3. Выводы.

5. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ХАРАКТЕРИСТИК РАЗМЕРНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ.

5.1. Методика определения условного предела упругости.

5.2. Методика определения условного предела релаксации напряжений.

5.3. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Взаимосвязь структурных изменений с характеристиками размерной стабильности материалов при эксплуатации в условиях вакуума»

Работоспособность любого изделия, в том числе современных космических летательных аппаратов, во многом определяется надежностью материала, при выявлении которой необходимо комплексное изучение влияния внешних условий эксплуатации на его свойства. Специфика космического пространства состоит в том, что материал элементов конструкции одновременно подвержен воздействию ряда факторов: космического вакуума; температуры; различного рода излучений - потока электронов, инфракрасного, рентгеновского, космического; метеоритных частиц.

Хотя воздействию этих факторов в первую очередь подвержена поверхность материала, они могут повлиять на характеристики термокинетических процессов в его объеме (дегазация, сублимация) и, как следствие, привести к изменению его химического состава, структуры и свойств.

Имитация влияния всех факторов космического пространства на поведение материалов в атмосферных условиях вызывает большие трудности. В настоящее время возникают серьезные проблемы в создании математической модели, которая позволила бы описать влияние факторов космического пространства на механические характеристики материалов. Однако эти вопросы могут быть решены, если использовать принцип аддитивности, т.е., найдя математическое описание влияния одного или двух факторов космического пространства на механические свойства, затем их просуммировать.

Расчет на жесткость элементов конструкции прецизионных оптических электронных систем современных космических аппаратов для наблюдения за поверхностью Земли, одним из условий эксплуатации которых является вакуум, базируется на характеристиках размерной стабильности металлических конструкционных материалов, полученных в атмосферных условиях.

Известны исследования, выполненные у нас в стране (Н.М. Гринберг, B.C. Бокштейн, Б.Н. Веркин, И.М. Любарский, А.И. Алексеев и др.), а также за рубежом -(Gough H.I., Sopwith D.G., Kramer I.R., Willams D.P., Nelson H.G., Schahanion P., Achter M.R. и др.), в которых установлено влияние степени разрежения на усталость, ползучесть, пластичность и другие физико-механические свойства металлов и сплавов, но они не затрагивают вопроса о влиянии вакуума на характеристики размерной стабильности материалов, т.е. на стабильность линейных размеров, условный предел упругости и релаксационную стойкость.

В связи с этим, изучение влияния вакуума на характеристики размерной стабильности металлических конструкционных материалов является актуальным.

Работа выполнялась по программам «Икар», «Канопус», а также по комплексной теме: «Исследование влияния факторов космического пространства на характеристики размерной стабильности конструкционных материалов» по распоряжению Минобщемаша и Минвуза и по решению ГКСМ по ВПВ совместно с Центральным специализированным конструкторским бюро (ЦСКБ) г. Самара.

Цель и задачи работы. Цель работы - аналитические и экспериментальные оценки взаимосвязи изменения структуры с характеристиками размерной стабильности конструкционных материалов в условиях вакуума.

Для достижения указанной цели в работе решаются следующие основные задачи:

1.Аналитические оценки влияния термокинетических процессов, протекающих в твердых металлических телах в условиях вакуума, на характеристики размерной стабильности .

2.Разработка методик исследования влияния степени разрежения на структуру и характеристики размерной стабильности.

3.Экспериментальные исследования влияния десорбции, диффузии, дегазации и сублимации, протекающие на поверхности и в объёме конструкционных материалов в условиях вакуума, на структурные изменения и связанные с ними характеристики размерной стабильности.

4.Разработка способов оценки влияния давления среды на условные пределы упругости и релаксации напряжений.

Научная новизна:

1.Получены аналитические закономерности , позволяющие оценить стабильность линейных размеров элементов конструкций и прогнозировать изменения условных пределов упругости и релаксации напряжений металлических конструкционных материалов в зависимости от темпе-ратурно - временных параметров в условиях вакуума.

2.Установлена корреляция между энергетическим состоянием поверхности металлических конструкционных материалов и их характеристиками размерной стабильности.

При изменении давления атмосферной среды с 1-105 до

1,33-1СГ3 Па относительное изменение линейных размеров элементов конструкций находится в пределах 1-Ю"5 -1-1СГ6. Причиной наблюдаемого эффекта является снятие внешнего давления среды и возрастание лапласовского давления за счёт увеличения сил поверхностного натяжения при десорбции.

Влияние десорбции в вакууме на механические свойства металлов и сплавов наблюдается в том случае, когда относительная скорость приращения поверхности при деформации превышает относительную скорость покрытия поверхности адсорбированным газом. Сопротивление микропластическим деформациям до 1-10~4 образцов из сплава АМгб в вакууме на 6-10 % больше, чем у образцов, испытанных в атмосферных условиях. Нагружение образцов сплава АМгб в вакууме до 150 МПа вызывает остаточную деформацию на 4 0% меньше, чем на воздухе.

3.Показано, что при изотермической выдержке в вакууме растворимость Мд в а - растворе сплава АМгб увеличивается. Образцы из этого сплава, предварительно выдержанные в вакууме при температуре 353 К в течение 15 суток, имеют коэффициент упрочнения на 50 % выше в сравнении с образцами после обработки по тому же режиму в атмосферных условиях.

Релаксация напряжений в вакууме у образцов АМгб при уровне начального напряжения в пределах 50 - 116 МПа протекает более интенсивно, чем на воздухе.

4.Установлено деструктивное воздействие вакуума на оба компонента металлизованной плёнки полимерных материалов (ПЭТФ). Структурные изменения в полимере, вакуу-мированном в течение 20 суток при температуре 2 93 К, проявляются в исчезновении кристаллической фазы полимера, что приводит к уменьшению анизотропии свойств ПЭТФ.

5.Выявлено, что изотермическая выдержка сплавов Л62 и АМгб в вакууме при температурах 723 и 533 К соответственно в результате сублимации Ъп и Мд приводит к изменению химического состава в поверхностных слоях материалов, вызывая количественные и качественные изменения в них структурного состояния. В результате структурных изменений в поверхностных слоях условные пределы упругости этих сплавов уменьшились более чем на 20 % в сравнении с контрольными образцами, что превышает уровень аналитических оценок.

Предложено эмпирическое выражение, позволяющее прогнозировать изменение условных пределов упругости для гетерофазных сплавов после их вакуумирования по различным температурно-временным режимам , которое удовлетворительно совпадает с экспериментальными данными.

Техническая новизна разработанных методик подтверждена 11 изобретениями.

Практическая ценность и реализация работы:

1.Разработаны форма и размеры образцов, технология изготовления, способ разметки и устройство для испытания материалов на релаксационную стойкость. Это позволило оценивать релаксацию напряжений с точностью 0,04 МПа.

2.Разработан рентгеновский метод неразрушающего послойного исследования поликристаллических объектов с экспериментальным определением толщины слоя материала от десятых долей до сотни микрометров.

3.Разработаны методические указания 207/514-85 и 207/534-8 6 по определению условных пределов упругости и релаксации напряжений конструкционных материалов, утвержденные ЦНИИМВ и используемые в современной аэрокосмической технике. Испытания материалов по разработанным методикам легли в основу расчета стабильности узлов изделий 11Ф660, 17Ф42, 14Ф4 3 после воздействия на них внешних нагрузок, что позволило снизить их материалоемкость на 10-12% при сохранении соответствующей надежности и получить экономический эффект от внедрения в ЦСКБ (г. Самара) более 850 тысяч рублей в ценах 1991 года.

4.Отдельные положения диссертационной работы вошли в курсы лекций, лабораторных работ для студентов СГАУ и слушателей ФПК инженерно-технических работников ЦСКБ (г. Самара) .

На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы:

1. Аналитические оценки влияния вакуума на стабильность линейных размеров элементов конструкций и микромеханические свойства конструкционных материалов при одноосном деформировании.

2. Теоретические закономерности прогнозирования изменения характеристик размерной стабильности конструкционных материалов при изотермической выдержке в вакууме с учетом структурных изменений.

3. Методики экспериментальных исследований для выявления влияния вакуума на структуру и характеристики размерной стабильности конструкционных материалов. Новые и более совершенные конструкции средств испытаний, в том числе узлов стандартной аппаратуры, для повышения точности и чувствительности используемых методов. 4 . Методика определения характеристик размерной стабильности конструкционных материалов, включая обоснование формы и размеров образцов, объем и статистическую обработку результатов испытаний с программным обеспечением на ЭВМ, которая получила развитие в методических указаниях 207/514-85 и 207/534-86 по определению условных пределов упругости и релаксации напряжений.

Апробация работы. Результаты работы были доложены: на шестом научно-техническом совещании «Современное состояние и перспективы развития высокотемпературной металлографии» (г. Москва, 1974) , на третьей и четвертой межвузовских конференциях (г. Харьков, 1975 и 1977), на седьмой, восьмой, девятой, десятой, одиннадцатой, двенадцатой и тринадцатой Всесоюзных конференциях «Физика прочности и пластичности металлов и сплавов» (г. Куйбышев 1976, 1979, 1982, 1983, 1986, 1989; г. Самара, 1992); на научно-технической конференции "Теория и технология двигателей летательных аппаратов" (г. Куйбышев, 1977), на Всесоюзном научно-техническом семинаре-конференции «Металлы и сплавы при повышенных температурах» (г. Москва, МДНТП), на Всесоюзной школе-семинаре «Роль поверхности в прочности и износостойкости твердых тел» (г. Куйбышев, 1987), на 2-ой Всесоюзной научно-технической конференции «Прикладная рентгенография металлов» (г. Ленинград, 1990), на 2-ом Международном семинаре «Современные методы и аппаратура рентгенографических исследований материалов в особых условиях» (г. Киев, 1991), на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Надежность механических систем» (г. Самара, 1995) .

Основные положения диссертации опубликованы в работах /154-200/. Все они выполнены в соавторстве. Это вызвано тем, что автор диссертационной работы был либо научным руководителем, либо ответственным исполнителем комплексной темы «Исследование влияния факторов космического пространства на характеристики размерной стабильности конструкционных материалов».

В публикациях / 156, 160, 165, 175/, посвященных теоретическим оценкам влияния адсорбции и сублимации на сопротивление микропластической деформации металлов и сплавов, автору диссертации принадлежит постановка задач и участие в их реализации. Полученные аналитические соотношения находятся в соответствии с экспериментальными данными работ /154, 159, 161, 181, 183, 184/.

В статьях /154, 159, 161/ автором диссертационной работы выполнена статистическая обработка экспериментальных данных и сформулированы выводы.

Идея проведения исследований, реализованных в работах /155, 157, 158, 162/, принадлежит диссертанту. Им разработана методика проведения исследования, выполнен анализ результатов, сформулированы выводы.

В работах /163, 164, 166-174, 176-178, 190-195, 199/ идеи постановки исследований и их реализация принадлежат О.К.Колерову и автору диссертации. Последним был проведен анализ фокусировок Зеемана-Болин и Брэгга-Брентано, а также показаны преимущества несимметричного отражения рентгеновских лучей в исследовании поверхностных слоев поликристалла по сравнению с симметричным отражением. Экспериментально-аналитические оценки этих публикаций использованы при разработке методики неразрушающего послойного исследования объектов скользящими и наклонными пучками рентгеновских лучей, которая позволила установить влияние вакуума на структуру материала в работе /188/.

Идея, реализованная в работе /17 9/, принадлежит автору диссертации. В ней диссертантом дан анализ факторов, влияющих на суммарную ошибку, при оценке релаксации напряжений методом кольцевых образцов равного сопротивления изгибу по ГОСТ-24.901.01.-84 и сформулированы выводы. Приемы повышения точности результатов испытаний на релаксацию напряжений, предложенные автором диссертации, нашли отражение в работах /182, 185187, 196-198, 200/ и получили развитие в методических указаниях 207/534-86 по определению условного предела релаксации.

В статьях /180, 181, 183-184, 189/ диссертант принимал участие в разработке методик проведения исследований и в статистической обработке результатов экспериментов, а также им сформулированы выводы. Результаты этих работ легли в основу разработки методических указаний 207/504-85 по определению условного предела упругости .

В работе /188/ диссертантом разработаны приемы рентгенографирования металлизованных полимерных материалов, проведен эксперимент и сформулированы выводы.

Работа выполнялась по программе «ИКАР», «КАНОПУС», а также по теме: «Исследование влияния факторов космического пространства на характеристики размерной стабильности конструкционных материалов» по распоряжению Минобщемаша и МинВуза и по решению ГКСМ по ВПВ совместно с ЦСКБ (г. Самара).

Диссертационная работа выполнена на кафедрах «Обработка металлов давлением» и «Технология металлов и авиаматериаловедение» Самарского государственного аэрокосмического университета имени С.П.Королева.

Автор выражает благодарность коллективам кафедр «Обработка металлов давлением» и «Технология металлов и авиаматериаловедение», возглавляемых профессорами Ф.В. Гречиковым и В.В. Уваровым, а также профессорам В. Р. Каргину, С.И. Козию, Ю.М. Арышенскому, И. П. Попову и доцентам O.K. Колерову, JI.A. Чемпинскому и В.И. Трегубу за содействие и участие в проведении работы и ее оформлении .

1.СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О ВЛИЯНИИ ВАКУУМА НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ

ОБЗОР. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ)

Конкретное проявление общей тенденции влияния вакуума на механические свойства могут оказаться для различных материалов неодинаковыми. Их изучение связано с инженерными задачами обеспечения надежности изделий и устройств, работающих в заданных средах.

Надежность конструкции современных аппаратов космической техники обеспечивается: прочностью, жесткостью и устойчивостью при гарантированной долговечности. Расчеты этих параметров в настоящее время базируются на результатах механических испытаний и структурных исследований материалов, осуществляемых в атмосферных условиях. Однако, поскольку одним из существенных отличий условий эксплуатации названных аппаратов служит вакуум, то, очевидно, что при разрежении на поверхности и в объеме материалов будут протекать процессы, термокинетика которых также отличается от соответствующих характеристик в атмосферных условиях /1/. Иные термокинетические характеристики процессов десорбции, дегазации и сублимации компонентов могут вызвать иные по сравнению с атмосферными условиями изменения в структуре материалов и, следовательно, иную эволюцию структурночувстви-тельных свойств.