Тема: МЕХАНИЗМЫ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ С УМЗ СТРУКТУРОЙ

В настоящее время для повышения свойств материала или для получения свойств не характерных для материала в обычном состоянии его подвергают интенсивной пластической деформации. В результате этой обработки, за счёт больших степеней деформации, формируется сильно фрагментированная и разориентированная структура. При этом, сам материал остаётся преимущественно беспористым и приобретает размер зерна около 100 нм.
Данный тип обработок является весьма интересным с технологической точки зрения: материалы, с заурядными в исходном состоянии свойствами, прошедшие какую-либо обработку интенсивной пластической деформацией, способны приобретать повышенные прочностные, физико-химические и механические характеристики. Например, использование таких материалов при производстве металлоконструкций позволит снизить вес изделия за счёт повышения прочности её составных элементов.
Существует множество методов интенсивной пластической деформации: кручение под квазигидростатическим (или под высоким) давлением (КГД (или КВД)), равноканальное угловое прессование (РКУП), динамическое канально-угловое прессование (ДКУП), всестороннюю изотермическую ковку (ВИК), винтовая экструзия, ротационной ковки (РК), мультиосевой деформации (МД). Из всего вышеперечисленного наиболее применяемым и распространённым является метод равноканального углового прессования, данный метод позволяет получать однородную равновесную УМЗ структуру с высокими углами разориентации границ зёрен. Размеры получаемых РКУП заготовок могут достигать 60 мм в диаметре и длиной до 200 мм даже для труднодеформируемых материалов, таких как титан.
Данных фактор обуславливает интерес к разработке перспективных режимов РКУП для различных материалов. В данной работе исследуется влияние различных режимов РКУП, разработанных и осуществлённых в УГАТУ, на такие материалы, как ВТ6, сталь 45, сталь 09Г2С.
Целью данного исследования являлось определение влияния УМЗ структуры, полученной РКУП, на кинетику и механизмы усталостного разрушения сплавов ВТ6, сталь 45, сталь 09Г2С.
Задачи исследования:
1 Изучение влияния режимов РКУП на усталостные свойства материалов;
2 Проведение усталостных испытаний материалов в исходном состоянии и после РКУП;
3 Проведение анализа усталостных испытаний и исследование кинетики и механизмов разрушения образца;
4 Изучение влияния определённого режима РКУП на кинетику и механизмы разрушения.
Объект исследования
КЗ и УМЗ материалы различными типами кристаллической решётки (сталь 09Г2С, углеродистую сталь 45 ОЦК решетка, титановый сплав ВТ6 ГПУ решетка).
Предмет исследования
Кинетика и механизмы усталостного разрушения материалов разного типа.
В основе диссертации лежит анализ работ, подробно описывающих различные методы ИПД и их влияние на структуру и свойства материалов.
Актуальность работы
Востребованность какого-либо конструкционного материала (КМ) обуславливается наличием у него комплекса прочностных и эксплуатационных свойств: предел прочности, предел текучести,
«определённое соотношение между прочностью и пластичностью, вязкость разрушения и др., которые характеризуют так называемую конструкционную прочность» [66]. Интенсивная пластическая деформация (ИПД) является одним из способов, который позволяет получать совокупность необходимых эксплуатационных свойств в металлических конструкционных материалах.
Одной из важнейших характеристик конструкционных материалов является предел усталости. Данная величина характеризует долговечность деталей и элементов конструкций, которые работают в условиях циклического нагружения. Влияние УМЗ структуры на предел усталости неоднозначно, в некоторых работах авторы указывают на повышение предела усталости, а для каких-то материалов, обработка РКУП привела к снижению усталостных характеристик по сравнению с стандартно обработанными сплавами.
Свойства УМЗ материалов как правило можно регулировать двумя факторами: режим ИПД, и режим последующей термообработки.
Соответственно, регулируя эти два параметра можно получить оптимальную совокупность необходимых свойств в различных материалах.
Важнейшими задачами в вышеперечисленных сферах являются снижение веса и уменьшение габаритов изделий в конструкциях. Значительное повышение механических свойств материала, путём равноканального углового прессования (РКУП), позволят конструкторам выполнить эти задачи.
Известно, что после РКУП значительно повышается твёрдость, предел прочности и предел текучести материала, однако снижается пластичность. В связи с этим, некоторые эксплуатационные свойства, такие как сопротивление усталости, как правило, снижаются. Из-за этого область применения УМЗ и наноструктурированных материалов сужается. Анализ результатов исследовании кинетики т механизмов усталостного разрушения УМЗ материалов позволит разрабатывать оптимальные маршруты РКУП, неправленые на повышение комплекса свойств материала, в том числе и пластичность.

Купить

Сталь 45
Средний размер зерна и механические свойства стали 45 представлены в таблице 2.
Из таблицы 3 видно, что с уменьшением нагрузки (ДР) общая долговечность образцов (N) и относительное количество циклов до зарождения усталостной трещины (N0 в образцах «из стали, как после закалки и высокого отпуска, так и после РКУП» [66] возрастают. Причем, состояние стали на характеристику (N0 практически не оказывает влияние.
Таблица 3 - Общая долговечность образцов до разрушения (N) и относительное количество циклов до зарождения усталостной трещины (N0 в образцах из стали 45
Из «анализа прямолинейного участка кинетических диаграмм усталостного разрушения показал (рис. 28), следует что при одном и то же значении ДК скорость распространения усталостной трещины» [67] в УМЗ стали несколько ниже, чем в КЗ стали, что благоприятно с позиции конструктивной прочности. Данные участки кинетических диаграмм аппроксимируются уравнением Пэриса: для КЗ стали 45 dl/dN = 1,46.10- 8ДК2,8, а для УМЗ стали dl/dN = 5,47.1О’9ДК3,0.
Выводы:
1. При одинаковых условиях усталостного нагружения образцов из
стали 45 общая долговечность образцов и относительное количество циклов до зарождения усталостной трещины (N3), «как после закалки и высокого отпуска, так и после РКУП» [66] возрастают. Причем, состояние стали на характеристику (N0 не оказывает влияния.
2. При одном и то же значении ДК скорость распространения усталостной трещины в стали 45 после РКУП несколько ниже, чем в стали после закалки и высокого отпуска.
3. «Прямолинейный участок кинетических диаграмм усталостного разрушения стали 45» [67] в КЗ и в УМЗ состоянии описывается уравнением Пэриса, соответственно, dl/dN = 1,46.10-8ДК2,8 и dl/dN = 5,47.10-9ДК3,0.

Купить