568 (58)

840,8 (85,8)

272,8 (27,8)

Микроуровень

194 НV0,1 286 НV0,1

В пятой главе «Разработка методики определения механических свойств металла ЗКН » рассматриваются основные положения методики и ее практическое опробование на реальных деталях и конструкциях.

За основу методики взята методика МЭИ, которая используется на макроуровне при индентировании сферическими инденторами диаметром 2,5 и 10 мм. Для применения этой методики на мезо-и микроуровнях индентирования в целях определения механических свойств металла локальных структурных ЗКН необходимо учитывать влияние масштабного фактора на результаты индентирования индентором диаметром менее 1 мм. Для этого можно воспользоваться установленными зависимостями характеристик твердости металла от диаметра индентора и характеристик прочности от диаметра образца, а также предложенными условиями подобия, обеспечивающими испытания металла вдавливанием и растяжением на одном масштабном уровне. Для реализации методики можно использовать переносной аттестованный прибор МЭИ-Т7, оснастив его инденторами диаметром D=0,4 мм для индентирования на мезо-и микроуровнях и диаметром D= 2,5 мм для индентировании на макроуровне. Методика предусматривает двукратное вдавливание под разными нагрузками инденторов диаметром D=0,4 мм и D=2,5 мм в металл, расположенный вне ЗКН, и двукратное вдавливание индентора диаметром D=0,4 мм в металл, расположенный в ЗКН. Для повышения локальности индентирования рекомендуется вдавливать каждый индентор под разными нагрузками в одну и ту же точку поверхности металла. Максимальная нагрузка вдавливания составляет 4,8 кГ для D=0,4 мм и 187,5 кГ для D=2,5 мм, что соответствует степени нагружения Р/D2=30 кГ/мм2 (294 Н/мм2) согласно ГОСТ 9012-59. Этих испытаний достаточно для определения следующих механических характеристик металла вне ЗКН при вдавливании инденторов диаметром D=0,4 мм и D=2,5 мм: a, n, НВВ = f(a, n, D), (В=f(HBB), k= (0,2/(B=f(n). Эти же механические характеристики определяются для металла ЗКН при вдавливании индентора диаметром D=0,4 мм. Затем для металла вне ЗКН рассчитываются коэффициенты, учитывающие влияние масштабного фактора;

(1 =n2,5/n0,4 и (2=(НВВ)0,4/(НВВ)2,5 (индексы 0,4 и 2,5 означают диаметры инденторов, мм). Зная (1 и (2, можно рассчитать для металла ЗКН следующие механические характеристики на макроуровне индентирования: n2,5=(1n04, (HBB)2,5=(HBB)0,4)/(2, (B=f(HBB)2,5 , k=(0,2/(B=f(n2,5), (0,2=k(B, (В=f(n2,5).

Если задача состоит в приближенной экспресс-оценке на макроуровне только НВ2,5 и (в металла ЗКН, то методика упрощается и сводится к определению НВ0,4, НВ2,5, (2=НВ0,4/HB2,5 для металла вне ЗКН, а затем по НВ0,4 и (2,

НВ2,5= НВ0,4/(2, (В=f(HB2,5) для металла в ЗКН. При невозможности использования для металла ЗКН индентора диаметром D=0,4 мм из-за размеров отпечатков, превосходящих протяженность ЗКН, можно ограничиться определением микротвердости НV0,1 и макротвердости НV10, оценить для металла вне ЗКН коэффициент ( QUOTE =НV0,1/ НV10, а затем рассчитать для металла ЗКН макротвердость

- прутки диаметром 22 мм для изготовления валов электроцентробежных насосов нефтедобычи (ЭЦН).

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

Условия подобия для определения характеристик прочности металла растяжением образцов и характеристик твердости вдавливании сферического индентора на одном масштабном уровне.

Общие закономерности и зависимости влияния масштабного фактора на характеристики прочности и твердости.

Методика определения механических свойств металла ЗКН путем индентирования на мезо- и микроуровнях с последующим пересчетом значений механических свойств на макроуровень по предложенным зависимостям.

Результаты исследования микроструктуры металла ЗКН, оценка упрочнения металла ЗКН индентированием и расчетом по дислокационной модели Тейлора.

Экспериментальное обоснование предложенной методики для определения механических свойств металла ЗКН, образовавшихся на различных узлах энергооборудования и изделий установок нефтедобычи.

Апробация диссертационной работы.

Основные результаты диссертационной работы представлены на:

- четырех международных научно-технических конференциях аспирантов и студентов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Москва, МЭИ (ТУ), 2009, 2010, 2011, 2012 гг.;

- третьей международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», Москва, ИМЕТ РАН, 2009 г.;

- 18-ой Всероссийской конференции и Международной специализированной выставке приборов и оборудования для неразрушающего контроля и технической диагностики в промышленности. Н. Новгород, НГТУ, 30.09 – 02.10.2008 г.;

- научный семинар кафедры «Металловедения и термообработки» Московского автомобильно-дорожного Государственного Технического Университета, 2013 г.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Содержит

136 страниц текста, 45 рисунков, 9 таблиц и 122 наименования цитированной литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование необходимости определения механических свойств металла ЗКН, являющихся источниками развития повреждений при эксплуатации оборудования и конструкций. При средних напряжениях в элементах конструкций ниже предела текучести напряжения в ЗКН могут сильно возрастать, а в некоторых случаях и достигать разрушающих значений.

В первой главе «Зоны концентрации напряжений (ЗКН) и их влияние на механические свойства и прочность металла изделий машиностроения» выполнен анализ причин и механизмов возникновения ЗКН и их влияния на надежность изделий в процессе эксплуатации

Рассмотрены основные виды металлургических и технологических дефектов, возникающих в процессе изготовления изделий, являющихся источниками образования ЗКН. Технологические и металлургические дефекты в локальных ЗКН изделий создают высокий уровень остаточных напряжений и при неблагоприятных сочетаниях с напряжениями от рабочей нагрузки могут привести к образованию трещин.

На основе положений материаловедения и механики разрушения, изложенных в работах Давиденкова Н.Н., Фридмана Я.Б., Бернштейна М.Л., Махутова Н.А., Карзова Г.П., Панина В.Е., Тушинского Л.И., Малинина В.Г., Горицкого В.М., Тейлора, Орована, Зинера, Стро, Екобори и других исследователей рассмотрены механизмы образования ЗКН. В частности, показано, что на начальном этапе развития повреждений в ЗКН возникают устойчивые полосы скольжения на уровне отдельных структурных элементов (на уровне напряжений III рода). По мере накопления поврежденности металла в ЗКН в результате взаимодействия структурных элементов происходит формирование напряжений II рода и затем напряжений I рода, уравновешивающихся в объеме изделия.

- В локальных ЗКН под действием рабочих нагрузок формируется максимальная плотность дислокаций и, соответственно, максимальный уровень деформаций и напряжений. Дана оценка размеров ЗКН в объеме изделия.

Во второй главе «Масштабный эффект при определении механических свойств материалов» исследовано влияние масштабного фактора на прочность и твердость материалов.

Масштабный эффект рассматривается как физическое явление, состоящее в изменении свойств материалов под действием масштабного фактора. Масштабный фактор, как причина проявления размерного эффекта, состоит в изменении размеров образцов, зоны пластической деформации, деформируемого объема, элементов структуры и субструктуры материалов и др. Параметрами масштабного фактора могут быть линейные (длина, ширина, толщина), плоские (площади поверхностей, сечений), объемные (исходный, деформируемый, смещенный) исследуемого объекта, образца, элементов структуры, зоны пластической деформации и др.

Масштабный фактор проявляется при различных видах механических испытаний материалов. О влиянии масштабного фактора на механические свойства материалов известно давно. Систематические исследования такого влияния были проведены в работах А.А. Гриффитса, А.П. Александрова и Журкова, Г.В. Ужика, Е.М. Шевандина и Ш.С. Маневича, Б.Б. Чечулина, Atkinson M.J.,Федосова С.А., Пешека Л., Гловина Ю.И. и др. В настоящее время в связи с бурным развитием наноматериаловедения и нанотехнологий возрос научно-практический интерес к масштабному эффекту. Масштабный эффект стали рассматривать более широко с анализом влияния не только геометрических параметров образцов, но и очага пластической деформации, структуры и субструктуры материала. Особый интерес представляет влияние масштабного фактора на характеристики прочности материала, определяемые испытаниями образцов на растяжение, и на характеристики твердости, определяемые вдавливанием инденторов. Это объясняется тем, что испытания на растяжение и твердость (вдавливанием индентора) являются наиболее распространенными видами механических испытаний, а в расчетах на прочность деталей и конструкций чаще всего используют значения механических характеристик материала, определяемые растяжением. Учитывая наличие связи прочности и твердости, имеется возможность взаимного пересчета этих механических характеристик, что позволяет не только упростить процесс контроля, но и оценить механические свойства материала индентированием непосредственно на изделиях машиностроения. На этом основании разработаны безобразцовые методы определения механических свойств материалов по характеристикам твердости (научные школы профессоров Марковца М.П., Дрозда М.С. и др.). Однако известные связи характеристик прочности и твердости металла были установлены на макроуровне, а при переходе на микро- и наноуровни эти характеристики возрастают и тем в большей мере, чем меньше деформируемые объемы металла. Так, например, значения

а) (х100). б) (х1000).

Рис.7. Микроструктура стали ДИ-59 с ЗКН (темная полоса) (а) и скопление полос скольжения в ЗКН (б)

Научно-практический интерес представляет оценка деформационного дислокационного упрочнения металла по модели Тейлора, а также напряжения необходимого для появления трещины по модели Зинера-Стро.

Согласно Тейлору деформационное упрочнение при скоплении дислокаций можно оценить по следующей формуле

(( = (G b / (2(k)( (( ,