Закономерности хрупкого разрушения и их применение для анализа упрочняющих технологий, структурно-энергетического состояния закаленных сталей и предотвращения поломок протяжек




Скачать 16,11 Kb.
НазваниеЗакономерности хрупкого разрушения и их применение для анализа упрочняющих технологий, структурно-энергетического состояния закаленных сталей и предотвращения поломок протяжек
страница1/4
Дата04.02.2016
Размер16,11 Kb.
ТипАвтореферат
  1   2   3   4


-На правах рукописи.


Нуждина Татьяна Валентиновна


Закономерности хрупкого разрушения и их применение

для анализа упрочняющих технологий,

структурно-энергетического состояния закаленных сталей и предотвращения поломок протяжек


Специальность 05.16.01 –Металловедение и термическая обработка металлов


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Нижний Новгород - 2006


Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете


Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Вениамин Аркадьевич Скуднов


Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Владимир Николаевич Перевезенцев
кандидат технических наук

Игорь Михайлович Питиримов

Ведущая организация: Инструментальное производство ОАО «ГАЗ»


Защита диссертации состоится 15 декабря 2006 года в 13.00 час

на заседании диссертационного совета Д 212.165.07 НГТУ по адресу:
603600, Н.Новгород, ГСП 41, ул. Минина 24, корп. 1, ауд.258


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ


Автореферат разослан «13» ноября 2006 года




Ученый секретарь диссертационного Совета,

доктор технических наук, профессор В.А. Ульянов


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Хрупкое разрушение является сложным явлением и характерно для быстрорежущих (типа Р6М5, Р18 при HRC 62-64), штамповых сталей, чугунов и других материалов. Причинами хрупкого разрушения быстрорежущих сталей являются сложное структурно-энергетическое состояние, геометрия инструментов типа протяжек и динамические нагрузки при их работе. Сложная геометрия инструмента усиливает отрицательную роль напряженного состояния трехосного растяжения и снижает предельную деформацию закаленной стали практически до нуля. При удлинении ≈0 энергетическим условием разрушения является распространение острых трещин Гриффитса. При удлинении >0 распространению трещин предшествует пластическая деформация, обеспечивающая зарождение трещин. Следовательно, физические условия наступления хрупкого разрушения являются комплексными: энергетическими и деформационными. В работах В.И. Владимирова, В.И. Бетехтина, Е.М. Савицкого, В.Л. Колмогорова, А.С. Тихонова, М.А. Зайкова, М.Я. Дзугутова, Ю.Н., Работнова, В.А. Скуднова, В.В. Рыбина, В.А. Лихачева и других обсуждались закономерности предельной деформации металлов в зависимости от металлургических, физических, технологических факторов. При этом использованы представления о конкуренции процессов пластической деформации и разрушения, которые идут в нагруженном теле с момента приложения нагрузки до распада образца на части. В этих работах отчетливо представлена роль силовых, временных, энергетических, пространственно-геометрических факторов и повреждаемости. Однако закономерности предельной деформации хрупких материалов в интервале удлинений , совпадающих с относительным сужением  в пределах от 0 до 10% (до момента образования сосредоточенной шейки в образце при растяжении), в литературе систематизированы недостаточно. При анализе хрупких разрушений представляет большие трудности выделение роли структурных, пространственно-геометрических, фрактальных, энергетических факторов в общей кинетике разрушения. Несмотря на многочисленные работы А. Гриффитса, Я.Б. Фридмана, Я.М. Потака, Н.Н. Давиденкова, Л.С. Кремнева, В.Н. Гриднева, Ю.М. Мешкова, В.М. Финкеля и многих других исследователей, посвященные анализу хрупкого разрушения высокотвердых, литых сталей и сплавов и прочих материалов, актуальной является проблема разработки уравнения связи предельных характеристик хрупких материалов с твердостью, морфологией и фрактальностью структуры, дефектностью, релаксацией напряжений, степенью разрыхления материала, поверхностной энергией, напряженно деформированным состоянием.

Цель работы. Комплексное изучение природы и закономерностей хрупкого разрушения и их применение для анализа технологий, структурно-энергетического состояния материалов (быстрорежущих сталей, чугунов, графитизированных и штамповых сталей и других) и разработка мероприятий по предотвращению разрушений инструментов сложной геометрической формы (типа протяжек).

Программа работы включала решение следующих задач:

  1. Составление уравнения и выявление закономерностей связи предельной деформации стали (в пределах от 0 до 10%) с внутренними факторами (размер, концентрация, форма, фрактальная размерность карбидов, плотность металла) и внешними факторами (геометрия инструмента и нагрузка) быстрорежущих сталей.

  2. Использование полученных закономерностей поведения предельной деформации для анализа упрочняющих технологий, обеспечивающих получение оптимальных структур и повышение норм стойкости и надежности инструмента.

  3. Изучение структурно-энергетических состояний быстрорежущих сталей в зависимости от:

а) формы, количества (концентрации) карбидов после термической обработки;

б) напряженно-деформированного состояния инструмента сложной геометрии, включающей расчеты:

- коэффициентов сложности геометрической формы протяжек;

-общего показателя напряженного состояния, зависящего от твердости, концентрации напряжений, прилагаемых нагрузок в различных участках протяжек и сравнение с уровнем механических свойств стали;

4. Изучение методики и расчет фрактальной размерности границ карбидов.

5. Выявление значимости внутренних и внешних факторов по влиянию на предельную деформацию до разрушения методом дисперсионного анализа.

6. Определение физических (плотность), механических (твердость) свойств и структуры (макроанализ изломов, микроанализ, рентгеноструктурный анализ) стали S700 подвергнутой различным видам термической обработки.

7. Расчеты величин энергоемкости, критерия зарождения трещин (для чугунов, инструментальных и графитизированных сталей) и установление их взаимосвязи с величиной предельных деформаций в пределах закона сохранения постоянства деформированного объема, выражающегося уравнением (1+)(1-)=1, т.е. когда =.

8. Разработка мероприятий по предотвращению разрушения протяжек и разработки перспективных технологий.

Объекты исследований:

Инструментальные быстрорежущие стали Р6М5, S700 фирмы ВÖНLER (по химическому составу Р9М4К10); чугун (ковкий, высокопрочный); графитизированные стали с различной дисперсностью графита Г1 (средний размер частиц 1,3 мкм), Г4 (размер частиц 4,99 мкм), Г6 (размер частиц 9,24 мкм); сталь Гадфильда 110Г13Л, штамповые стали марок 5ХНМ, 3Х3М3Ф, 4Х5МФ1С, 4ХМФС.

Методы исследования: оптическая микроскопия (макро- и микроанализ) на микроскопах типа МБС-10 и МИМ-7 с применением цифрового фотографирования; механические испытания на растяжение (УМЭ-10Т), твердость по Роквеллу (ТК-2), Виккерсу (Zwick), рентгенофазовый анализ (ДРОН-2); гидростатическое взвешивание (весы аналитические ВЛА-200г-М) для определения плотности; аналитические методы: статистическая обработка данных (оценка точности измерений, дисперсионный анализ) с использованием Excel 2004, анализ сложности геометрической формы с применением программы AutoCAD Mechanical 6 Power Pack.


Научная новизна.

1. Составление уравнения и выявление общих закономерностей поведения предельной деформации до разрушения хрупких материалов при удлинениях от 0% до 10% в зависимости от внутренних (параметры структуры) и внешних факторов (геометрия, нагрузка, напряженное состояние и других).

2. Комплексное изучение структурно-энергетических состояний быстрорежущей стали с учетом фрактальной размерности границ карбидов.

3. Общая оценка напряженно-деформированного состояния сталей, включающая: расчеты напряженного состояния по твердости в деталях, подвергнутых объемной и поверхностной термической обработке; коэффициентов сложности формы различных деталей; коэффициента концентрации напряжений от нагрузок в различных участках протяжки.

4. Установление значимости факторов (твердости, общего коэффициента концентрации напряженного состояния по геометрии изделия, коэффициентов сложности формы по площади поверхности и по соотношению площадей поперечного сечения по зубу и по впадине) по влиянию на предельную деформацию до разрушения методом дисперсионного анализа.

5. Установление общей для всех металлов связи критерия зарождения трещин с величиной удлинения на основе комплексности условий хрупкого разрушения.

6. Установление влияния различных режимов отпуска на плотность быстрорежущей стали.

Практическая ценность данной работы заключается в следующем:

  • установлены критерии оценки качества инструментальных сталей по величине предельной деформации и критерию зарождения трещин после упрочняющих технологий;

  • рассчитаны коэффициенты сложности геометрической формы протяжек и установлено их влияние на концентрацию напряжений по опасным (слабым) сечениям протяжек, на показатель напряженного состояния изделия, на снижение предельной деформации и критерий зарождения трещин;

  • на основе установленных закономерностей хрупкого разрушения материалов разработан алгоритм анализа упрочняющих технологий, обеспечивающий нахождение путей повышения качества изделий;

  • проведено и проанализировано 15 упрочняющих технологий термической и комбинированной термической и импульсно-магнитной обработок стали S700, для которой установлены оптимальные режимы обработки, обеспечивающие повышенные плотность металла, предельную деформацию до разрушения, критерий зарождения трещин и меньший уровень микронапряжений;

  • апробирована методика количественной оценки зубчатости границ карбидов с помощью фрактальной размерности и показано, что с увеличением зубчатости концентрация напряжений снижается, пластичность сталей повышается, следовательно, надежность работы инструмента повышается;

Апробация работы. Отдельные этапы и основное содержание работы докладывались на II Региональной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки Нижегородского региона» 16 мая 2003г; 9-й Нижегородской сессия молодых ученых (Технические науки) 10-14 февраля 2004г; Научно-технической конференции молодых ученых и студентов, ННИИРТ 5-6 мая 2004г.; IV Международном междисциплинарном симпозиуме «Фракталы и прикладная синергетика», Москва 14-17 ноября 2005 г.; 10-й Нижегородской сессии молодых ученых (Технические науки) 27–3 февраля 2005г.; IV Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки Нижегородского региона» 26-27 мая 2005г; 11-й Нижегородской сессии молодых ученых (Технические науки), 12–16 февраля 2006г; V Международной научно-технической конференции «Будущее технической науки Нижегородского региона» 19 мая 2006г.

Работа поддержана ФЦП «Интеграция» в рамках УНЦ НГТУ «Физические технологии в машиностроении» по направлению «Разработка научных основ низко- и высокоупрочняющих технологий на основе исследований закономерностей поведения структур, строения изломов и предельных характеристик металлов» в период с 2003 по 2005 годы.

Публикации: основное содержание диссертации опубликовано в 13 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы и пяти приложений. Содержит текст на 193 страницах, 57 таблиц, 55 рисунков (включая фотографии микро- и макроструктур), список литературы из 100 наименований, приложения в виде таблиц и рисунков и двух актов внедрения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность проблемы, определена цель работы и программа исследований.

В первой главе приводятся литературные и производственные данные ОАО «ГАЗ» по исследованию новых марок инструментальной быстрорежущей стали, режимов термической обработки и технологий по упрочнению поверхности инструмента, химический состав некоторых быстрорежущих сталей, режимы термообработки, виды напряженного состояния и классификация трещин, виды поломок и разрушений инструмента, влияние прокаливаемости и закаливаемости на образование трещин. Приводится анализ теорий А. Гриффитса, Л.С. Кремнева, Ю.М. Мешкова, И.А. Одинга, В.С. Ивановой, А.П. Гуляева о хрупком разрушении материалов. Показано отсутствие сведений о влиянии структурных факторов (повреждаемости, формы и количества карбидов) и внешних факторов (концентраторов напряжений, связанных со сложной геометрией изделий, нагрузки) на предельную деформацию; расчетов оценки сложности формы инструмента (геометрии изделия). Отмечено, что контроль качества инструмента, проводимый металлографическим способом и по значениям твердости, недостаточен.

На основании выявленных недостатков сформулирована программа работы.

Во второй главе составлено уравнение для получения закономерностей хрупкого разрушения металлических сплавов с относительным удлинением δ от 1 до 10%.

Условие распространения острых трещин Гриффитса для стекла с δ≈0 в условиях самого опасного плоско-деформированного состояния имеет вид


, (1)

где с-концентратор напряжений от трещины с критическим размером 2с; γs-поверхностная энергия, - упругая энергия, Е- модуль упругости, -коэффициент Пуассона, – критическое напряжение, зависящее от напряженного состояния.

В работе Ю.Я. Мешкова показано, что в макромеханике разрушения металлов, где пластические эффекты нарушают строгость решения Гриффитса, этот критерий не применим. На этом основании энергетическое условие для материалов с δ>0, учитывая (1)

, (2)

где – предельная удельная энергия деформации, определяется на стадии пластической деформации как площадь под диаграммой растяжения образца; П – показатель напряженного состояния; – поверхностная энергия металла

, (3)

где – модуль сдвига, МПа.

Из анализа (1) и (2) видно, что относится к периметру имеющейся трещины с размером 2с. Поверхностную энергию металла следует относить к самому опасному компоненту структуры, являющимся концентратором напряжений. В структуре стали концентрация напряжений возможна от границ зерен, полос скольжения, вредных примесей, карбидов. Если считать, что кроме карбидов остальные параметры структуры создают незначительные концентрации напряжений, то поверхностную энергию следует относить к карбиду, имеющему ряд параметров:  (периметр карбида), D (фрактальная размерность), (коэффициент сложности формы карбида), (микронапряжения, определяемые как искажения решетки), N (концентрация карбидов). Представим (2), с учетом существования внутренних и внешних факторов, в виде

  1   2   3   4

Похожие:

Закономерности хрупкого разрушения и их применение для анализа упрочняющих технологий, структурно-энергетического состояния закаленных сталей и предотвращения поломок протяжек iconВлияние структурного состояния на кинетику локализованного усталостного разрушения конструкционных сталей
Д 212. 271. 03 при гоу впо «Тульский государственный университет» по адресу: 300600, Тула, пр. Ленина, 92
Закономерности хрупкого разрушения и их применение для анализа упрочняющих технологий, структурно-энергетического состояния закаленных сталей и предотвращения поломок протяжек iconВлияние структурного состояния на кинетику локализованного усталостного разрушения конструкционных сталей
Д 212. 271. 03 при гоу впо «Тульский государственный университет» по адресу: 300600, Тула, пр. Ленина, 92
Закономерности хрупкого разрушения и их применение для анализа упрочняющих технологий, структурно-энергетического состояния закаленных сталей и предотвращения поломок протяжек iconОценка полей остаточных сварочных напряжений кольцевых стыков трубопроводов
Известно, что остаточные сварочные напряжения (осн) увеличивают накопленную в конструкции потенциальную энергию, что усиливает негативные...
Закономерности хрупкого разрушения и их применение для анализа упрочняющих технологий, структурно-энергетического состояния закаленных сталей и предотвращения поломок протяжек iconПрименение информационных технологий при проведении статистического анализа в здравоохранении Выпускная работа по «Основам информационных технологий» Магистранта кафедры менеджмента и организации здравоохранения
Применение информационных технологий при проведении статистического анализа в здравоохранении
Закономерности хрупкого разрушения и их применение для анализа упрочняющих технологий, структурно-энергетического состояния закаленных сталей и предотвращения поломок протяжек iconПрименение информационных технологий для эконометрического анализа данных Выпускная работа по «Основам информационных технологий» Магистранта кафедры математической экономики и экономической информатики
Охватывает не только социально-экономические системы, но и широкий круг экономических объектов и процессов в производстве, маркетинге,...
Закономерности хрупкого разрушения и их применение для анализа упрочняющих технологий, структурно-энергетического состояния закаленных сталей и предотвращения поломок протяжек iconПрименение гидропрессования для повышения свойств конструкционных сталей
Особенно актуальна проблема увеличения долговечности деталей машин и конструкций при эксплуатации в условиях Севера, при низких температурах...
Закономерности хрупкого разрушения и их применение для анализа упрочняющих технологий, структурно-энергетического состояния закаленных сталей и предотвращения поломок протяжек iconАнализ неопределенностей в управленческой деятельности и оптимизационных задачах
Успешное применение математических методов для анализа проблем с неточными параметрами выполняется с применением методов интервального...
Закономерности хрупкого разрушения и их применение для анализа упрочняющих технологий, структурно-энергетического состояния закаленных сталей и предотвращения поломок протяжек iconСписок проектов фундаментальных исследований «Арктика», принятых к финансированию в 2013 году
Определение температурных условий применения перспективных азотсодержащих сталей с высоким уровнем механических свойств, износостойкости...
Закономерности хрупкого разрушения и их применение для анализа упрочняющих технологий, структурно-энергетического состояния закаленных сталей и предотвращения поломок протяжек icon4 Список опубликованных работ
Применение единого уравнения состояния для построения фазовой диаграммы молекулярной среды
Закономерности хрупкого разрушения и их применение для анализа упрочняющих технологий, структурно-энергетического состояния закаленных сталей и предотвращения поломок протяжек iconПредмет аналитической химии, ее структура. Методологические аспекты аналитической химии; ее место в системе наук, связь с практикой. Значение аналитической
Виды анализа: изотопный, элементный, структурно-групповой (функциональный), молекулярный, вещественный, фазовый. Химические, физические...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib2.znate.ru 2012
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница