Механизмы релаксации внутренних напряжений в феррито-перлитных сталях и их влияние на развитие процессов разрушения.

В работе на примере низкоуглеродистых сталей в условиях малоцикловой деформации на изгиб и одноосного растяжения изучены механизмы релаксации внутренних напряжений. Показано, что на начальных стадиях циклической деформации, независимо от схемы нагружения, релаксация напряжений в ферритных зернах осуществляется путем дислокационного скольжения и последующего зернограничного проскальзывания. При увеличении числа циклов схема нагружения оказывает существенное влияние на механизмы релаксации внутренних напряжений. Так при циклической деформации на изгиб, релаксация внутренних напряжений в теле ферритных зерен осуществляется путем последовательной перестройки дислокационной структуры: ячеистая, фрагментированная с большеугловыми ("ножевыми") границами, субзеренная. В то же время при циклической деформации в условиях одноосного растяжения релаксация внутренних напряжений осуществляется путем расщепления отдельных границ зерен феррита или путем зарождения микротрещин.
Приведены данные влияния различных дислокационных структур, полученных при релаксации внутренних напряжений, на развитие процессов разрушения при испытаниях на ударный изгиб и усталости.Обнаружено, что появление в зернах феррита "ножевых" границ образцы стали проявляют склонность к хрупкому разрушению. В работе обсуждается природа влияния структуры, образующейся при релаксации внутренних напряжений, на развитие процессов разрушения. Кроме того рассматривается возможность прогнозирования остаточного ресурса стальных конструкций, изготовленных из феррито-перлитных сталей, находящихся при больших сроках эксплуатации.
назад

 Расчет влияния электрического тока на образование шейки при растяжении стержня

В [1] выполнен расчет условий образования шейки при растяжении стержня на основе модели (см. библиографию в [1]), которая предполагает на раннем этапе развития локализации деформации мгновенное возникновение и стабилизацию локальных утонений на образце, а устойчивая локализация формоизменения наступает в связи со все большим числом спонтанно возникающих шеек при достаточно больших деформациях. По мнению авторов дальнейшее развитие исследований шейкообразования необходимо связать с разработкой методов управления условиями деформирования образца. Одним из таких методов является электропластическая обработка образцов с целью понижения энергозатрат и предупреждения появления шейки, в частности, при волочении проволоки.
     В [2] исследовано влияние постоянного тока на условия образования шейки, а в [3] условия образования шейки в сплошном стержне из термовязкопластичного материала при различных величинах и частотах переменного электрического тока, протекающего через стержень. В расчете предполагалось, что влияние электрического тока на механические свойства нагруженного стержня обусловлено действием Джоулева тепла и пондеромоторных сил, создаваемых магнитным полем тока. Эти механизмы способствуют облегчению пластической деформации в местах концентрации механических напряжений, что позволяет считать электрообработку образцов перспективным технологическим приемом.  
     В расчетах вначале исследована устойчивость однородного растяжения с помощью линейного анализа возмущений на основе теории Раусса-Гурвица, а затем эти результаты уточнялись с помощью нелинейного анализа, который дает поправки в результаты линейного анализа за счет учета влияния амплитудной зависимости возмущений на устойчивость пластического деформирования.
    В частности, результаты расчетов показывают, что действие переменного электрического тока на деформируемый стержень способствует зарождению в нем шейки. Однако, величина тока оказывает более существенное влияние на критическую деформацию шейкообразования, чем его частота. Амплитуда возмущения деформации и эффект Томсона слабо влияют на образование шейки.

1. Бычков А.А., Карпинский Д.Н. file://ПМТФ. 1998. Т.39. N4. с.174-179  

2. Бычков А.А., Карпинский Д.Н. file://ФММ. 1998. Т.85. N5. c.574-580
3. Бычков А.А., Карпинский Д.Н. file://ПМТФ. 1999. N5. с.173-178                
назад

ЭФФЕКТЫ ПЛАСТИФИКАЦИИ В ГИДРОСТАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ МАТЕРИАЛОВ

Пластификация твердых тел при деформации под давлением является главным среди основных эффектов, используемых в гидростатической обработке материалов.
В работе представлен анализ исследований по физике и механике больших пластических деформаций и разрушения под давлением. Цель анализа  выяснить возможности известных моделей механики по описанию эффектов высоких давлений. Показано, что эффекты, обусловленные взаимодействием различных масштабных уровней деформируемого материала пока не находят своего конкретного описания.
Для рассмотрения эффектов пластификации разработана модель пластической деформации и разрушения структурно-неоднородного материала с дефектами типа микронесплошностей. Данная модель разработана на основе континуальных представлений о деформации и разрушения порошковых и пористых сред, а также на представлениях физических и материаловедческих исследований структуры деформируемого материала.
На основе предложенной модели проведено исследование эффектов пластификации при гидростатической обработке компактных и некомпактных материалов. Результаты расчетов сопоставлены с экспериментом. Показана адекватность разработанной модели.
назад

Прогнозирование смены стадий разрушения волокнистого композита (вычислительный эксперимент)

Согласно современным представлениям в процессе разрушения твердых тел можно выделить две стадии: накопление поврежденности и рост магистральной трещины. Определение условий перехода от первой стадии ко второй и создание удобного на практике метода предсказания этого перехода по экспериментальным данным является актуальной задачей физики прочности и механики разрушения.  В начале работы представлены модель и результаты численного эксперимента
накопления повреждений в бороалюминиевом образце волокнистого композита (ВК) с непрерывными волокнами. Аналогично [1], рассмотрен цилиндрический образец ВК с заданными длиной и радиусом, армированный   непрерывными однонаправленными волокнами с заданными объемной долей и диаметром с гексагональной упаковкой. Образец ВК растягивается вдоль направления волокон постоянной нагрузкой при постоянной температуре окружающей среды. Начальной стадии разрушения ВК пластичная матрица -- хрупкие волокна соответствует стадия многократных разрывов армирующих волокон -- дробление волокон. Модель рассматривает еe
как обобщенный ветвящийся процесс с учетом корреляционного перенапряжениясоседних волокон, которое определяется величиной упругой энергии, выделившейся при разрыве волокна. 
   Результаты расчетов на ЭВМ подробно обсуждены в [1] и использовались в[2,3] для предсказания начала катастрофического разрушения нагруженного образца ВК. В частности, в [3] для этой цели использованы метод нелинейной термодинамики как эталонный и оценка отклонения исследуемой случайной последовательности разрывов волокон от пуассоновской. Обработка результатов моделирования процесса накопления повреждений в ВК показала, что ранней стадии накопления повреждений, а также на заключительной стадии дробления, когда исчерпываются места разрывов, соответствует процесс дробления волокон близкий к пуассоновскому. Временному интервалу, в котором появляются многократные разрывы волокон, соответствует заметное отклонение случайной
последовательности разрывов волокон от закона Пуассона. Полученные результаты позволяют оценить критерий отклонения процесса дробления волокон от пуассоновского как надежный и удобный на практике критерий для предсказания катастрофического разрушения.

1. Жданова И.Н., Карпинский Д.Н. file://ЖТФ. 1988. N11. с.2266-2269.
2. Жданова И.Н., Карпинский Д.Н. file://ПМТФ. 1991. N1. с.114-120.
3. Жданова И.Н., Карпинский Д.Н. file://ФММ. 1998. Т.86. с.535-540

назад

Электромеханодиффузия межузельных атомов водорода у вершины трещины

Исследования убедительно показали, что  существуют три  основных   механизма  влияния  пластической деформации на эволюцию  точечных  дефектов, растворенных в твердом теле: 1)решеточная диффузия межузельных атомов водорода  под   действием поля всестороннего растяжения, создаваемого трещинами и скоплениями дислокаций, имеющих краевую компоненту вектора Бюргерса, 2)"выметание" межузельных атомов упругим полем движущихся дислокаций, 3)перенос дислокациями точечных дефектов, накопившихся в их ядрах. В работе представлены результаты вычислений эволюции пластической деформации у вершины трещины в кристалле  с  учетом    пластифицирующего   влияния    межузельного водорода и газообмена на берегах трещины [1,2].  Сравнение  результатов расчетов с учетом пластифицирующего влияния водорода и  без  него показало заметное отличие эволюции пластической деформации в этих случаях. Расчеты показали, что при начальной   концентрации  менее 5 10   происходит монотонный сток растворенных атомов водорода   в полость трещины, а  при  больших   концентрациях  возникает  режим периодического изменения концентрации примеси у берегов  трещины: полный  сток  сменяется   накоплением  водорода,    соответствующее "запиранию" стока давлением газа. При начальной концентрации 10   давление  газа  в   полости    трещины   вызывает    неограниченное нагружение в модельном расчете.
   Далее дана оценка влияния постоянного электрического тока на эволюцию пластической деформации в кристалле у вершины трещины растяжения.  Пластическая деформация у вершины трещины в нагруженном образце   обусловлена термоактивированным движением дислокаций в плоскостях активного скольжения кристалла под действием сдвиговых напряжений   механического и электрического происхождения. Расчет учитывает выделение Джоулева тепла, эффект Томсона, действие пондеромоторных сил и "электронного ветра". Получены распределения пластической деформации и временная зависимость коэффициента интенсивности напряжения (КИН) при протекании постоянного электрического тока у вершины трещины и без него.
     В заключении работы приводятся результаты расчетов миграции атомов межузельных атомов водорода у вершины трещины при совместном действии механической и электрической нагрузки [3].  Расчет показал, что при выбранных значениях параметров эволюция пластической деформации определяется механизмом Джоулева тепла. Численные расчеты выполнены для кристалла   -Fe.

1. Жданова И.Н., Карпинский Д.Н. file://ЖТФ. 1988. N11. с.2266-2269.
2. Жданова И.Н., Карпинский Д.Н. file://ПМТФ. 1991. N1. с.114-120.
3. Жданова И.Н., Карпинский Д.Н. file://ФММ. 1998. Т.86. с.535-540.
назад

Cumulative Fatigue Damage in an Automobile Stabilizer Bar: Correlation
Between laboratory and road experiments

Fatigue damage correlation of a stabilizer bar in front suspension (Mc
Pherson) of a passenger car between laboratory and road experiments is
presented. Cumulative fatigue damage theories together with experimental and analytical techniques of stress analysis are used to determine the fatigue damage imposed on the stabilizer bar, under both conditions (laboratory and actual conditions). FEM models of the stabilizer bars were used  to determine the local stresses at critical regions. These stresses were then measured in laboratory, by using strain gages bonded on the material. The assessments of fatigue damage of the stabilizer bar under actual conditions were performed with a component mounted in a vehicle, which was driven over different road surfaces and velocities. The results of both experiment types were correlationed and discussed. (Keywords: cumulative fatigue damage; laboratory and actual conditions damage)
назад

Cellular Automata Computer Model of Polycrystalline Plastic Deformation

Effects stipulated by interdependence of microlevel and macrolevel of plastic deformation processes were analized. Using computing mechanics instead of constitutive relationships the adequate computer models were used, which was opened by cellular automata approach. By means of numerical experiments, the cellular automata allowed to study the macrobehavior of the ensemble of cells at the macrolevel depending on the local microscopic laws that define evolution of each cell and its interaction with the closest environment. A cellular model of the plastic deformation of polycrystalline aggregate was proposed and comprehensively described. Representative volume of the deformed solid body deformed was described as a population of interconnected units which, in turn, consisted of lower scale level units. Sliding along the various allowed sliding systems deforms simple units, which do not have an internal structure. For consideration of stress distribution within the limits of components, the approach of self-consistent field was used. Rotation of units and moment stresses connected with it were taken into account. Results of computer experiments are analyzed, software is described.
назад

Imaging of Residual Stresses and Cracks in Solids by Photoacoustic and Photothermal Microscopies

Photothermal and photoacoustic imaging of materials and structures play a growing role in modern science and technology. These methods are able to provide important information about thermal and mechanical properties of materials and defects of different types. The main advantages of these methods are the general nature of photothermal and photoacoustic phenomena in solids, noncontact type of measurement, high resolution and sensitivity. These methods have been successfully used both for bulk materials characterization, coatings and thin film measurements.
In this paper both theoretical and experimental aspects of the problem of the photoacoustic and photothermal detection of residual stresses in solids are discussed. In the theoretical part of this work the new theory of the photoacoustic effect in solids with residual stresses has been developed. This theory is based on the non-linear Murnaghan model of the elastic body which takes into account the elastic modulii of third order. The thermoelastic energy in this theory includes the dependence of the thermoelastic parameter (constant) on strains. The developed theory has been used for analysis of non-linear deformations produced by a.c. pump laser light due to the thermoelastic effect. This theory gives the expressions for the photoacoustic piezoelectric signal relating it with the non-linear strains of material and the stress dependent thermoelastic parameter.
In the experimental part of this work  complex approach has been used which was proposed by us recently. The main feature of this approach consists in using several photothermal and photoacoustic techniques simultaneously in combination with the scanning optical and scanning deflection microscopies. This approach provides an important opportunity to control thermal and thermoelastic parameters independently. Within the framework of this approach the behavior of the photoacoustic and photothermal signals near indented zones in metals and ceramics has been investigated.
Essential peculiarities of the photoacoustic piezoelectric signal near the ends of radial cracks where the main residual stresses are concentrated have been detected. Some results of the influence of external loading on the photoacoustic and photothermal signals are also given in this part. It is demonstrated that the dependence of the photoacoustic signal on stresses is not related with the influence of residual stresses on thermal parameters and it is related only with the influence of residual stresses on its non-linear elastic properties and the thermoelastic parameter. It is shown that the obtained experimental results for the non-linear thermoelastic and Murnaghan-s parameters are in a reasonable quantitative agreement with the theoretical predictions.
Different images obtained on the Vickers indented metal and ceramic samples are given in this work which demonstrate the influence of  residual  stresses and   cracks on the photothermal  and  photoacoustic signals. The laser optical and laser deflection images of the deformed objects have been obtained. Suface profile images taking place in a micrometer scale were detected by laser deflection microscopy. Relative positions of the plastically deformed regions and areas with residual stresses detected by photoacoustic piezoelectric method are compared.

назад

Формирование поверхности при электроискровом легировании

             Электроискровое легирование позволяет имплантировать в поверхностный слой  атомы металлов, придающие более высокие качества при эксплуатации металлических изделий. Метод позволяет осуществлять размерную обработку, восстанавливать изношенные участки трибосопряжений, а также производить предварительное легирование на стадии изготвления деталей.
Исследование влияния природы легирующих элементов, параметров легирования позволили установить, что наиболее эффективно использовать титан, хром и молибден для создания прочных и твердых покрытий. Упрочнение поверхности лазером способствует повышению износостойкости и коррозионной устойчивости в кислых средах.

назад

Универсальный цифровой вихретоковый прибор ВД-221.

В ООО "Микроакустика" ведется разработка универсального цифрового вихретокового прибора ВД-221. Этот прибор реализует полный набор методов вихретокового контроля. ВД-221 может быть использован для целей неразрушающего контроля изделий из металлов и сплавов, измерения удельной электропроводности и толщины непроводящего покрытия. Также возможно использование прибора в научных исследованиях структуроскопии и исследовании свойств вихретоковых преобразователей.
Принцип действия прибора основан на методе цифрового синхронного детектирования. Этот алгоритм реализован на цифровом сигнальном процессоре, что позволяет использовать преимущества цифровой обработки сигналов, а также обеспечивает необходимую гибкость в различных приложениях. Обработка данных осуществляется в реальном времени. Прибор позволяет менять рабочую частоту в пределах от 10 Гц до 5 МГц. Возможен многочастотный контроль. Вывод данных в режимах развертки во времени или на комплексную плоскость. Вихретоковые преобразователи различных типов абсолютные, дифференциальные и динамические подключаются к прибору через соответствующие адаптеры. ВД-221 может работать как автономно, так и в составе автоматизированного комплекса.
На данный момент создан опытный образец ВД-221.

назад

КРИТЕРИЙ РАВНОЙ ВЕРОЯТНОСТИ
ДЛЯ ПРОГНОЗА ПРОЧНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ
 ПРИ СЛОЖНОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

Объединение выражения статистической механики Дж. В. Гиббса для вероятности свершения термоактивационного события, уравнения долговечности физической термофлуктуационной концепции разрушения в виде уравнения С. Н. Журкова - С. Б. Ратнера и некоторых закономерностей механики нелинейно деформируемого твердого тела позволяет получить формулы критериев достижения состояния текучести и разрушения. Согласно этим критериям два напряженных состояния являются эквивалентными, если им соответствуют равные вероятности процесса, посредством которого реализуется деформирование или разрушение. Критерии просты по форме, имеют ясный физический смысл, учитывают линейное влияние шарового тензора и девиатора и влияние деформационных свойств материалов - показателя нелинейности и коэффициента поперечной деформации.
Обработка опытных данных, полученных российскими и зарубежными исследователями при испытании на длительную и кратковременную прочность углеродистых, легированных сталей и чугунов, показала хорошее соответствие предлагаемых критериев в случае простого нагружения при плоском напряженном состоянии. Само же уравнение долговечности термофлуктуационной концепции разрушения позволяет учесть влияние температуры, среды, наполнителей и стабилизаторов на входящие в него параметры, поэтому удобно не только для прогноза долговечности, но и для управления качеством материала.
Являясь по содержанию энергетическим, критерий равной вероятности процесса разрушения может послужить основой для построения обобщенной теории прочности твердых тел по типу теории Н. Н. Давиденкова - Я. Б. Фридмана.
назад

Обнаружение трещин в металлических материалах методом амплитуднозависимого внутреннего трения

Амплитуднозависимое внутреннее трение (АЗВТ) является структурно-чувствительным свойством, реагирующим на трещины в материале. Присутствию в материале трещин соответствует АЗВТ с максимумом в районе малых амплитуд колебаний. Раскрытие трещин сопровождается уменьшением частоты колебаний.
Проведен анализ АЗВТ различных металлических материалов с трещинами, возникшими по разным причинам.

1. С трещинами металлургического происхождения:

а) возникшими при затвердевании литой графитизированной стали,

б) получившимися при горячей обработки давлением в ферритной стали.

2. С трещинами, возникшими при обработке: закалка + наводораживание + циклическая деформация, - в высокопрочной стали.

назад

Изменение демпфирующих свойств ферромагнитных сплавов железа при обработке

Повышенная демпфирующая способность ферромагнитных сплавов железа может быть обусловлена магнитомеханической природой затухания колебаний. Демпфирующая способность подобных сплавов изменяется при воздействии магнитного поля, при объемной, поверхностной деформациях. Это необходимо иметь ввиду при обработке и эксплуатации изделий из таких сплавов.
Увеличение демпфирующей способности можно достичь за счет воздействия магнитным полем, деформацией небольшой интенсивности. Такие воздействия инициируют выведение доменной структуры из состояния равновесия, увеличивая ее подвижность, способность к перестройке. Снижение демпфирующей способности имеет место при больших степенях деформации, напряженности магнитного поля. Такие воздействия или снижают подвижность доменной структуры, способность к перестройке, или почти полностью устраняют ее.

назад

О механизмах магнитоупругого изменения коэрцитивной силы.

Зависимость коэрцитивной силы Нс от величины приложенных напряжений  привлекает интерес, связанный с возможностью ее использования для измерения внешних механических напряжений в элементах стальных конструкций. Выяснение природы этой зависимости, в частности, немонотонного характера ее изменения вдоль направления измерения, влияние такого магнитоупругого параметра как магнитострикция и, наконец, определение аналитического выражения этой зависимости Hc() имеет теоретическое и практическое значение.
В настоящее время немонотонный характер зависимости продольной Нс(): вначале уменьшение, а затем рост и только рост поперечной Нс() общепринято объяснять двумя основными механизмами. Во-первых, перераспределением магнитных фаз вдоль наилегчайших магнитных осей кристаллов, ближайших к оси растяжения для материалов с 100 > 0, во-вторых, ростом градиента механических напряжений главным образом у поликристаллических материалов.
Однако, при объяснении значительного увеличения Нс после спада, например у отпущенных сталей, не учитывался эффект уменьшения ширины продольных доменов при растяжении материала и связанный с ним рост коэрцитивной силы. Причина этого заключается в том, что магнитоупругая энергия, связанная с поперечными замыкающими доменами, будет уменьшаться с уменьшением их объема. Но, так как при этом на концах образца, на границах раздела фаз, границах зерен возникают магнитные поля рассеяния (магнитные "заряды"), то это дополнительно препятствует движению междоменных границ.
На основании рассматриваемых механизмов предложена формула зависимости коэрцитивной силы, измеренной как вдоль Hc(), так и поперек Hc() оси растяжения от величины действующих напряжений в виде:
Hc =
Hc =
Здесь   соответствует величине коэрцитивной силы при  = 0.
Учет перестройки доменной структуры произведен с помощью магнитострикции. Предложен механизм расчета эффективных констант магнитострикции по полевой зависимости. Обнаружены корреляции между коэффициентами, входящими в формулы коэрцитивной силы и эффективными константами магнитострикции.
А1, А2, к1, к2 - коэффициенты, входящие в уравнения, находили по экспериментальным графикам зависимостей Нс(). Расчет коэффициентов 1,2 проводили численным методом, с помощью программы Mathcad 2000 Professional. Найденные соотношения хорошо описывают зависимость Нс() для одноосного нагружения.
В работе дан анализ влияния напряжений на энергию междоменных границ и оценен ее вклад в изменение коэрцитивной силы. Дано объяснение несимметричности изменения коэрцитивной силы при растяжении и сжатии.
назад

Фрактальная параметризация структуры железоуглеродистых сплавов после отпуска с целью выявления эффекта синергизма и разработка на этой основе методов контроля и прогнозирования свойств.

Задача оптимизации закаленных сталей по комплексу механических в результате их отпуска решается эффективно с использованием показателя фрактальной размерности структуры. Для сталей 40Х и 40ХН выявлены пороговые значения фрактального показателя и температуры отпуска, контролирующие неравновесные фазовые переходы и параметры порядка (удельное электросопротивление и ТЭДС), определяющие условия реализации синергизма отпуска и самооптимизацию структур.


назад

Прогнозирование долговечности металлических конструкций, работающих в агрессивных средах

Рассматривается металлическая часть строительных конструкций градирни СК - 1200, представляющие собой сложную пространственно искривленную конструкцию, которая работает в агрессивной среде и находится под воздействием силовых нагрузок.
Исследуется влияние коррозионного износа на напряженно-деформированное состояние (НДС) металлических конструкций градирни, не защищенных лакокрасочными покрытиями.
Для анализа НДС используется сплайновый вариант метода конечных элементов. Пластические деформации учитываются по деформационной теории пластичности.
Алгоритм вычисления:
1. Определяется НДС исходной градирни.
2. Задается шаг по времени. В работе принято 2.5 года. По текущему времени t и вычисленному полю интенсивности напряжений SIGi определяется глубина коррозии металлических конструкций
d(t) = dку t t  (1 + k SIGi ) / (T2 T2 + T1 t + t t) .
3. Вычисляются новые геометрические параметры (толщины оболочечной части hнов i  и моменты инерции для элементов подкрепления Sнов i , Jнов i ) градирни с учетом коррозионного износа d(t) во всех расчетных точках.
4. Определяется НДС корпуса градирни при новых параметрах.
5. Проверяется выполнение условия "Кризис",   когда  строительные конструкции не могут выполнять свое функциональное назначение.
Проведено исследование НДС градирни с учетом коррозионного износа на протяжении ряда лет. Вычисления проводились при "жестких" условиях в момент возникновения нулевой толщины в оболочечной части, при этом срок службы корпуса градирни составил всего 7.5 лет.

назад

Дифракция упругих волн на наклонной трещине, выходящей на поверхность.

Рассматривается задача о дифракции гармонических волн на наклонной трещине,   находящейся в полупространстве и выходящей на поверхность среды.  Распространение волн описывается волновым уравнением, которое решается с помощью преобразования Фурье.
  Задача сводится к интегральному уравнению относительно неизвестного скачка перемещений на трещине. Полученное интегральное уравнение решается вариационно-разностным методом.   Найденный скачок перемещений   используется для построения волнового поля, расчета потока энергии и обобщенного коэффициента рассеяния.
  Получены итоговые формулы и создана программа на Фортране для расчета обобщенного коэффициента рассеяния волн и энергии, поступающей от источника и ее распределения между отраженными и прошедшими волнами в зависимости от частоты волн.
  Выполнено условие энергетического баланса, которое использовалось для контроля численных результатов.
  Проведен численный анализ зависимостей коэффициентов отражения от угла наклона трещины и частоты.
  Работа поддержана грантами РФФИ N 99-01-00908  и CRDF BRHE REC-004.

назад

О механизмах магнитоупругого изменения коэрцитивной силы.

Зависимость коэрцитивной силы Нс от величины приложенных напряжений вызывает интерес, связанный с возможностью ее использования для измерения внешних механических напряжений в элементах стальных конструкций. Выяснение природы этой зависимости, в частности, немонотонного характера ее изменения, влияние такого магнитоупругого параметра как магнитострикция и, наконец, определение аналитической зависимости Hc от нагрузки имеет теоретическое и практическое значение.
В настоящее время немонотонный характер зависимости продольной Нс от величины растягивающей нагрузки: вначале уменьшение, а затем рост и только рост поперечной коэрцитивной силы при растяжении общепринято объяснять двумя основными механизмами. Во-первых, перераспределением магнитных фаз вдоль наилегчайших магнитных осей кристаллов, ближайших к оси растяжения для материалов с положительной магнитострикцией, во-вторых, ростом градиента механических напряжений как у монокристаллов, так и у поликристаллических материалов.
Однако, при объяснении значительного увеличения Нс после спада не учитывался эффект уменьшения площади междоменных границ при растяжении материала и связанный с ним рост коэрцитивной силы. Причина этого заключается в том, что магнитоупругая энергия, связанная с поперечными замыкающими доменами, будет уменьшаться с уменьшением их объема. Но, так как при этом на концах образца, на границах раздела фаз, границах зерен возникают магнитные поля рассеяния (магнитные "заряды"), то это дополнительно препятствует движению междоменных границ и приводит к росту коэрцитивной силы.
На основании рассматриваемых механизмов предложена формула зависимости коэрцитивной силы, измеренной как вдоль (продольная), так и поперек (поперечная) оси растяжения от величины действующих напряжений.
В предложенных формулах учет перераспределения магнитных фаз произведен с помощью магнитострикции насыщения, которая определена экспоненциальной функцией. Установлено, что магнитоупругая чувствительность коэрцитивной силы зависит от эффективной константы магнитострикции, величина которой определялась по кривым магнитострикции. Найденные соотношения хорошо согласуются с экспериментальными кривыми зависимости продольной и поперечной коэрцитивной силы от нагрузки. В результате исследования относительного изменения Нс (разница поперечной и продольной Нс, отнесенная к величине коэрцитивной силы ненагруженного материала) предложен способ определения величины действующих механических напряжений.
В работе дан анализ влияния напряжений на энергию междоменных границ и оценен ее вклад в изменение коэрцитивной силы на примере сплавовTbFe2. Дано объяснение несимметричности изменения коэрцитивной силы стали при растяжении и сжатии на основе неодинакового распределения векторов намагниченности относительно направления нагружения.
назад

О математическом моделировании эхо и теневого  методов контроля

Большинство проблем неразрушающих методов контроля с использованием акустических или ультразвуковых сигналов решается опытным путем. Вместе с тем, четкое представление о законах распространения динамических возмущений в телах, содержащих поры, трещины, инородные включения, могло бы способствовать пониманию отдельных особенностей воспринимаемых сигналов и рациональному использованию этой информации как при модификациях, так и совершенствовании соответствующей аппаратуры. В связи с этим в настоящей работе путем решения динамической задачи теории упругости исследуется распространение волн напряжений в упругом теле с вырезом и отверстиями сложной формы целью математического моделирование эхо и теневого методов прогнозирования положения и размеров отверстия. Исследование проводится на основе разработанных методов численного расчета динамических задач теории упругости. В этих методах используется развитие на тела и нагрузки с особенностями метода пространственных характеристик. Само исследование можно разбить на два этапа, в этап анализа и синтеза результатов решенных динамических задач.
На этапе анализа исследуются особенности распространения волн в однородных и неоднородных телах и результаты решенных задач используются для построения адекватных диагностических параметров.
На этапе синтеза на основе сведений о   распределении указанных параметров и их величин строится алгоритм диагностирования положения и размеров отверстия.
В данном сообщении в полном объеме обсуждаются результаты первого этапа,  а так же некоторые начальные результаты решения задач второго этапа.
назад

Построение кривых деформирования для тонких мембран в пластической зоне

Рассматривается эффективный экспериментально - теоретический подход исследования механических свойств тонких мембран, основанный на синтезе экспериментального и теоретического подходов.
Для проведения экспериментов используется испытательная установка, смонтированная на базе гидравлического пресса. Круглый образец, вырезанный из тонкого листового материала, зажимается плотно по контуру между матрицей и пуансоном. В матрицу подается через ресивер сжатый воздух. Плоский образец деформируется и принимает форму параболоида вращения.
Партия образцов испытывается под воздействием равномерного давления различной интенсивности. Фиксируя значения давления и соответствующую высоту купола мембраны, а также измеряя толщину мембраны в вершине и используя соотношения нелинейной теории оболочек для мембран с учетом больших перемещений и больших деформаций, расчетным путем определяются значения усилий, напряжений и деформаций в мембране. При решении задачи пренебрегаются чисто упругие деформации ввиду их малости и учитываются только пластические деформации. Используются соотношения деформационной теории пластичности по А.А.Ильюшину. При интегрировании оболочечных уравнений применяется метод Бубнова - Галеркина.
Для проверки эффективности метода исследования были проведены тестовые расчеты для медных и стальных мембран, нагруженных равномерным давлением. Сравнение полученных результатов с известными экспериментальными решениями показали, что предложенный метод дает достоверные результаты.
Предложенный экспериментально - теоретический метод может быть использован при построении уточненных кривых деформирования мембран в зоне пластических деформации, а также может быть применен при идентификации неизвестных пленок, а также при исследовании влияния различных модификаций на механические свойства материалов.
назад

Влияние агрессивной среды на деформирование полимерных и металлических материалов

Под воздействием агрессивных сред на нагруженные элементы конструкций изменяются их свойства во времени. Предлагается модель расчета НДС и устойчивости для слоистых оболочек и стержневых систем с различными физико-механическими свойствами и реологией. Приведены примеры расчетов деградации свойств материалов при статических нагружениях и воздействии химически агрессивной среды или ионизирующего облучения. Показано снижение релаксационных напряжений в первом случае и увеличение их во втором. Проведен анализ результатов и даны практические рекомендации.
назад

К ОПРЕДЕЛЕНИЮ РАЗМЕРОВ И ФОРМЫ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ТРЕЩИН МЕТОДОМ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ

На основе единого гранично-интегрального подхода разрабатывается математическая модель, включающая основные этапы процесса ультразвуковой дефектоскопии заглубленных пространственных трещин произвольной ориентации в однородной среде и горизонтальных интерфейсных трещин:
1) описание волнового поля источника;
2) решение задачи дифракции на трещине;
3) регистрацию отраженного сигнала и построение образа дефекта, получаемого при сканировании.
Краевая задача сводится к системе интегральных уравнений относительно неизвестного скачка смещений берегов трещины. Для отраженного волнового поля получено интегральное представление через матрицы Грина верхнего и нижнего полупространства и неизвестный скачок смещений. Для решения интегральных уравнений используется вариационно-разностный метод, состоящий в разложении скачка по осесимметричным дельтообразным базисным функциям, заданным в узлах сетки, покрывающей с равномерным шагом область, занимаемую трещиной. Неизвестные коэффициенты разложения определяются из системы алгебраических уравнений, возникающей в соответствии со схемой метода Бубнова-Галеркина. Осесимметричность базиса позволяет существенно снизить вычислительные затраты на формирование матрицы системы путем перехода в представлении ее элементов от многократных к однократным контурным интегралам.

На практике встречаются ситуации, когда трещина находится между разномодульными материалами. Это могут быть зоны отслоения в сварных, клеевых или металлокерамических соединениях, в слоистых композитах и т.п. Наличие границ раздела приводит к появлению дополнительных отраженных, преломленных и интерфейсных или каналовых волн, что усложняет выделение на их фоне сигнала, отраженного от дефекта. Математически эти трудности выражаются в усложнении структуры падающих на трещину волн и ядер граничных интегральных уравнений.
Для рассматриваемой модели разработана и реализована в виде пакета прикладных программ схема определения коэффициента рассеяния, диаграмм направленности,  электромеханического коэффициента связи Аулда (коэффициента отражения) и резонансных полюсов рассеяния. Для широкого диапазона изменения параметров проанализирована зависимость характеристик отраженного поля и скан-образа дефекта от формы трещины, направленности источника, соотношения упругих свойств материалов и частоты. Получен вид коэффициента отражения для трещин неклассической формы (отличной от круговой и полосовой).

назад

Влияние жаростойких покрытий на структуру поверхностных слоев и сопротивление ползучести сплавов ЖС6У, ВЖЛ12У

Исследовали механизм ползучести жаропрочных сплавов и влияние покрытий на длительную прочность при 1273-1373 К. Покрытия из сплава Ni (Co) - Cr - Al - Y и керамики Y2O3, ZrO2  и двухслойные покрытия, в которых поверхностный слой состоял из керамики, наносили методом вакуумной плазменной технологии высоких энергий. Однослойные покрытия из сплава Ni (Co) - Cr - Al - Y имеют микродуплексную структуру с величиной зерен до 0.3 мкм. В процессе высокотемпературной ползучести на воздухе под покрытием в поверхностных слоях наблюдали внутреннее окисление, что свидетельствует о проникновении кислорода через покрытие. Это приводит к снижению длительной прочности суперсплавов. Наилучшие свойства показали двухслойные покрытия. Длительная прочность сплавов с покрытием на воздухе не ниже длительной прочности сплавов без покрытия в вакууме. Двухслойные покрытия полностью защищают сплавы от воздействия воздушной среды. Исследована эволюция структуры и химического состава суперсплавов под покрытием. Концентрация хрома и алюминия в поверхностном слое возрастает. а никель -  уменьшается. В сплаве под покрытием наблюдали инициированную диффузией миграцию границ зерен, обловленную диффузией алюминия из покрытия в сплав по границам зерен. При этом позади мигрирующих границ образуются крупные частицы Ni3Al.
назад

Измерение параметров волн напряжений в металле при воздействии лазерных моноимпульсов.

Воздействие лазерных моноимпульсов на поверхность твердого тела приводит к возбуждению в нем напряжений в диапазоне от упругих до ударных. Кроме использования в дефектоскопии и акустике возможно применение лазерных моноимпульсов в технологических целях, связанных с обработкой металлов, например, для регулирования фазового состава в структуре закаленной стали [1] и для снятия остаточных напряжений в сварных соединениях. Экспериментальное измерение параметров ударных волн возбуждаемых на поверхности металла моноимпульсным излучением лазера необходимо для установления связи между давлением и длительностью ударного возмущения и структурными и фазовыми изменениями, происходящими в поверхностном слое металла.
Для возбуждения ударных волн на поверхности исследуемых сталей в работе использовался   лазер на рубине, работавший в режиме модулированной добротности (параметры излучения: энергия импульса излучения - до 1,5 Дж, длительность импульса в 30 нс).
Рассмотрены различные методы и средства регистрации лазерно-индуцированных ударных волн и обсуждены технические аспекты применения того или иного метода. В работе было отдано предпочтение использованию для этой цели лазерного интерферометра Майкельсона [2], что связано с особенностями возбуждения и малыми размерами зоны взаимодействия лазерного излучения с материалом. Приводится методика измерения параметров лазерно-индуцированных ударных волн и схема экспериментальной установки, основу которой составлял лазерный интерферометр Майкельсона. В качестве источника когерентного излучения в интерферометре был применен одномодовый гелий-неоновый лазер ЛГ38, в качестве фотоприемника лазерный фотодиод ЛФД-2-А с граничной частотой 1 ГГц. Дается теория прибора и методика дешифровки интерферограмм. Представлен экспериментально полученный профиль ударной волны (давление ~ 1 ГПа, длительность ~1 мкс), возбуждаемой на поверхности стального образца лазерным моноимпульсом с параметрами: энергия в импульсе в 1,5 Дж, длительность в 30 нс. В ходе экспериментальных исследований получены зависимости давления на фронте ударной волны от энергии импульса излучения лазера и от проходимого волной расстояния. Изучены эволюция формы и амплитудно-временные параметры возбужденных импульсов напряжений.

 [1]     Закономерности распада остаточного аустенита под действием ударных волн, возбужденных лазерными импульсами / П.Ю.Кикин, А.И.Пчелинцев, Е.Е.Русин // МиТОМ. 1992. N6. С.20-21.
[2]   Брагов А.М., Ломунов А.К., Русин Е.Е. Применение интерферометра Майкельсона для исследования слабых ударных волн // Материалы IV научн.  конф. молодых ученых мех.-мат. ф-та и НИИ механики ГГУ: Сборник / Горьк.ун-т. Горький. 1979. Ч.1. С.45-49. Деп. в ВИНИТИ 20.08.79. N2856-1979.

назад

ОБ УСТОЙЧИВОСТИ СЖАТЫХ ВЯЗКОУПРУГИХ СТЕРЖНЕЙ

В исследованиях по теории устойчивости вязкоупругих стержней используются математические модели, описываемые дифференциальными уравнениями в частных производных с последействием. Эти математические модели представляют для исследователей достаточно сложный объект, даже в плане описания общих эволюционных свойств системы, т.к. возникают проблемы с корректной разрешимостью начальной задачи Коши. Эти трудности характерны для динамических систем, описываемых дифференциальными уравнениями в частных производных. В рассматриваемых моделях они увеличиваются из-за наличия последействия. Поэтому в инженерных исследованиях по устойчивости сжатых вязкоупругих стержней, часто, рассматривали упрощенные модели вязкоупругости Максвелла [1] и Фойхта [2]. При описании динамики вязкоупругих стержней с релаксационными ядрами общего вида в работе [3] дифференциальные уравнения в частных производных с последействием описывались "обыкновенными" дифференциальными уравнениями в специальных гильбертовых пространствах. Для обыкновенных дифференциальных уравнений с последействием, впервые, такое описание ввел Н.Н. Красовский [4]. Введение указанного описания позволяет при изучении динамики вязкоупругих сред использовать результаты математической теории сильно непрерывных полугрупп. В докладе при описании динамики вязкоупругого стержня вводится сепарабельное гильбертово пространство состояний. В этом пространстве строится инфинитезимальный оператор, задающий "обыкновенное" дифференциальное уравнение. Полугруппа операторов, порождаемая "обыкновенным" дифференциальным уравнением описывается в терминах резольвенты инфинитезимального оператора. Найден явный вид этой резольвенты и построено характеристическое уравнения для нахождения собственных чисел инфинитезимального оператора. Обсуждается связь спектральных свойств инфинитезимального оператора с экспоненциальной устойчивостью динамических процессов. Задача нахождения условий экспоненциальной устойчивости сжатых вязкоупругих стержней сводится к проблеме Рауса-Гурвица для характеристического уравнения инфинитезимального оператора. Характеристическое уравнение, в общей ситуации, описывается трансцендентной функцией. Предлагается процедура аппроксимации этой функции полиномами, опирающаяся на конечномерные аппроксимации резольвенты инфинитезимального оператора. В основе, описываемой процедуры, лежит аппроксимация ядра релаксации конечными экспоненциальными суммами. Предложенная методика использовалась при исследовании устойчивости сжатого вязкоупругого стержня. Найдена аналитическая зависимость критической силы от параметров, определяющих динамику рассматриваемой системы.

Литература

1. Работнов Ю.Н., Шестериков С.А. Устойчивость стержней и пластин в условиях ползучести// Прикл. матем. и механ. 1957. Т. 21, Вып. 3. С. 400-412.
2. Андейчиков И.П., Юдович В.И. Об устойчивости вязкоупругих стержней// Изв. АН СССР. Мех. тв. тела. 1974. ¦ 2. С. 78-87.
3. Fabiano R.H. Stability and approximation for a linear viscoelastic model// J. Math. Anal. and Appl. 1996. V. 201, N. 1. P. 206-220.
4. Красовский Н.Н. Некоторые задачи теории устойчивости движения. М.: Физматгиз. 1959.
назад

Механические свойства алюминиевого композита, экструдированного с применением нанопорошков.

В последнее время сформировалась новая, быстро быстроразвивающаяся отрасль техники  в Crystal Engineering [1], и одной из ключевых технологий в этой отрасли является Nanotechnology. Только в США на развитие исследований в этом направлении в 2001 г. выделено 497 млн. $ [2].  В Перечне приоритетных направлений фундаментальных исследований РАН на 1998 г. cреди других названы нанокристаллические материалы и наночастицы. С 1981 [3] по 1999 гг. с участием авторов было получено 22 изобретения, охватывающих широкий круг технологий, при реализации которых использовалось 15 видов различных нанопорошков (НП).  По получению и применению НП для повышения качества различных материалов было издано две монографии [4, 5]. Одной из перспективных разработок в этой области является получение путем  экструзии композиции, состоящей из алюминиевых гранул и НП   (1,5-2,7 масс.%) алюминиевого композита в виде протяженного профиля (метры) любого сечения [6] с тонкой (десятые доли мм) оболочкой. Внутренний объем такого композита состоит из длинных (десятки мм), плотно скомпактированных алюминиевых волокон сечением в десятые доли мм2, причем поверхность волокон на всем их протяжении оказалась полностью плакированной частицами НП. При этом, если в  экструдированного из гранул сплава АД0 прутка  9,5 мм, обладающего компактной структурой внутреннего объема,   составило 98,1 МПа, а 0,2 v 48,1 МПа и  - 42,8%, то, например,  пруток такого же диаметра, но отпрессованный из  гранул сплава  АД0 и НП TiCN, имеет в = 121,6 МПа (больше на 24,0%), а 0,2 = 59,9 МПа (больше на 22,5%) и  = 43,9% (больше на 2,6%). А при циклических испытаниях на изгиб первый пруток сломался после 9-11 изгибов, тогда как второй v после 18-20 (больше в 1,6-2,2 раза). C целью выбора оптимальных  параметров экструдирования композита (выбор видов сплава и НП, их объемного соотношения, параметров прессования) и регулирования в определенных пределах механических свойств композитов разного сечения разработана математическая модель деформирования среды, сводящаяся на шаге линеаризации к единой модели неоднородного анизотропного тела, как инвариантной части расчета. Реализация выполняется вариационно-разностным методом для решения нелинейной и линеаризованной задач.

Литература
1.  Sharma C.V.K. and Rogers R.D.  Crystal Engineering// Materials Today.- 1998.- V. 1.- Issue 3.- P.27.
2. Dietz F. Catching up to Nanotechnology.- Mechanical Engineering.- 2000.- ¦ 7.- P. 34.
3. А.с. СССР ¦ 831840. Способ модифицирования литейных алюминиевых сплавов эвтектического типа/ Г.Г. Крушенко, Ю.М. Мусохранов, И.С. Ямских и др.// БИ.- 1981.- ¦ 19.
4. Плазмохимический синтез ультрадисперсных порошков и их применение для модифицирования металлов и сплавов/ Сабуров В.П., Черепанов А. Н., Жуков М. Ф. и др.- Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1995.- 344 с.
5. Упрочнение металлических, полимерных и эластомерных материалов ультрадисперсными порошками плазмохимического синтеза/ М.Ф. Жуков, И.Н. Черский, А.Н. и др.- Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1999.- 312 с.
6. Крушенко Г.Г. Нанопорошки химических соединений v средство повышения качества металлоизделий и конструкционной прочности// Заводская лаборатория. Диагностика материалов.- 1999.- Т. 65.- ¦ 11.- С. 42-50
назад

Оценка прочности и ресурса теплоэнергетического оборудования

Износ основных составляющих производственных фондов энергетических структур регионов Сибири в настоящее время составляет по производственным фондам v от 30 до 62%, по машинам и оборудованию v от 46 до 82,1%, по передаточным устройствам v от 57 до 78%. Только из-за повреждений трубопроводов ТЭС ежегодно происходит более 140 отказов энергоустановок. Высокий уровень выхода из строя элементов теплоэнергетического оборудования (котлы, сосуды, трубопроводы и др.), значительные экономические потери и сложность ремонтно-восстановительных операций, связанных с их ремонтом, требуют проведения широкого спектра научных исследований с целью выявления причин отказов и последующего расчетного обоснования ресурса на базе оценки напряженно-деформированных состояний с учетом критических размеров дефектов. В ряде случаев единственно возможным путем решения проблемы дальнейшей эксплуатации оборудования является восстановление поврежденных элементов с использованием различных технологических решений, включая и термическую обработку, позволяющих свести к минимуму экономические потери и затраты при эксплуатации оборудования в условиях повышенной степени износа основных производственных фондов.   Работа проводилась по проекту 1.5.2. "Создание научных основ безопасности по критериям механики разрушения для проектных, запроектных и гипотетических аварий" в рамках Федеральной целевой научно-технической программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения". При длительной эксплуатации в условиях повышенных нагрузок в металле и сварных соединениях технологического оборудования происходят сложные физико-химические процессы, в результате которых изменяется характер микроструктуры, развиваются коррозионные и эрозионные процессы, возникает ползучесть,   накапливается повреждаемость, перераспределяются действующие механические напряжения и, как следствие, наступает лавинное трещинообразование и выход оборудования из строя. Процесс эксплуатации энергооборудования ТЭС характеризуется следующими основными стадиями: I -  приспособляемость и стабилизация; II v монотонное и III v интенсивное накопление   повреждений;  IV v предразрушение. Каждой из них соответствуют различные уровни вероятности отказов. Большая часть оборудования тепловой энергетики эксплуатируется на наиболее стадиях III и IV, что связано с необходимостью решения возможности их дальней эксплуатации путем оценки остаточного ресурса. На стадии проведения экспертизы технического состояния типичных объектов теплоэнергетического оборудования в соответствии с нормативными документами были проведены расчеты напряженно-деформированного состояния. Особе внимание уделялось анализу напряжений в зонах отверстий и вмятин. При этом изолинии максимальных главных напряжений отчетливо выявили зоны повышенных напряжений, которые являются очагом возможных разрушений. С учетом того,  что эксплуатация оборудования происходит в условиях мало- и многоцикловой усталости, разработан алгоритм статического моделирования, который позволяет получать в каждом цикле оценку параметров, входящих в предложенные в работе уравнения. Результатом расчетов являются функции распределения ресурса и полные вероятностные диаграммы живучести. Проведение экспертизы на стадии разрушения   элементов теплоэнергетического оборудования, причины которых рассмотрены в рамках проведенного исследования, предполагает расчет разрушающих напряжений и показателей ресурса на момент возникновения аварийной ситуации.

назад

Characterisation of Microstructures, Deformation and Fatigue Damage in
Different Steels using Magnetic Barkhausen Emission Technique

The characterization of microstructures, mechanical properties, deformation, damage initiation and growth by Non-Destructive Evaluation (NDE) techniques is assuming a vital role in various industries because of the growing awareness of the benefits that can be derived by using NDE techniques for assessing the performance of various components. NDE is being widely applied  for assessment of material degradation, where investment in new plants is not cost-effective and safe operational life of existing plants need be extended. In recent years, various advanced NDE techniques have been successfully employed for characterization of defects and microstructural features such as grain size, texture, nucleation and growth of second phases, assessment of tensile, creep and fatigue properties, deformation and damage.

With the advent of fracture mechanics concepts, microstructure, defects as well as stresses must be quantitatively characterized to have reliable and fail-safe materials and components. Any alteration in the microstructure, which reduces the life or performance, should be predicted sufficiently in advance in order to ensure safe, reliable and economic operation of the components. This is possible when one realizes that the interaction of the nondestructive probing medium with the material depends on the substructural / microstructural features such as point defects, dislocations, voids, micro and macro cracks, secondary phases, texture, residual stress etc. In this paper, use of Magnetic Barkhausen Emission technique for characterization of microstructures, deformation and fatigue damage in different steels would be discussed. When a ferromagnetic material is subjected to a varying magnetic field, the magnetic flux density during magnetization varies in discrete steps as the magnetic domain walls have to overcome various types of obstacles during their movement. The discrete changes in magnetization induce electric voltage pulses in pickup coil placed near the surface of ferromagnetic materials. This noise like voltage pulses were first observed by Barkhausen in 1919 and this phenomenon is named as magnetic Barkhausen Noise (MBN) or magnetic Barkhausen emission (MBE).

Based on the two stage magnetization process modeled by the authors, the size of the grain/ lath and carbides in ferritic steels could be correlated with MBE parameters. The influence of morphology of cementite (lamellar and spheroidised) on the MBE behaviour has been understood. Various stages of tensile deformation, viz. (i) perfectly elastic, (ii) micro-plastic yielding, (iii) macroyielding, and (iv) progressive plastic deformation in ferritic steels could be identified using the MBE parameters. The hardening depth and its quality with respect to the microstructure in induction hardened specimens could also be established using the MBE technique. MBE is found to be highly sensitive in detection of stress induced martensite in stainless steels with  metastable austenite phase. Different stages of fatigue damage in 9Cr-1Mo steel, viz. (i) cyclic hardening, (ii) cyclic softening, (iii) saturation and (iv) crack initiation could be identified using the MBE parameters.

назад

Ресурсное проектирование и риск-анализ сварных конструкций потенциально опасных объектов

Решение задач прочности, ресурса и безопасности является одной из основных проблем на стадии проектирования и эксплуатации сложных технических систем и потенциально опасных объектов. Для стадии проектирования развита методология ресурсного проектирования сварных конструкций, основой которой являются функции распределения размеров технологических дефектов сварки, характеристик трещиностойкости и нагруженности. Основными направлениями такого проектирования являются: разработка детерминированных и статистических моделей долговечности; использование численных методов расчета напряженно-деформированного состояния; проведение многокритериальных расчетов прочности, надежности и живучести с использованием методов геометрического моделирования элементов сложных технических систем; применение процедур оптимизации. Статистическое моделирование кинетики развития трещин осуществляется на базе критериев механики разрушения и конечно-элементного анализа напряженно-деформированного состояния конструкций. Конечным результатом расчета являются функции надежности, полные вероятностные диаграммы живучести, вероятностные ресурсные поверхности, позволяющие во взаимосвязи рассмотреть тенденции изменения запасов прочности, значений долговечности и вероятности безотказной работы при изменении условий эксплуатации.
Для стадии эксплуатации развиты вероятностные методы оценки остаточного ресурса и риск-анализа конструкций, выполненные при проведении экспертизы технического состояния. Оценки ресурса и риска основываются на вероятностном анализе характеристик механических свойств, напряженно-деформированного состояния и дефектности конструкций. Развиваемые подходы базируются на моделях механики разрушения теории надежности механических систем, методах неразрушаемого контроля и учитывают требования нормативных документов на проектирование и безопасную эксплуатацию.
Предложенные методы апробированы на широком классе потенциально опасных объектов v сосуды давления, трубопроводные системы, элементы энергетического оборудования, конструкции мостовых кранов и карьерных экскаваторов.

назад

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ  ОПРЕДЕЛЕНИЕ   КОЭФИЦИЕНТОВ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ   МАТЕРИАЛОВ,  ПОЛУЧЕННЫХ ВЗРЫВНЫМ КОМПАКТИРОВАНИЕМ  СМЕСИ  ПОРОШКОВ   МОЛИБДЕНА И МЕДИ

В качестве обьекта исследования выбран перспективный для сильноточной электроники композиционный материал, состоящий из смеси порошков молибдена и меди в различных соотношениях (от 0 до 100%) обработанных в планетарной мельнице и скомпактированных взрывом. Взрывное компактирование смеси порошков насыпной плотности, разделенных стальными перегородками на слои по 12 мм., проводили в стальных цилиндрических ампулах с внутренним отверстием 50 мм. Заряд взрывчатого вещества располагали снаружи коаксиально ампуле. Полученные заготовки спекали в вакуумной печи при температуре 900C и из них изготавливали образцы диаметром  30 мм. и высотой 10мм. Коэфициенты теплопроводности определяли с помощью разработанного в Сибирском государственном НИИ Метрологии компараторе-измерителе теплопроводности КТ-6, основанном на сравнительном методе двухточечного зондирования  поверхности исследуемого образца. Предварительные результаты измерений показали высокую чуствительность теплопроводности образцов молибдена к небольшим добавкам меди. Так величина коэфициента теплопроводности скомпактированного взрывом образца молибдена составила 50 Вт /(мК), а оценка коэфициента теплопроводности полученного в аналогичных условиях образца молибдена с добавкой 10% меди превысила величину 200 Вт/(мК).
Обнаружено, что  теплопроводность зависит от искусственно создаваемой пористости исследуемых образцов. Это позволяет использовать компаратор КТ-6 в качестве прибора для контроля неразрушающим методом появляющихся пор и других дефектов в материалах, эксплуатируемых  в сложных промышленных условиях.
назад

Анализ трещиностойкости волокнистых композитов с металлической матрицей

Подходы механики разрушения для описания процесса разрушения металлических материалов с дефектами типа трещин достаточно хорошо разработаны и нашли применения при расчетах конструкций в различных отраслях машиностроения. Соотношения механики разрушения, основанные на существовании характеристик, определяющих сопротивление материала распространению трещины, также применяются и к композиционным материалам. Однако, существует ряд особенностей механизмов разрушения волокнистых композиционных материалов (ВКМ), которые накладывают ограничения на применения данных подходов.
ВКМ представляют собой систему, включающую в себя компоненты, существенно различающиеся по механическим характеристикам и по их предельным значениям. Это приводит к тому, что разрушение одного из компонентов может происходить при различных уровнях напряжений и деформаций. После частичного разрушения армирующих волокон в вершине дефекта происходит перераспределение напряжений - путем сдвига  по матрице на соседние волокна, возникших расслоений, локальных пластических деформаций. Что в свою очередь, приводит к локализации повреждений в относительно малом объеме материала и снижению концентрации напряжений в вершине дефекта, характерной для однородных материалов. Таким образом, в ВКМ наблюдается механизм микроструктурных деформаций и микроповреждений отличающийся от механизмов пластического деформирования у металлических сплавов.
Несмотря на указанные различия механизмов распространения трещин в ВКМ и металлах, проведенные исследования показали возможность, при определенных условиях, использовать критериальные соотношений механики разрушения при анализе трещиностойкости композитов. Сложности, связанные с оценкой характера напряженно-деформированного состояния в вершине трещины у ВКМ, возможно преодолеть с помощью интегральных подходов механики разрушения. Основная гипотеза, лежащая в основе использованного в данных исследованиях подхода, заключается в том, что разрушение композита определяется напряжением, осредненным в некоторой зоне r* вблизи вершине трещины. Размер этой зоне зависит от многих параметров, включая механические и прочностные характеристики компонентов и схему нагружения, и поэтому будет варьироваться для различных классов ВКМ.
Экспериментальная зависимость величины разрушающих напряжений от длины трещины, полученная на образцах из боралюминиевого композита с краевыми и центральными трещинами,   показывает возможность использования предлагаемого подхода для оценки трещиностойкости однонаправленных композитов с металлической матрицей.   
назад

Результаты инструментованных испытаний по определению ударной вязкости малолегированых перлитных сталей после облучения

В докладе приводятся данные о результатах испытаний на ударную вязкость сталей 15Х2НМФА, 15Х2МФА, 15Х2В2ФА применяемых или предлагаемых для строительства корпусов ядерных реакторов с водой под давлением. Исследуемые материалы облучались в исследовательском реакторе до флюенса быстрых нейтронов 6*10^19 см^-2  (Е>0,5 МэВ).
Испытания проводились на установке RKP-450 (инструментованный маятниковый копер производства фирмы "Amsler" ) которая позволяет производить запись диаграмм "нагрузка - время" и "перемещение - время" в процессе испытания. Это дает возможность получить дополнительную информацию о различных стадиях процесса разрушения
назад

Учет краевого эффекта при моделировании локализации
пластической деформации  в поликристаллах с жестким включением.

Моделирование процесса пластической деформации играет важную роль в разработках неразрушающих методов контроля, так как позволяет предсказывать области материала, где происходит локализация. Известно, что процесс пластической деформации начинается на уровне локальных зон сдвига, который не может быть охарактеризован усредненной кривой пластического течения.

В работе [1] методом элементов релаксации проведено моделирование локализации пластической деформации в поликристалле с абсолютно жестким включением. Были получены аналитические выражения для компонент тензора напряжения для случая бесконечной плоскости. Под действием внешнего приложенного напряжения в твердом теле с включением возникают неоднородные поля напряжений, которые и определяют очаги локализованной пластической деформации. В данной работе моделирование развития локализованной пластической деформации в поликристалле с включением проводится с учетом краевого эффекта. Учет влияния свободной поверхности проводили методом граничных элементов, убирая нормальные и касательные напряжения на краях плоского образца. Моделирование показало, что свободная поверхность как и включение является источником возникновения и развития мезополос локализованной деформации. Область между включением и свободной поверхностью является зоной превалирующей локализации пластической деформации и разрушения. Локализация пластической деформации при этом носила несколько иной характер. Полосы пластической деформации образуют систему пересекающихся мезополос.

Диаграммы нагружения носят падающий характер, причем учет свободного края приводит к тому, что средний уровень внешнего приложенного напряжения несколько понижается. Это свидетельствует о том, что учет свободного края вносит вклад в концентрацию напряжения внутри образца и тем самым понижает внешнее приложенное напряжение, при котором пластическое течение эстафетно передается от зерна к зерну.

назад

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ  СВАРКИ  ВЗРЫВОМ  ДЛЯ   РЕКОНСТРУКЦИИ
ФОРКАМЕРЫ  ГИПЕРЗВУКОВОЙ  ИМПУЛЬСНОЙ   ТРУБЫ  ИТ-302М

Созданная  в 1980 г. в Институте теоретической и прикладной механики гиперзвуковая импульсная труба  ИТ-302, имевшая классическую схему с постоянным  объемом  форкамеры, была существенно модернизирована в 1983 г. С этой целью форкамера  трубы была оснащена системой стабилизации параметров рабочего газа-мультипликатором   давления. Суть данной разработки заключалась в том, чтобы с помощью газа низкого давления (до 150 кг.(см() и двухступенчатого поршня поддерживать расход газа из форкамеры постоянным в течение рабочего режима трубы. В таком варианте труба надежно и безопасно проработала до 1999 г. Однако, наряду с положительными качествами, за период ее эксплуатации были выявлены и слабые стороны: повышенный уровень загрязнения потока продуктами эрозии стенок форкамеры, на которые осуществлялся переброс катодного конца электрической дуги. Это привело к ускоренному износу корпуса форкамеры, что потребовало очередной ее реконструкции. Для этого была полностью переделаны геометрические размеры форкамеры. Вся ее внутренняя поверхность, включая стенку, в которой устанавливался отбойник, была плакирована медью толщиной 3мм. способом сварки взрывом. На поверхность поршня также был нанесен слой меди толщиной 3мм.способом сварки взрывом. Работы по сварке взрывом проведены в Институте гидродинамики и уникальность их состоит не только в крупных габаритах свариваемых изделий (вес некоторых из заготовок превышал 1 т.) и их  сложной геометрии, но и в осуществлении внутреннего плакирования элемента стального ствола диаметром 220мм. медью, с соотношением длины к диаметру равным 1.   Поскольку плакируемый металл в этом случае может быть  любым, открывается перспектива защиты казенной части артиллерийских стволов от продуктов горения пороховых зарядов.

назад

Прочность межэлементных связей в неоднородных конструкциях, формообразуемых при совместно протекающей кристаллизации и пластической деформации.

При изготовлении неоднородной конструкции (НК) из различных материалов, важным условием ее работоспособности и долговечности  является прочность сцепления материала армирующего элемента (АЭ) с материалом матрицы (М) НК. Прочность сцепления зависит от большого числа факторов: агрегатного состояния материалов АЭ и М в процессе соединения, их химической активности, контактных условий, в том числе наличие и вид поверхностной обработки контактной поверхности третьим промежуточным материалом. Кроме того, необходимо учитывать возможность образования хрупких интерметаллических фаз в области контакта разных металлов. При оценке прочности межэлементных связей все факторы следует рассматривать  исходя из их значимости.
Проводились исследования прочности сцепления элементов НК формообразуемой при совместно протекающей кристаллизации и пластической деформации металлов. В качестве М применялись сплавы на основе алюминия. Материалами  АЭ могут быть любые металлы и сплавы более тугоплавкие, чем материал М. Испытания на прочность сцепления проводились следующим образом:
1) изготавливался образец НК, представляющий цилиндр из материала М с аксиально-расположенным АЭ в виде цилиндрического стержня со свободными торцами. АЭ  помещался в ручей штампа, расплав металла М заливался в штамп и кристаллизовался при одновременной пластической деформации. Управляющими параметрами являлась температура пресс-формы, усилие механического давления при кристаллизации М, величина конусности и   состояние контактной поверхности АЭ (шероховатость, покрытие).
2) производилось разрушение НК путем выпрессовки из нее АЭ. При этом регистрировалось усилие сдвига, при котором АЭ начинал премещаться относительно М.
Усилие сдвига оказывается равным силе трения на поверхности контакта элементов НК. Сила трения является результатом действия внутреннего и внешнего трения, действующих соответственно на участках, где произошло схватывание металлов элементов НК и где они просто прилегают друг к другу. Сила внутреннего трения определяется сопротивлением сдвига более пластичного металла, а это, как правило, М. Сила внешнего трения   зависит от величины нормального к поверхности трения давления. Напряжение контактного трения определяется по закону   Зибеля. Нормальное к контактной поверхности давление образуется в результате температурной усадки металла М, и оно пропорционально величине его упругой деформации (закон Гука), которой препятствует АЭ.  Совместное решение указанных уравнений с учетом геометрии АЭ позволяет оценить величину поверхности схватывания. С учетом того, что превышение прочности схватывания металлов элементов НК над прочностью материала М не имеет смысла, более удобным критерием, характеризующим прочность межэлементных связей НК является отношение напряжения, возникающего на поверхности контакта элементов конструкции, при котором происходит сдвиг АЭ относительно М (К), к сопротивлению сдвига материала матрицы (S). Отношение К/S теоретически изменяется от 0 (отсутствие какого-либо схватывания и даже непосредственного контакта) до 1 (например, при сваривании элементов НК из одного и того же сплава).
назад

Моделирование свойств металла реологическими цепями

Известные феноменологические модели, служащие для описания свойств реальных сред, могут быть представлены как цепи с погонными (распределенными) параметрами. То есть они, в этом смысле, родственны механическим цепям с сосредоточенными параметрами.
 Категориальный состав теории реологических цепей содержит линейные среды (упругую, вязкую),   нелинейные  (пластическую, хрупкую и зазор), идеально твердую среду. Введены две новые идеальные среды (разупрочненная среда с отрицательным модулем упругости и идеально инерционная среда, характеризующаяся погонной массой).
Автор разработал метод преобразования цепей в прямые и обратные структурные схемы, которые рассчитываются на ЭВМ с использованием пакета "MATLAB". Для синтеза схем используются звенья направленного действия, описывающие идеальные канонические среды.
Синтезированы модели металла различной сложности. Модели строятся из безразмерных звеньев, а размерность задаваемого напряжения снимается путем деления его на модуль упругости, а при наличии на выходе безразмерного напряжения - умножается на модуль упругости.
Модель разупрочняющейся среды, представляющая собой отрицательную упругость, в металлах описывает процессы рекристаллизации. Учет отрицательной упругости в модели металла позволяет моделировать такие процессы, как деформационное упрочнение, релаксацию, ползучесть. Введение идеально хрупкой среды позволяет моделировать хрупкое и вязкое разрушение.
Предложенная идеально инерционная среда дает возможность решать целый класс задач - виброреологических. Автору удалось описать ультразвуковую обработку металла. Для этого была разработана модель, описывающая плоское напряженно-деформированное состояние среды, которая состоит из двух сред, соединенных двумя рычагами. 
Разработана структурная модель роликовой правки проката, которая представляет собой встраивание реологической модели металла в модель управления параметрами проката в форме импульсной модели с амплитудной модуляцией.
Расчет амплитудно-частотной характеристики позволил сделать вывод о том, что невозможно выправить волны с длиной меньшей шага роликовой машины.
Результаты расчета моделей сопоставлялись с данными экспериментов, полученных либо автором, либо взятых из литературы.
назад

Влияние диффузии водорода на напряженное поле в околодефектной зоне.

Фундаментальные модели задачи диффузии водорода в окрестности поры не учитывают напряженное состояние металла, хотя во всех сложных технологических процессах поле напряжения оказывает значительное влияние на протекание процесса диффузии. В свою очередь диффундирующий водород, скапливаясь в дефектах, создает значительное внутреннее давление, которое влияет на напряженное состояние около поры. Изменение поля напряжения может привести к дальнейшему ускорению процессов диффузии. Предлагаемый алгоритм решения диффузионно-деформационных задач позволяет учитывать эти элементы.
Рассмотренные процессы моделируются следующей последовательностью задач.
Определение поля напряжения вблизи дефекта.
Решается уравнение диффузии атомарного водорода в окрестности малых включений содержащие полученное поле напряжения.
Решается задача нахождения концентрации атомарного водорода адсорбированного на поверхности  поры, включающая в себя уравнение баланса.
Рассматривается процесс рекомбинации атомарного водорода и нахождение концентрации молекулярного водорода, с учетом экзотермичности химической реакции.
Рассматривается уравнение состояния и находится давление газа в поре.
Решается краевая задача, находятся тензоры напряжения и деформации для оценки характера процессов разрушения образца.
Для решения уравнений диффузии и деформирования предлагается вариационный метод, основанный на использовании фундаментальных решений в качестве виртуальных полей.  Особенность этого метода в том, что неизвестные функции ищутся на границе области, тем самым, размерность задачи понижается. Полученные решения являются непрерывными и непрерывно дифференцируемыми функциями и удовлетворяют базисному уравнению.
назад

Диагностика медных контактных проводов сетей электрического транспорта.

Диагностика контактной сети является одним из наиболее эффективных инструментов обеспечения требуемого уровня надежности железнодорожного транспорта [1]. В современных условиях техническое обслуживание ориентируется в основном на оперативные методы диагностики состояния узлов, соединений и деталей контактной сети.

В настоящее время для контроля “геометрических” характеристик провода (прогиб, зигзаг, износ, состояние поверхности) достаточно эффективно применяются оптические методы, позволяющие оперативно и дистанционно проводить необходимые измерения [2].

Однако наряду с “геометрическими” отклонениями одной из основных причин потери контактными проводами требуемых прочностных свойств является тепловой износ (пережоги и отжиги). Причем, пережоги и отжиги одинаково часто встречаются на железных дорогах, электрифицированных как на переменном, так и на постоянном токе [3]. Так же следует отметить, что одной из возможных причин повреждения контактной сети является, по-видимому, электроэрозионное воздействие дуги или искры, возникающей во время протекания переходных процессов в местах соприкосновения проводов с токосъемником [4]. При этом кроме чисто термического воздействия в приповерхностных слоях провода резко активизируются диффузионные процессы, ведущие к образованию окислов, так же являющихся причиной дополнительного износа.

Для оперативной оценки механических свойств контактным проводом перспективно применение акустических методов [5]. Для отработки методов контроля был проведен ряд экспериментов на трех группах проводов марки МФ-100: первая группа – провод в состоянии поставки; вторая группа – провод, подвергшийся “импульсному” нагреву током силой от 240 до 420 А в течении временного интервала 10 -28 мин в условиях свободного конвективного теплообмена с окружающей средой (температура нагрева 100 -250 град. С); третья группа – провод, подвергшийся нагреву током с выдержкой в условиях свободного конвективного теплообмена (сила тока нагрева 240 - 360 А, ток выдержки 180 - 350 А, время нагрева 8 - 30 мин, время выдержки 30 мин). Первая группа использовалась в качестве контрольной. Все группы образцов подвергались механическим испытаниям (определялось усилие разрыва F_p).

В акустических экспериментах определялась амплитуда переотраженных эхо – импульсов и оценивалось изменение коэффициента затухания ультразвуковых (у.з.) колебаний нагруженных образцов относительно контрольных (D a ). Измерения проводились по раздельно - совмещенной схеме преобразователями на 5 МГц из комплекта к дефектоскопу А1212.

Основные экспериментальные результаты приведены в таблице.

Моделирование механических свойств зоны термического влияния при cварке.

Нередко возникают преждевременные отказы элементов конструкций, подвергнутых сварке при уровне эксплуатационных нагрузок намного меньше допустимых. В частности при осмотре вагон-цистерн, эксплуатировавшихся в течении 2-5 лет в составе опытного поезда "УВЗ-УрГУПС-Мониторвагонтранс" у 46,5% из них обнаружены трещины в сварных швах шкворневого узла рамы. Расчет швов на прочность по типовой методике МПС показал достаточный запас прочности. Естественно предположить, что недостаточная работоспособность узла объясняется измененными в зоне термического влияния (ЗТВ) механическими свойствами металла, и остаточными деформациями и напряжениями. Причиной возникновения данных явлений является характерный для сварки термодеформационный цикл. Поле температур и скоростей нагрева-охлаждения определяют микроструктуру, фазовый состав и как следствие различные механические свойства металла по ширине ЗТВ. Цикл изготовления опытной конструкции и ее испытании в машиностроении приводит к неразумно высоким материальным и временным издержкам. Поэтому проведение вычислительного эксперимента весьма целесообразно.
С помощью МКЭ было выполнено решение нестационарной задачи теплопроводности, моделирующей нагрев и охлаждение околошовной зоны с различными скоростями. В результате во всех точках модели получено значение характеристик: T max и dT/dt. По данным характеристикам и на основе экспериментальных диаграмм анизотермического распада аустенита (АРА) и структурных диаграмм моделировалось структурное состояние металла в каждой точке ЗТВ. По этим характеристикам определялось изменение механических свойств металла: предела текучести, временного сопротивления и др., по которым восстанавливалась диаграмма нагружения, справедливая в широком диапазоне изменения температуры и структурных параметров. Предлагаемый подход плзволил моделировать необходимое для последующего расчета напряженно-деформированного состояния распределение механических свойств металла по ширине ЗТВ.
назад

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЯЗКОУПРУГИХ
МАТЕРИАЛОВ

Механические испытания материалов всегда дополняют химические, физические, технологические и другие виды испытаний. При этом они выявляют не только параметры механической прочности, но и позволяют оценить степень химических и физических превращений, происходящих в материале в процессе его изготовления, а также в результате воздействия агрессивных сред, внешнего поля нагрузок, старения. Кроме того, механические испытания получили широкое распространение в арсенале средств для выявления физических и других фундаментальных констант.

Механические свойства вязкоупругих материалов не могут быть всесторонне описаны методами исследования и испытаний, принятыми для исследования упругих тел, так как они имеют более широкий спектр механических и физико-химических свойств. Вязкоупругие материалы требуют новых, нестандартных методов исследований их механического поведения.

В процессе переработки вязкоупругих материалов в изделия происходит их деформирование, которое часто сопровождается структурными превращениями и изменением реологических свойств. Для достижения высокого качества изделий необходимо знать конкретные количественные характеристики физико-механических свойств исходного материала при разработке технологических процессов производства. Поэтому необходимы простые и надежные методы определения текущего состояния используемого материала.

Предложены методы определения фундаментальных характеристик, а также метод сравнительного анализа физико-механических свойств вязкоупругих материалов. Последний дал возможность на уровне изобретения разработать способ определения критерия ползучести материала, основываясь на экспериментальных данных, полученных в условиях крипа.

Опыты по выявлению сравнительных характеристик материала требуют особой чистоты. Этим целям отвечает реверсивное устройство, с помощью которого можно осуществить растяжение, сжатие и кручение, кручение с растяжением или сжатием в любой последовательности в режимах статического нагружения, ползучести и релаксации без каких-либо переустановок образца и измерительной аппаратуры. При этом величина и направление усилия, приложенного к внешним траверсам реверсора от растяжной машины, остаются постоянными независимо от вида испытания. Реверсор снабжен термокриокамерой, позволяющей измерять деформации образца на мерной базе при расположении измерительной аппаратуры вне термокамеры. Сконструирован захват для испытаний тонкостенных безголовочных трубчатых образцов в условиях осевого нагружения, кручения и внутреннего давления. Путем специального проектирования устранено влияние напряжения прижатия в месте захвата образца на результаты испытаний. Упомянутое выше техническое оснащение эксперимента представляет собой испытательное оборудование нового уровня, защищенное восемью патентами на изобретения.

Таким образом, совершенствование методов испытаний и контроля качества вязкоупругого материала, направленное на повышение надежности работы испытательной аппаратуры, достижение ее большей точности, расширение функциональных возможностей, стремление упростить процесс испытаний и тем самым сделать его доступным для широкой сети заводских лабораторий, неизменно дает новую информацию, способствующую развитию новых критериев оценки физико-механического состояния вязкоупругих материалов. Следовательно, проектирование деталей из вязкоупругих материалов должно развиваться по двум направлениям: по пути совершенствования расчетов и технологических процессов, а также уточнения предельных расчетных параметров.

назад

Расчетно-экспериментальный анализ локальных полей неупругой деформации и построение одномерной стохастической модели пластичности.

Хорошо известно, что неупругое деформирование реальных материалов протекает весьма неоднородно. Поля неупругой деформации в условиях одноосного и сложного напряденного состояний имеют ярко выраженный стохастический характер с достаточно большими флуктуациями деформаций по пространственным координатам.
Очевидно, что расчеты на прочность и надежность элементов конструкции с реологическими свойствами материала должны опираться на стохастические модели.
Целью настоящей работы являлось экспериментальное исследование локальных одномерных стохастических полей неупругой деформации и процесса разрушения, а также построение соответствующей математической модели. Анализировались стохастические поля пластической деформации и деформации ползучести на примере материала АД-1 при температуре 26С. Для испытаний использовались одноосные образцы. На поверхности образцов по базе 2 мм было выполнено микрокернение. Осуществлялись следующие программы испытаний: 1) упругопластическое нагружение ступенями до накопленной деформации 12% на каждой ступени с последующей разгрузкой и замером локального поля пластической деформации по длине образца; 2) ступенчатое нагружение на ползучесть при постоянном напряжении вплоть до разрушения до значения накопленной деформации 12% на каждой ступени с последующей разгрузкой и замером поля пластической деформации по длине образца; 3) комбинированное ступенчатое нагружение с выдержками во времени, позволяющие чередовать накопление пластической деформации и деформации ползучести.
Всего было испытано 23 образца. Выполнен детальный анализ экспериментальных данных, который позволил сделать следующие выводы: 1) имеется существенный разброс локальной неупругой деформации по длине образца (5070%); 2) наблюдается достаточно высокая коррелированность распределения каждой из компонент неупругой деформации при различных возрастающих значениях макросредней деформации; 3) поля пластической деформации и деформации ползучести слабо коррелированны, что косвенно свидетельствует о различных механизмах образования пластической деформации и деформации ползучести; 4) выдвинута гипотеза о подобии полей локальной пластической деформации, полученных при различных значениях макродеформации; 5) предложена модель рапределения пластической деформации в виде суммы двух составляющих: главной части и шума.
назад

Применение обобщенных реологических моделей неупругого деформирования и разрушения элементов конструкций для решения краевых задач.

В работе развивается метод построения обобщенных моделей неупругого реологического деформирования и разрушения элементов конструкций. Сущность метода состоит в рассмотрении конструктивного элемента как некоторого объекта (единого целого), испытывающего воздействие внешних факторов ("обобщенные нагрузки"). Реакцией объекта будут деформационные характеристики ("обобщенные перемещения").Тогда для конструктивного элемента формулируются уравнения типа "обобщенная нагрузка -обобщенное перемещение" (обобщенная реологическая модель). При таком подходе сразу устанавливаются связи типа "изгибающий момент - кривизна", "крутящий момент - угол закручивани"¦, "нагрузка -перемещение характерной точки" и т.д.
В основе метода лежит известная аналогия в поведении одноосного образца при растяжении и конструктивного элемента в процессе неупругого реологического деформирования. Например, чисто формально диаграмма упругопластического деформирования одноосного образца в координатах " - " будет иметь тот же вид, что и элемент конструкции в координатах "обобщенная нагрузка - обобщенное перемещение" ("изгибающий момент - кривизна" при чистом изгибе балки, "крутящий момент - угол закручивания" для вала, "внутреннее давление - радиальное перемещение точки" для толстостенной трубы и т.д.). Аналогично кривые одноосной ползучести в координатах "деформация ползучести - время" при постоянных напряжениях будут иметь такой же вид, как  и кривые ползучести для конструктивного элемента в координатах "обобщенное перемещение - время" при постоянной внешней нагрузке.
Поэтому исследование деформирования элемента конструкций следует вести в соответствии с методологией, разработанной в случае одноосного напряженного состояния для растягиваемого стержня и в качестве основной реологической модели элемента конструкции используется одноосная модель неупругого реологического деформирования и разрушения с заменой напряжения на обобщенную нагрузку, а деформации - на обобщенное перемещение. Обобщенная реологическая модель элемента конструкции представляет компактную интегральную форму записи решения краевой задачи и является эффективным средством в прикладных задачах оценки надежности по параметрическим и катастрофическим критериям отказа. В качестве иллюстрации представлены решения краевых задач неупругого реологического деформирования и разрушения на основе обобщенных моделей для ряда конструктивных элементов (резьбовое соединение, толстостенные труба и сфера).
назад

Решение краевых задач для оценки напряженно деформированного состояния элементов конструкций с поверхностно-упрочненным слоем в условиях ползучести

Одним из способов повышения долговечности многих изделий являются различные методы упрочнения элементов конструкций поверхностным пластическим деформированием. При этом повышение сопротивления усталости обусловлено главным образом сжимающими остаточными напряжениями в поверхностном слое. Однако в процессе эксплуатации при наличии явления ползучести происходит релаксация остаточных напряжений , уменьшение сжимающих напряжений по модулю. По величине сжимающих остаточных напряжений можно судить об эффективности упрочнения деталей, работающих при повышенных температурах и, в конечном итоге, о степени исчерпания ресурса. Таким образом, стоит вопрос о методике расчета релаксации остаточных напряжений в поверхностно упрочненном слое элементов конструкций на фоне ползучести всей конструкции.

В работе разработана методика расчета релаксации остаточных напряжений, основанная на принципе склеивания решений краевых задач. Вводится гипотеза, что тонкий поверхностный слой не влияет на жесткость всей конструкции (играет роль тонкой "пленки", наклеенной на поверхность элемента конструкции) и деформируется вместе с конструкцией под действием внешних нагрузок. В силу этой гипотезы основная задача разбивается на три самостоятельные задачи: 1) восстановление начального напряженно деформированного состояния в поверхностно упрочненном слое по одной из экспериментально замеренной компоненте тензора остаточных напряжений по толщине слоя; 2) расчет напряженно деформированного состояния всей конструкции при ползучести без учета поверхностно упрочненного слоя; 3) расчет кинетики релаксации остаточных напряжений в поверхностном слое в режиме "жесткого" нагружения при заданных значениях компонент тензора деформаций, которые определяются из второй краевой задачи.

Первая задача решается на основании уравнений равновесия, совместности деформаций и гипотезы пластической несжимаемости. Так как поверхностно упрочненный слой достаточно тонкий и проникает на глубину от нескольких сотен микрон до миллиметра, то предполагается, что напряжения в этом слое на поверхности конструкции формируются также как на плоскости полупространства.

Вторая задача оценки напряженно деформируемого состояния конструкции в условиях ползучести решается классическими методами с использованием численных методов дискретизации конструкции (метод конечных элементов или метод сеток) шагами по времени, при этом поверхностный слой считается отсутствующим.

Для решения третьей задачи поверхностный слой считается  единым целым, деформирующимся в режиме "жесткого" нагружения при заданных значениях компонент тензора деформаций на поверхности элемента конструкции, вычисленных во второй задаче.

В качестве реологической модели используется энергетический вариант кинетических уравнений: полная деформация представляется в виде суммы упругой, пластической деформации и деформации ползучести. Для описания процесса разупрочнения материала введен параметр поврежденности, который пропорционален линейной комбинации работ истинных напряжений на деформации ползучести и пластичности.

Решены задачи релаксации напряжений в поверхностно упрочненном слое для растягиваемого осевой силой цилиндрического изделия, упрочненных толстостенных трубы и сферы под действием внутреннего давления, а также упрочненного концентратора в виде кругового отверстия для диска газотурбинного двигателя в реальных условиях эксплуатации.
назад

Влияние разупорядоченности структуры на эффективные физико-механические свойства матричных композитов

Pазpаботаны эффективные подходы на основе обобщенного метода самосогласования [1, 2] к осpеднению кpаевых задач динамики для pаспpостpанения гаpмонических продольных и поперечных волн в матpичных композитах со случайными стpуктуpами. Длины волн соизмеpимы с хаpактеpным масштабом неодноpодности и в связи с чем в композите возникают очень сложные динамические эффекты, так как наличие повеpхностей pаздела фаз в композите пpиводит к возникновению отpаженных и пpеломленных волн. Pассмотpены задачи дифpакции и эффект затухания гаpмонических волн в композитах, напpимеp, когда все волокна имеют одинаковые геометpическую фоpму и оpиентацию, статистический разброс pадиусов и состоят из    одноpодных фаз. Упругие свойства и плотности фаз композита различны и выполняются условия идеального контакта на межфазных повеpхностях. Задача pасчета тензоpа динамических эффективных упpугих свойств композита сведена к pасчету тензоpов концентpаций осpедненных комплексных амплитуд дефоpмаций для всех фаз волокон, котоpые могут быть опpеделены из pешения соответствующей осpедненной кpаевой задачи обобщенного метода самосогласования,поле упpугих свойств котоpой учитывает ближний поpядок взаимного pасположения включений. Пpедставлены pезультаты численных pасчетов компонент и тензоpа динамических эффективных упpугих свойств   и сечений pассеяния для однонапpавленного волокнистого композита с полыми волокнами в плоскости изотpопии   пpи pазличных значениях кpуговой частоты  ; выявлен немонотонный хаpактеp изменения сечений pассеяния композита от величины отношения внутpеннего и наpужного pадиусов волокна.

Библиогpафический список

1. Паньков А.А. Анализ эффективных упpугих свойств композитов со случайными стpуктуpами обобщенным методом самосогласования // Изв. PАН. МТТ. - 1997, ¦3. - C. 68-76
2. Pan-kov A.A. A self-consistent statistical mechanics approach for determining effective elastic properties of composites // Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 31, 1999. - P. 157-161.

назад

Метод акустической эмиссии в материаловедении: проблемы и перспективы

Один из методов неразрушающего контроля материалов – метод акустической эмиссии (метод АЭ). Метод АЭ рассматривается как “пассивный метод” контроля и анализируются его основные потенциальные возможности в материаловедении. Обращается внимание на его уникальные возможности для обеспечения мониторинга прочностных характеристик работающих конструкций и обеспечения их безаварийной эксплуатации, что важно в условиях возрастающей угрозы техногенных катастроф. Приводится сравнительный анализ основных особенностей метода позволяющий правильно выбрать области наиболее эффективного его использования.

Отмечается обязательность использования метода АЭ для решения задач прогнозирования работоспособности ответственных конструкций и сооружений. Рассматриваются принципиальные проблемы метода и предлагаются некоторые пути их решения.

Анализируются традиционные пути разработки и создания акустико-эмиссионной аппаратуры. Показана невозможность обеспечения необходимого динамического диапазона измерений при использовании традиционного принципа построения приемных каналов аппаратуры.

Предлагаются новые пути решения проблем помехозащищенности и селекции импульсных сигналов акустической эмиссии. В последних модификациях аппаратуры серии “АМУР” реализована полная помехозащищенность от электромагнитных помех и расширен динамический диапазон измерения амплитуд и энергии импульсных сигналов акустической эмиссии до 120 дБ.

назад

Структурная модель неупругого реологического деформирования и разрушения материалов.

Работа посвящена моделированию неупругого   реологического деформирования и разрушения материалов на основании структурной модели. Поликристаллический материал моделируется системой хаотически ориентированных однородных стержней (локальных элементов) одинаковой длины, работающих на растяжение-сжатие. Каждый локальный элемент этой системы наделен простейшими деформационными свойствами: линейной упругостью, идеальной пластичностью и нелинейной вязкостью. Введен критерий разрушения локального элемента энергетического типа, связанный с работой микронапряжений на деформациях пластичности и ползучести.
Получена замкнутая система уравнений на микроуровне, позволяющая рассчитывать макродеформации.
К основным описанным моделью результатам относяться:
1) описание полной диаграммы упругопластического деформирования , включая участок закритического деформирования, в режиме "жесткого" нагружения;
2) показано, что часть работы (до 9%) при упругопластическом деформировании макроскопически однородного материала тратится на образование микронапряжений и соответствующим им микродеформаций;
3) на уровне механики микронеоднородных сред описаны все три стадии ползучести и выделена четвертая "лавинная" стадия; дана интерпритаци физического состояния материала на четвертой стадии ползучести;
4) решена задача о взаимном влиянии деформаций пластичности и ползучести; показан наследственный характер влияния предварительной пластической деформации на последующую ползучесть;
5) описаны процессы циклического упругопластического деформирования (включая эффект Баушингера); установлены причины, приводящие к симметричным и несимметричным циклам диаграмм "напряжение-деформация".
Выполнена обстоятельная экспериментальная проверка разработанной структурной модели. Наблюдается соответствие расчетных и экспериментальных данных. Приводится обширный иллюстрированный материал.
Выполненные на микроуровне исследования на основании структурной модели позволяют, с одной стороны, качественно и количественно понять причины процесса разрушения материала на микроуровне в условиях закритического деформирования, а с другой стороны, позволяют более обоснованно строить феноменологические теории неупругого реологического деформирования и разрушения и оптимально планировать определяющий эксперимент на макроуровне.
назад

Модель неупругого реологического деформирования и разрушения материалов в условиях виброползучести .

Энергетический и примыкающий к нему термодинамический подходы для описания неупругого реологического деформирования и разрушения металлов в условиях нестационарного нагружения дают хорошие результаты и целесообразность их применения в расчетной практике не вызывает сомнений. В настоящей работе предпринята попытка обобщения термодинамического подхода для описания класса явлений, происходящих в материале при совместном действии статических и динамических нагрузок в условиях ползучести. Рассматривается так называемое многоцикловое нагружение при частоте нагружения не менее десяти герц и коэффициенте амплитуд(отношение амплитудного значения циклической нагрузки к статической) порядка 0,1. Этот процесс носит название виброползучести и приводит к двум основным эффектам: 1) ускорению (или даже инициированию) процесса ползучести при заданном статическом напряжении; 2) уменьшение накопленной неупругой деформации в момент разрушения по сравнению с аналогичной величиной при чисто статическом нагружении.
Предложена соответствующая реологическая модель, базирующаяся на методе разделения деформаций упругости, пластичности и ползучести. В свою очередь деформация ползучести представлена аддитивной составляющей вязкоупругой, вязкопластической и вязкой компонент. Введен параметр поврежденности, который полагается пропорциональным линейной комбинации работ истинного напряжения на деформации ползучести, пластичности и упругой работе истинного амплитудного напряжения за цикл нагружения. Введен термодинамический критерий разрушения, согласно которому разрушение материала происходит при достижении плотностью внутренней энергии критической величины.
Разработана методика идентификации параметров модели на основании экспериментальной информации.
Выполнена тщательная экспериментальная проверка предложенной модели для сплава ЭП742 при Т = 6500; 7500С. Наблюдается хорошее соответствие расчетных и опытных данных.
назад

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИИ ДИСЛОКАЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ И РЕЛАКСАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ В СИСТЕМЕ Pd-H

Известно, что насыщение гидридообразующих материалов водородом при одновременном нагружении их, приводит к многократному ( на несколько порядков) ускорению эффектов ползучести, релаксации напряжений и обратного механического последействия [1]. Методами машинного моделирования в рамках теории континуального распределения дислокаций с циклическими граничными условиями исследуется процесс роста зародышей (-фазы в системе Pd-H. В процессе расчетов учитываются дальнодействующие упругие напряжения, создаваемые ансамблем дислокаций. При моделировании выбран мезоскопический уровень структуры с характерным размером ее периода порядка 10-4 см. Для расчета напряжений, создаваемых включениями (-фазы, используется модель псевдодислокаций предложенная А.Б. Волынцевым в [2]. В ходе релаксации напряжений, наблюдаемой при непрервной закачке водорода, моделируется режим испытаний (=const.
Для решения поставленной задачи было проведено большое количество численных экспериментов с различным эксцентриситетом эллипсоидальных зародышей (-фазы и различной их ориентацией относительно направления приложенной внешней нагрузки. Как частный случай рассматривается круглый зародыш, в процессе роста которого практически полностью исключается механизм ориентированного фазового певращения. Таким образом, в работе учитывается как фактор ориентированности растущего зародыша относительно направления приложенной нагрузки, так и фазовый наклеп, обусловленный внутренними микронапряжениями, порожденными размерным и структурным несоответствием гидридных включений и матрицы [1,2].
Показано, что в ходе роста зародышей возникают мощные внутренние микронапряжения, которые в сочетании с внешним напряжением приводят к интенсивной подвижке дислокаций. В результате компьютерного эксперимента продемонстрировано, что даже при отсутствии преимущественной ориентации фазового превращения и каких-либо механизмов пластичности превращения в области межфазной границы одного лишь фазового наклепа достаточно для того, чтобы произошла практически полная релаксация внешних макронапряжений даже до завершения фазового перехода. Тем неменее, как показали численные экперименты, ориентационный фактор существенно влияет как на величину так и на кинетику процесса релаксации напряжений.

Библиографический список.
1.  Спивак Л.В., Скрябина Н.Е., Кац М.Я. Водород и механическое последействие в металлах и сплавах. Пермь, 1993. 343 с.
2.  Волынцев А.Б. Наследственная механика дислокационных ансамблей. Компьютерные модели и эксперимент. Иркутск, 1990. 288 с.

назад

Фрактальный анализ металлических сплавов.

В работе сделана попытка разработки метода оценки фрактальной размерности Df дефектной структуры (ДС) по плотности и удельному электросопротивлению, проведен фрактальный анализ на железоуглеродистом и титановом сплавах с целью выявления пороговых значений структурного параметра сплавов, контролирующих структурные переходы и изменения физико-механических свойств.

назад

Вязко-упругое поведение сетки стохастически распределенных узлов.

Создана компьютерная модель, качественно описывающая поведение некоторых слабо связанных систем, например, заполненных полимеров или порошковых материалов на ранних стадиях спекания.
В основе построенной модели лежат следующие допущения: 1. На 3-х мерную моделируемую область случайным образом (стохастически) помещаются n частиц (в дальнейшем будем называть их узлами). 2. Каждый из узлов соединяется с m ближайших соседей связями, которые представляют собой "тела" Максвелла. 3. Вся система считается
погруженной в вязкую среду. 4. Используются циклические граничные условия. Система подвергается циклической сдвиговой деформации и рассчитываются потери упругой энергии.
В процессе деформации в системе могут происходить процессы как разрушения (исчезновение) структурных составляющих (узлов и связей), так их образования.
Из полученных результатов можно сделать следующие заключения:
Стохастика может стать причиной дополнительных потерь энергии; В результате деформации системы, с возможностью ее эволюции, происходит сегрегация узлов, что согласуется с экспериментальными данными.
назад

НЕРАЗРУШАЮЩИЙ СПОСОБ ИЗУЧЕНИЯ  ПРОЦЕССОВ ТРЕЩИНООБРАЗОВАНИЯ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОДНОВОЛОКОННЫХ МНОГОМОДОВЫХ ИНТЕРФЕРОМЕТРОВ

Исследование процессов трещинообразования в технических объектах в процессе их эксплуатации является актуальной задачей современной науки и техники. Важно знать не только распределение механических напряжений внутри объекта на тот или иной момент времени, но и иметь возможность постоянно контролировать динамику возникновения и развития трещин. Применяемые на практике в настоящее время оптические интерференционные методы при своей высокой чувствительности к малым изменениям геометрических параметров исследуемых физических объектов позволяют осуществлять контроль лишь за поверхностью и приповерхностной областью образцов, т.к. большинство из них непрозрачны. Гибкость волоконно-оптических интерферометров позволяет встраивать их в исследуемый объект, что дает возможность применить оптические интерферометрические методы для контроля внутреннего состояния деформируемого твердого тела.
В работе предложен неразрушающий способ регистрации процессов трещинообразования в твердых телах с использованием одноволоконных многомодовых интерферометров (ОМИ). Для обработки спекловой картины поля излучения ОМИ, образующейся в результате межмодовой интерференции, используется динамический корреляционный фильтр, сформированный в фоторефрактивном кристалле, что позволяет решить проблему борьбы с низкочастотными шумами, вызванными неконтролируемыми изменениями внешних условий.
В деформируемом объекте процесс трещинообразования сопровождается сбросом механических напряжений, что приводит к возникновению звуковых импульсов. Воздействие звуковых импульсов на внедренный в объект одноволоконный многомодовый интерферометр приводит к модуляции фазы оптического излучения, распространяющегося в нем. Это приводит к изменениям картины межмодовой интерференции на выходе из ОМИ, которые несут ин-формацию о динамике развития деформированного состояния исследуемого физического объекта. Использование ФРК на стадии обработки оптического поля позволяет разделить медленные процессы накопления механических напряжений и быстрые процессы образования трещин.
Полученные результаты позволяют регистрировать в реальном масштабе времени процессы трещинообразования в деформируемом твердом теле, а предложенный метод может быть успешно применен для длительного контроля за состоянием физических объектов и конструкций, подверженных механическим нагрузкам.
назад

К вопросу об определении остаточного ресурса реакционных труб нефтехимической аппаратуры

Длительное разрушение металлов и сплавов при высоких температурах служило предметом многочисленных исследований, в этой области накоплен большой опытный материал, однако вопрос об экстраполяции данных по длительной прочности не может считаться решенным. Также существенную роль играют условия эксплуатации. Расчет по средним значениям напряжений приводит к неверным выводам. Существенную роль в распределении напряжений играет температурное поле. Наблюдаемые в условиях реальной эксплуатации реакционных труб трещины, направленные по образующей на внутренней поверхности труб, соответствуют распределению напряжений по радиусу трубы. Исследования микроструктуры металла в бездефектной зоне  и дефектной зоне  говорят о том, что внешняя поверхность трубы подвергалась перегреву до 1100 ^оС. Видно, что карбиды располагавшиеся по границам зерен в бездефектной зоне, при перегреве располагаются хаотически в самом зерне. При этом происходит изменение физико-механических и теплофизических свойств металла трубы. Согласно регламенту эксплуатации температура металла на внешней поверхности не должна превышать 935 ^оС, а на внутренней поверхности труб температура должна определяться с учетом того, что природный газ входит в трубу с температурой 450 ^оС и течет по зернистому слою (катализатору). Требуется определить распределение температур в стенке трубы и ресурс работы неперегревавшихся и перегревавшихся труб.
Теплообмен в катализаторе внутри трубы происходит следующим образом. Тепловой поток от стенки трубы распределяется на тепловой поток через контактные поверхности стенки трубы и катализатора, лучистый тепловой поток от стенки трубы к катализатору, конвективный тепловой поток от стенки трубы к газовому потоку, лучистый тепловой поток от стенки трубы к газовому потоку. Тепловой поток от катализатора к газовому потоку также имеет две составляющие: конвективную и лучистую.
Предлагается следующий порядок расчета ресурса работы реакционных труб. Определяются напряжения на внутренней поверхности трубы при установившемся режиме эксплуатации. Находится время до разрушения ( появления трещин на внутренней поверхности). Так как температура по радиусу трубы изменяется , то определяется время до разрушения элементов трубы по радиусу. Аналогично может быть определен ресурс при заданном перегреве внешней поверхности трубы. При определении напряжений от перепада давлений здесь учитывается граница распространения трещин, что позволяет точнее определять напряжения при перегреве металла.
Анализ результатов замера диаметров труб печи установки УПВ 20 позволяет сделать вывод о том, что с течением времени происходит увеличение диаметра реакционных труб.
При перегреве металла ресурс реакционных труб уменьшается. Проведение экспериментов по определению длительной прочности эксплуатировавшихся реакционных труб позволяет с помощью расчетов прогнозировать остаточный ресурс. При этом необходимо достаточно точно определять распределение температуры по стенке трубы.

назад

Модель упрочняющегося упругопластического тела

Рассматриваются основные направления исследований, связанные с построением уравнений упругопластичности основанные на предложенном ранее Шитиковым А.В. вариационном принципе максимума диссипации механической энергии. Рассматриваются ограничения на модель среды, вытекающие из второго начала термодинамики.
назад

СВЯЗЬ НАКОПЛЕННОЙ ПОВРЕЖДЕННОСТИ В КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЯХ
С АКУСТИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ СИГНАЛОВ

Одной из главных задач на транспорте, является обеспечение безопасной эксплуатации деталей и узлов подвижного состава и конструкций пути. Тяжелые условия работы: большие ударные нагрузки, вибрация, высокие скорости, воздействие различных коррозионных сред приводят к увеличению вероятности возникновения дефектов в материале деталей усталост-ного, коррозионно-усталостного и эксплуатационного характера. В общем случае прочность элементов конструкций и их ресурс задается на стадии разработки, однако наличие в мате-риале детали микродефектов заводского происхождения приводит к существенному сниже-нию прочности и уменьшению срока службы объекта. Поэтому необходимо производить контроль качества ответственных деталей и узлов в процессе эксплуатации изделия.
Для решения задачи диагностирования, необходимо, применять различные подходы оценки состояния металла - локальный, интегральный и расчетный. К локальным методам относятся визуальный, ультразвуковой, магнитный и вихретоковый контроль - в настоящее время они являются штатными при выявлении степени дефектности деталей и узлов. К сожалению, информация, полученная этими методами, не содержит сведений о динамических характеристиках выявляемых дефектов и о поведении объекта в процессе нагружения, что является необходимым для прогнозирования остаточного ресурса.
В данной работе исследовалась возможность определения остаточного ресурса метода-ми АЭ. Для изучения связи параметров сигналов АЭ с характеристиками материала исследуемого образца проводился многофакторный анализ состояния материала. В экспериментах применялись: измерение скорости объемных и поверхностных ультразвуковых волн, тензометрия и тепловой контроль зоны нагружения.
Образцы из углеродистых и легированных сталей (Ст.3, 45, Ос.В, 30ХГСА) с различной формой, числом и расположением концентраторов нагружались методом одноосного растяжения-сжатия на установке "ГРМ-1". Данная испытательная машина позволила исследовать образцы в статическом и циклическом режимах двумя сериями экспериментов. В первой серии образцы нагружались статически до полного разрыва, при этом изучались сигналы АЭ, возникающие при пластической деформации, при образовании, росте трещин и разрушении материала. Регистрация сигналов АЭ велась установкой СЦАД-16.02 [1]. Во второй серии проводились усталостные испытания. Образцы подвергались циклическому нагружению, через определенное число циклов образцы нагружались статически до величины нагрузки большей, чем при циклическом нагружении, при этом регистрировались сигналы АЭ. Затем все повторялось до разрушения образца. Таким образом, велся мониторинг изменения параметров сигналов АЭ, тепловой и акустический контроль, распределение напряжений по поверхности. 

В проведенных экспериментах была исследована связь параметров сигналов АЭ, следующих из зоны нагружения образца с величиной пластических деформаций материала. Во всех случаях, зная место разрушения образца, сравнивались параметры сигналов АЭ приходящие из будущей зоны разрушения с параметрами сигналов излучаемых из других мест области исследования. Таким образом, была проведена корреляция между формой сигналов АЭ и вероятностью разрушения материала образца в данном месте в течении определенного времени.

Литература
1. А.Н. Серьезнов, В.В. Муравьев, Л.Н. Степанова и др. Быстродействующая диагностическая акустико-эмиссионная система.  Дефектоскопия, 1998. С. 9-14.
назад

Сварка взрывом в неустановившихся  условиях процесса

Конструкционная сварка металлов взрывом используется для производства многослойных металлоизделий, которые применяют в различных отраслях машиностроения. Ограниченность размеров свариваемых деталей вынуждает проводить процесс сварки в неустановившихся условиях метания и соударения слоев. Отсутствие общих рекомендаций по выбору технологических параметров сварки взрывом в таких условиях сдерживает внедрение этого способа в производство.
На основании проведенных автором теоретических и экспериментальных исследований установлена взаимосвязь технологических и кинематических параметров процесса в установившихся и не установившихся условиях сварки взрывом. Исследованием влияния кинематических параметров на прочность сцепления и электрические свойства биметаллических изделий с различным сочетанием металлов установлены верхняя и нижняя границы области равнопрочности.
Полученные зависимости послужили основой разработки программы расчета на языке Delphi 5.0 оптимальных технологических параметров сварки взрывом в неустановившихся условиях процесса. В качестве входных используются физико-механические свойства свариваемых металлов, параметров взрывчатого вещества, и указанные выше зависимости.

назад

Моделирование кинетики усталостных трещин

Моделирование кинетики усталостных трещин является одной из ключевых проблем конструкционной прочности, значение которой возрастает с увеличением напряженности современных конструкций и переходом к эксплуатации по допустимым повреждениям. Основой такого подхода является надежное прогнозирование роста усталостных трещин. Для этого необходимо понять природу процессов, происходящих на фронте распространяющейся трещины, и установить их связь с приложенной нагрузкой. Для решения первой задачи требуется использование представлений физики деформации и разрушения, а для решения второй -применение механических моделей, на основании которых можно описать передачу приложенной нагрузки через сплошную среду к вершине трещины. В настоящей работе такая комплексная физико-механическая проблема решается применительно к механизму устойчивого роста усталостных трещин, который действует на II участке кинетической диаграммы усталостного разрушения и приводит к образованию бороздок на поверхности излома.

Анализ связи между микроструктурой различных металлических поликристаллических материалов и структурой поверхности разрушения до и после начала действия исследуемого механизма разрушения позволяет предположить, что последний обусловлен универсальной высокоупорядоченной деформационной структурой, которую приобретает материал перед фронтом трещины в условиях интенсивной пластической деформации. С учетом этого универсального структурного состояния разработана математическая модель механизма разрушения, позволившая связать приращение длины трещины в цикле нагружения с предельной (теоретической) прочностью материала на отрыв и с коэффициентом интенсивности напряжений. Определяющую роль в механизме разрушения играют большеугловые границы деформационного происхождения, расположенные перед фронтом трещины вдоль оси максимальной главной деформации и являющиеся внутренними концентраторами напряжений. Продвижение трещины в каждом цикле происходит в результате расслоения материала вдоль указанных границ и последующего разрыва перемычки между расслоением и фронтом трещины. Остатками этих разорванных перемычек и являются усталостные бороздки, ширина (шаг) которых равен приращению длины трещины в цикле разрушения.

Приведены результаты верификации модели для различных конструкционных материалов. Проанализированы причины морфологического разнообразия усталостных бороздок. Исследованы особенности действия механизма устойчивого роста усталостных трещин в жаропрочных титановых и никелевых сплавах и его связь с другими механизмами распространения усталостных трещин.

назад

Техническое диагностирование осей и валов при продлении срока службы

Методология определения остаточного ресурса разрабатывалась на основе уже имеющейся нормативно-технической документации по неразрушающему контролю (НК) деталей вагонов и локомотивов и результатах внедрения современных, высокоскоростных (при обработке данных), высокочувствительных диагностических систем, к которым относят системы, основанные на методе акустической эмиссии (АЭ). Применение таких систем в совокупности со штатными методами, позволяет повысить не только качество НК, но дает возможность определять остаточный ресурс контролируемого объекта. Разработанные методы и средства совместно с имеющимися штатными приборами дефектоскопии позволяют осуществить принципиально новый подход в диагностике и оценке ресурса, поскольку в основе метода лежит механическая нагрузка и отклик на нее испытуемого объекта.
Для отработки методики определения остаточного ресурса были проведены серии испытаний деталей вагонного и локомотивного хозяйства. Промышленные испытания проводили с использованием акустико-эмиссионной диагностической системы СЦАД-16.02. Данная система предназначена для диагностики в реальном масштабе времени технического состояния машиностроительных конструкций, сосудов давлении, режущего инструмента и т. д. при статическом и динамическом нагружении. Она позволяет производить регистрацию координат развивающихся дефектов типа усталостной трещины, коррозионного поражения, раковин. Проведены статические испытания осей колесных пар вагонов и карданных валов тяговых электродвигателей ЧС-2.
В ходе АЭ контроля осей колесных пар вагонов обнаружены источники активного излучения волн АЭ большой амплитуды, что дало основание предположить о наличии дефектов микроструктуры материала. Результаты АЭ испытаний были подтверждены штатным (ультразвуковым) методом НК. Показана возможность обнаружения микродефектов на ранней стадии их развития.
Предложена методология ресурсных испытаний с возможностью слежения развития микротрещин в процессе нагружения и оценке параметров сигналов АЭ (активности, амплитуды и т. д.) для сравнения их с предыдущим состоянием (диагностическим портретом ОК).
СЦАД-16.02 установлена в опытно-промышленной эксплуатации в ТЧ-3 (г. Барабинск) по контролю карданных валов тяговых электродвигателей ЧС-2. В настоящее время происходит создание банка данных диагностических портретов деталей. К настоящему моменту контролировано более 150 валов и забраковано АЭ методом примерно 10%, с подтверждением штатными методами НК (магнитно-порошковый, ультразвуковой).
Предложена структурная схема технологического процесса НК продления срока службы объектов контроля (ОК). В схему технологического процесса по проведению НК добавляется операция, по диагностике ОК дополнительными методами НК (АЭ, оптический). Определения остаточного ресурса сводится к тому, что при проведении НК дополнительными методами информация о структурных изменениях металла или наличия дефектов (поры, усталостные трещины) записываются на жесткий диск компьютера в виде основных параметров характеризующих метод. При последующем контроле результаты диагностики сравниваются с записанными ранее, если показания изменились, делают вывод о наличии нового дефекта или его приросте, если новый дефект не подтвержден или показания его прироста допустимы, принимается решения о продлении срока службы ОК, в противном случае принимается решение о восстановлении или замене ОК. Таким образом, внедрение новых высокочувствительных диагностических систем, с возможностью сравнения ранее записанных и текущих результатов контроля, позволяет организовать технологию НК по продлению срока службы ОК.
назад

Спектрально-амплитудные характеристики эффекта Баркгаузена в аморфных металлических сплавах на основе железа и кобальта

Были исследованы спектрально-амплитудные характеристики "шума" Баркгаузена, то есть беспорядочный электрический сигнал (ЭДС) от случайных скачков доменных границ, отличающийся сложностью временной, амплитудной и спектральной структур.
Анализ внешнего вида спектров показывает, что основный пик ЭДС Баркгаузена в аморфных сплавах на основе железа и кобальта находится приблизительно в центре кривой намагничивания, что соответствует классическим представлениям.
Введение водорода (дейтерия) приводит к увеличению амплитуды и к уширению спектрального диапазона наблюдаемых скачков Баркгаузена. По мере выхода водорода (дейтерия) из АМС спектральные и амплитудные характеристики "шума" стремятся к виду, характерному для исходного состояния.
По частотным зависимостям спектров эффекта Баркгаузена было определено характерное время движения междоменных границ (время скачков), которое  не превышает 10-100 мкс.
Интересно, что аналогичные эксперименты, проведенные на кристаллическом железе и никеле после их насыщения водородом, не выявили заметного изменения амплитуды ЭДС, что, на наш взгляд, обусловлено различиями в формировании ферромагнитного состояния в кристаллических и аморфных металлах и сплавах.
Кроме того, в кристаллических ферромагнитных материалах (Fe, Ni, Co, сплав Fe-3,5%Si) наблюдается существенно меньшая амплитуда ЭДС Баркгаузена, а спектральный диапазон скачков Баркгаузена захватывает практически весь интервал значений намагничивающего поля. Это означает, что перемещение доменных границ под воздействием внешнего магнитного поля происходит практически на всех участках кривой намагничивания, а не только на восходящей ее части. Это обусловлено различием доменных структур в ферромагнитных материалах.
В аморфном сплаве на основе кобальта 82К3ХСР обнаружена анизотропия эффекта Баркгаузена в плоскости ленты. Угловая диаграмма в данном случае имеет характерную четырехлепестковую форму, причем максимальные значения ЭДС Баркгаузена наблюдаются при наложении внешнего магнитного поля под углом в 45 градусов к оси прокатки ленты.
Работа поддержана грантом Министерствам образования.
назад

Механика разрушения и критерии повреждаемости при циклическом кручении

В большинстве  работ, посвященных исследованию циклической долговечности при кручении, полагают, что возникающее напряженное состояние эквивалентно чистому сдвигу. В действительности, при напряжениях выше предела выносливости происходит значительный разогрев образца (до 600-7000С) за счет сил внутреннего трения (испытания образцов из стали 45 диаметром 16 мм).    За счет неравномерности распределения внутренних источников тепла по сечению в образце возникает градиент температур и, как следствие, объемное напряженное состояние. При циклическом кручении на объемное напряженное состояние, возникающее под действием температурных окружных, осевых и радиальных напряжений, накладываются знакопеременные касательные напряжения. Окружные напряжения могут быть столь велики, что разрушение происходит с образованием продольных трещин параллельных оси образца. В зависимости от амплитуды циклического деформирования в образце возникают различные температуры, приводящие к изменению модулей упругости и к различным видам разрушения. 
Чтобы исключить влияние нагрева  при циклическом деформировании производилось охлаждение образцов нейтральной жидкостью (керосином). Предел усталости при этом не изменяется, но изменяется характер кривой усталости. Ограниченная выносливость охлаждаемых образцов уменьшается, резко возрастают гистерезисные потери, разрушение происходит четко под углом 650 к оси образца, независимо от величины действующих циклических напряжений. Обращает на себя внимание S-образный характер кривой усталости  образцов испытанных в керосине. Именно такой характер кривой предсказывается как дислокационной, так и статистической теорией усталостной прочности.

С увеличением амплитуды угла закручивания петля упруго гистерезиса расширяется с образованием неустойчивой остаточной деформации (половина ширины петли гистерезиса), отличной по своей природе от устойчивой  остаточной деформации, получаемой за пределом текучести. После возбуждения колебаний с амплитудой, соответствующей неустойчивой остаточной деформации, и их затухания, остаточная деформация исчезает. Подобные опыты с амплитудой, равной устойчивой остаточной деформации, не приводят к ее исчезновению.            
Металлографический анализ показывает, что неустойчивым остаточным деформациям соответствуют полосы сдвига в пределах одного зерна, а устойчивым остаточным деформациям -   переход полос сдвига в соседние зерна. 
В качестве критерия повреждаемости принимается неустойчивая остаточная деформация.  Предел выносливости определяется из условия равенства устойчивой  и неустойчивой остаточных деформаций.

назад

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА СТРУКТУРУ, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАРТЕНСИТНОСТАРЕЮЩИХ СТАЛЕЙ

Проведено исследование взаимосвязи пластических и проч-ностных характеристик с изменением структурного и фазового состояния для условий нагрева и изотермических выдержек после высокотемпературного нагрева (подстуживания) при деформации мартенситностареющих сталей  (ММС) на примере стали 03Х11Н10М2Т.
 Обнаружено аномальное увеличение пластичности исследуемой стали при температурах испытания, близких к температурам начала фазовых  превращений и температурам протекания рекристаллизационных процессов.
Полученные результаты свидетельствуют, что обнаруженные особенности фазо и структуроообразования в процессе деформации в исследованном температурном интервале для условий нагрева и подстуживания в значительной степени определяют пластические свойства, сопротивление деформированию и прочностные характеристики  МСС.
Температурные зависимости пластичности  и сопротивления деформированию можно использовать в практике термомеханической обработки сталей данного класса. Они позволяют выбрать температурные интервалы повышенной пластичности стали и оценить возможность проведения предлагаемой обработки на имеющемся оборудовании.
Для исследованной МСС 03Х11Н10М2Т характерно явление "теплового охрупчивания", связанное с выделением по границам аустенитных зерен при медленном охлаждении от высоких температур пленок карбонитрида титана. Уменьшить эффект "теплового охрупчивания" можно, понизив  температуру конца горячей деформации до температур 900-800С. Полученные данные пластометрических испытаний позволяют оценить напряжения деформирования при этих температурах и определить возможность проведения такой обработки.

назад

Прогнозирование процессов затвердевания фланцев из легированных сталей с помощью программы ANSYS

Особенностями электрошлакового литья являются высокие температуры шлака и металла в зоне их контакта, развитая поверхность контакта металла и шлака и др. Затвердевание и кристаллизация отливки в форме являются одними из основных стадий для получения качественного металла. В литейную форму разливается металл, прошедший электрошлаковое рафинирование в процессе расплавления, чистый от ряда вредных примесей и неметаллических включений.
Процессы тепломассопереноса в кристаллизующемся металле зависят от термодина-мических условий, создаваемых в отливке внешним и внутренним теплоотводом. Скорость теплоотвода определяется величиной теплового сопротивления зоны контакта отливки со шлаковым гарнисажем и с поверхностью формы.

Теплофизические процессы в зоне контакта отливки и формы зависят от рельефа контактирующих поверхностей, структуры, состава и теплофизических свойств поверхностных слоев и покрытий, электронного строения контактирующей пары и молекулярно-кинетического строения межконтактной прослойки.
Метод конечных элементов лежит в основе программы ANSYS,  реализующей расчетные средства для трех видов теплообмена: кондуктивного, конвективного (свободного и вы-нужденного) и радиационного. Эти средства используются при проведении стационарного, нестационарного, линейного или нелинейного теплового анализа. Универсальность этой программы позволила использовать ее при моделировании процессов кристаллизации отливки при ЦЭШЛ.
Анализ деформаций отливки и формы проводился с использованием этого программного продукта для легированных сталей (12Х18Н10Т, 09Г2С, 20, 15Х5М). Масса электрода составляла от 10 до 20 кг, шлака - от 6 до 12 кг соответственно. Исходными данными для расчета служили свойства материала: коэффициент теплопроводности - 50 Вт/(м.К), коэффициент линейного расширения - 0.00001332 град, теплоемкость 898 Дж/(м.К), плотность материала - 7350 кг/м. Задавались граничные условия для модели: начальная температура, температура окружающей среды и коэффициент теплоотдачи с поверхности. Проводился неста-ционарный тепловой анализ.
Расчеты напряженно-деформированного состояния отливки в форме позволили определить величину деформаций при остывании и кристаллизации металла и шлака.

назад

Компьютерный анализ термических напряжений
в соединении с натягом

Принципиально новые возможности открывают стремительно  развивающиеся САЕ-системы для расчета напряжений и температурных полей в конструкционных узлах. Компьютерное моделирование позволяет на этапе проектирования проанализировать поведение материалов, изменить конструкцию, оптимизируя эксплуатационные характеристики, и выбрать в итоге вариант, отвечающий всем технологическим требованиям. В данной работе с использованием программы ANSYS проведен компьютерный анализ соединения с натягом; контрольный расчет проведен по методике Ламе.
Проектируемый узел представляет собой зажимную систему, использующую разницу в коэффициентах теплового расширения между конической втулкой и зажимаемым режущим инструментом. Причем зажимной патрон должен иметь высокую степень точности температурного расширения-сжатия. При сборке сначала нагревается конец втулки, что вызывает его расширение. Затем вставляется хвостовик режущего инструмента, после чего втулка охлаждается до комнатной температуры. Таким образом обеспечивается надежный зажим инструмента. Охватывающая поверхность оправки должна выдержать несколько циклов тепловой посадки инструмента, накапливая в каждом цикле незначительную остаточную деформацию.
Анализу была подвергнута тепловая сборка, призванная облегчить запрессовку инструмента в зажимной патрон, а также увеличить коэффициент трения и прочность сцепления. Инструмент предполагается изготовить из твердого сплава на основе карбидов, а для охватывающей детали авторами был разработан новый железоникелевый сплав с высоким температурным коэффициентом линейного расширения  . Предлагаемый сплав содержит 0,2-0,3 % C и легирован марганцем 3,2-3,6 %, хромом 2,8-3,6 % и никелем 20-22 %. Оправку следует за короткое время разогреть до температуры 300 ОC, обеспечив зазор не менее 8 мкм при сборке соединения.
Были поставлены следующие задачи:
1) определить время, которое будет потрачено на прогрев оправки; 2) убедиться, что после нагрева оправки будет обеспечен необходимый зазор между инструментом и охватывающей поверхностью; 3) показать, что при охлаждении собранного узла в сечении оправки не обра-зуются сложные температурные поля; 4) оценить напряжения и их распределение в оправке после охлаждения узла до комнатной температуры и сравнить с условным пределом текуче-сти предлагаемого железоникелевого сплава; 5) доказать, что в случае многократной смены инструмента геометрические размеры оправки не будут искажены остаточной пластической деформацией.
Железоникелевый сплав, согласно расчету в программе ANSYS, инертно реагирует на градиент температур. Охлаждение на воздухе зажимного патрона после сборки до комнатной температуры занимает более 20 минут при всех заданных размерах посадочной поверхности. Термическую инертность никель-содержащего сплава можно преодолеть, используя для расширения индукционный нагрев, а при охлаждении следует увеличить теплоотдачу за счет конвекции.
Важным положительным эффектом является однородность температурного поля в сече-нии охлаждаемого узла после тепловой сборки. Разброс значений температуры по сечению "инструмент-оправка" не превышает 3 К в радиальном направлении спустя 3 мин (что со-ставляет не более 10 % всего периода) после того, как охватывающая поверхность приходит в соприкосновение с инструментом. Однородность температурного поля, в частности, уменьшает опасность перекоса соединяемых деталей.
Значения напряжений в программе ANSYS получены для реальных, конечных размеров втулки и при всех конструкционных вариантах меньше. Решение Ламе справедливо для со-единения цилиндра и цилиндрической втулки бесконечной длины, предполагает равномер-ное распределение давления по длине соединения и дает среднее значение. Причем разброс значений, вычисленных разными методами, невелик в случае средних диаметров и натягов и возрастает для критических крайних вариантов соединений. В целом предлагаемый железо-никелевый сплав удовлетворяет условию прочности охватывающей втулки.

назад

Некоторые характеристики акустических спектральных линий плоскопараллельных образцов.

Для контроля и диагностики структуры поликристаллических материалов перспективно применение акустических методов, основанных на измерении ослабления или коэффициента затухания q ультразвуковых (у.з.) колебаний [1]. Применение бесконтактных, емкостных преобразователей у.з. колебаний в сочетании, с предложенным Меркуловым Л.Г. спектральным методом измерений [2], позволяет существенно расширить диапазоны исследуемых частот, повысить точность определения параметров поликристаллитов и улучшить качество контроля [3].
Исследования, проведенные для различных материалов (стали, сплавы алюминия, сплавы меди, аморфные материалы), показали, что чувствительность спектральных методов к изменениям q, обусловленным структурой материала, достигает менее 0,01 дБ/м. Параметры акустических спектральных линий (АСЛ) плоскопараллельных образцов из сталей (Ст. 3, Ст. 20, Ст. 45, Х18Н10Т, 40Х13) и аморфных материалов (стекло марки К8, плавленый кварц, оргстекло) достаточно хорошо описываются выражением, приведенным в работе [3] с учетом дифракционной расходимости у.з. пучка. 
Для образцов из сплавов алюминия (Д16Т, АМГ-5) или меди (латунь Л63, бронзы), обладающими значительными структурными неоднородностями, АСЛ имели особенности в виде "шумовых наложений" на основной сигнал. Условная амплитуда и частотный период "шума" составляли (от 0,01 до 0,4) Umax и (от 10 до 1000) Гц, где Umax - амплитуда спектральной линии. Данное явление было названо нами по аналогии с оптикой, тонкой структурой акустических спектральных линий. Тонкая структура АСЛ с одной стороны ограничивает точность измерения параметров распространения у.з. колебаний, а с другой , открывает новые возможности исследования структуры. Детальные исследования обнаруженного явления планируется провести методами статистического материаловедения с применением образцов с заданными структурными неоднородностями.

ЛИТЕРАТУРА
1. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник под ред. В.В. Клюева М.. Машиностроение. 1995. 477 с.
2. Меркулов Л.Г., Токарев В.А. Физические основы спектрального метода измерения затухания ультразвуковых волн в материалах   Дефектоскопия. 1970. 4. С. 3-11.
3. Кондратьев А.И. Прецизионные измерения скорости и затухания ультразвука в твердых телах  Акуст. журнал 1990. Т. 36.  3. С. 470-476.

назад

Модель упрочняющегося упругопластического тела.

Для построения модели упругопластического упрочняющегося тела используется вариационный принцип /Шитиков А.В., ПММ. 1995. Т.59. N1. С. 158-161/, в основе которого лежит предположение о том, что часть мощности диссипации механической   энергии D связана с изменением тензора внутренних переменных k. В этом случае неравенство D>=0  и неравенство P=TdS-d-Q>=0 (T- абсолютная температура, S - энтропия, d-Q - приток тепла в элемент), выражающее второе начало термодинамики, становятся независимыми. Определяющие уравнения включают уравнения для тензора k, описывающего эволюцию поверхности нагружения. Детально исследован случай изотермического процесса. Из требования D>=0 при любых процессах деформирования получены ограничения на вид поверхности нагружения. Эти же ограничения следуют из независимости определяющих уравнений от пространства (напряжений или полных деформаций), в котором изначально задан процесс деформирования. Показано, что требование одновременного удовлетворения неравенствам D>=0, P>=0 приводит к возможности изменения направления прироста остаточных деформаций на коротких отрезках пути деформирования и наблюдается уменьшение мгновенного модуля сдвига (по сравнению с его упругим значением) при ортогональной догрузке. Эти выводы, впервые полученные в рамках концепции регулярной поверхности нагружения, совпадают с выводами теории сингулярной пластичности. Эти же неравенства ограничивают возможные значения угла наклона касательной к кривой напряжения-деформации. Существует область значений материальных констант, при которых наблюдаются падающие участки на этой кривой. Численно решены задачи простого и циклического нагружения. Получены кривые, соответствующие как циклически упрочняющимся, так и циклически разупрочняющимся материалам, имеющие качественные особенности при различных значениях материальных констант.
назад

Методы исследования долговечности металлических конструкций эксплуатирующихся в условиях коррозионного износа.

Разработан метод исследования долговечности листовых металлических конструкций, эксплуатирующихся в условиях коррозии.
Была запроектирована и изготовлена установка (патент СССР ¦ 1.777.648, патент РФ ¦ 2.020.463) для испытания на коррозию фрагментов листовых металлических конструкций, подверженных всестороннему растяжению. В соответствии с разработанной методикой на установке были проведены экспериментальные исследования коррозионного износа стальных листовых образцов (фрагментов листовых конструкций) при: 1) вылеживании образцов без силового нагружения; 2) всестороннем равномерном растяжении образцов; 3) растяжении с соотношением главных напряжений равным 0,5. Во всех случаях образцы односторонне загружались коррозивной средой (3% раствор NaCl в дистиллированной воде). По результатам экспериментальных исследований получена зависимость скорости коррозионного износа стали марки В Ст 3 от величины и соотношения главных напряжений.
Основные преимущества разработанной установки: относительная простота и малогабаритность конструкции, позволяющей испытывать фрагменты листовых конструкций с учетом запасенной исследуемой конструкцией упругой энергии; испытываемый образец можно подвергать одно- и двустороннему контакту с коррозивными средами и силовой нагрузке по двум и более осям, а также следить за изменениями напряженно-деформированного состояния в металле по ходу испытания. В процессе испытаний учитывается также протекание процессов ползучести и релаксации напряжений. Таким образом, эффективность установки определяется ее более полным отражением в процессе испытаний образцов реальной работы материала исследуемых листовых металлических конструкций (резервуаров, газгольдеров, труб и др.).
Установка может применяться для оценки долговечности листовых металлических конструкций, эксплуатирующихся в условиях коррозии при действии статических, повторно-статических и циклических силовых нагрузок, а также при их различных сочетаниях. Разработанный способ испытаний позволяет оценить работоспособность листовых конструкций на различных стадиях их эксплуатации, повысить надежность их работы.

назад

Повышение долговечности материалов методом предварительного деформирования.

Усталостная прочность деталей машин во многом зависит от вида материалов, условий эксплуатации, способов упрочнения и создания напряженного состояния волокон детали.
Важным фактором при выборе способов упрочнения и создания напряженного состояния волокон   детали во многом зависит от вида нагрузки направления равнодействующих крутящего и изгибающего моментов. Создание напряженного состояния достигается предварительно растяжением, сжатием и кручением заготовки.
Поскольку величина и вектор равнодействующих крутящего и изгибающего момен-тов вдоль детали непостоянны, в этом случае способ и вид упрочнения должен быть конкретизирован.
Это достигается размерами и положением ролика к упрочняемой поверхности, его высокочастотными колебаниями и т.д.

назад

Начально-краевая задача ударного резонанса для искривленного стержня.

В Северо-Кавказской государственном технологическом университете разработан эффективный аналитический метод решения начально-краевых задач поперечных колебаний стержня, имеющего начальное искривление, когда на него действуют периодически повторяющиеся мгновенные импульсы. Доказано, что разработанный метод имеет весьма существенные преимущества по сравнению с общеизвестными методами решения подобных начально-краевых задач.

Получены явные и эффективные расчетные формулы, которые позволили установить тот факт, что стержень колеблется в форме стоячей волны с ударными резонансными проявлениями.

В разработанном методе решения начально-краевых задач поперечных колебаний стержня учтены сдвиговые деформации и инерция вращения поперечных сечений стержня, когда на него действуют периодически повторяющиеся импульсы. Доказано утверждение о том, что учет сдвиговых деформаций и инерции вращения устраняет разрывы скоростей и ускорений точек стержня. Эти разрывы переносятся в производные третьего порядка по времени от перемещений точек стержня. Показано, что этот результат имеет существенное значение при решении нелинейных краевых задач конечно-разностными методами.

назад

Постановка и решение краевых задач системы "канатный став - конвейерная лента".

В докладе рассматривается краевая задача колебаний системы "канатный став - конвейерная лента". В отличие от существующих решений в представленной работе учтена сосредоточенность поперечных сил (собственные веса роликоопор) и сил трения качения в местах контакта опорных роликов с конвейерной лентой. В полеченные расчетные формулы в явном виде вошли координаты точек контакта ленты с роликами. Показано, что при определенной скорости движения ленты и неравномерной ее загрузке могут возникнуть резонансные проявления. Получена формула для установления резонансной скорости движения ленты конвейера с канатным ставом.
В докладе также рассмотрены краевые задачи для пуска и остановки конвейера, при этом учтены влияние координат точек подвески роликоопор.

назад

ВОЗМОЖНОСТЬ ОРГАНИЗАЦИИ ВИХРЕТОКОВОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛОИЗДЕЛИЙ В ОДНОРОДНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЯХ.

Вихретоковый неразрушающий контроль (ВТК) широко используется в различных отраслях машиностроения. Задачи конструирования средств ВТК и оптимизации его режимов значительно упрощаются, если в рабочей зоне контроля создается первичное однородное электромагнитное поле.
В докладе приведены результаты исследования моделей источников создающих приближенно однородное электромагнитное поле. Анализируются модели в виде комбинации нитевидных двухпроводных линий, а также комбинации в виде параллельных тонких проводящих пластин бесконечной длины, имитирующие обмотки с током линейно-протяженной формы.
Для оценки области с приближенно однородным электромагнитным полем (зоны однородности) в виде кругового цилиндра бесконечной длины введены новые параметры. Они количественно определяют степень однородности поля в этой зоне, ее размеры, интенсивность поля в ней  и целесообразность использования зоны однородности в качестве рабочей зоны ВТК.
В результате анализа указанных моделей источников поля:
1. Установлена и обоснована корректность введения новых параметров описывающих зону однородности в различных областях пространства, охваченного электромагнитным полем (в том числе в особых точках поля);
2. Определены наиболее перспективные модели источников, имитирующие короткие толстостенные обмотки с током линейно-протяженной формы. Они позволяют достичь такой величины параметров зоны однородности, которая представляет практический интерес и свидетельствует о возможности практической реализации ВТК в однородном электромагнитном поле.
назад

ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ДЕФЕКТА И СХЕМЫ НАГРУЖЕНИЯ НА КИНЕТИКУ РАЗВИТИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ТРЕЩИНЫ.

Сопротивляемость сталей развитию усталостных и коррозионно-усталостных трещин во многом зависит от условий испытаний, в частности, частоты нагружения, уровня максимальных напряжений, характеристики цикла и формы поверхностного дефекта. Исследуемые стали подверглись испытанию при двух уровнях максимальных напряжений: (0,7-0,5)0,2 и при двух различных частотах нагружения - 5,5Гц и0,3Гц. Выбор формы дефекта в виде поверхностной трещины объясняется тем, что рассматриваемый дефект является наиболее опасным для трубопроводов, оболочек и сосудов высокого давления. Закономерности развития поверхностных несквозных трещин недостаточно изучено в связи с трудностями связанными с проведением экспериментальных исследований в условиях приближенных к эксплуатационным. Изменение формы поверхностной трещины в процессе испытаний фиксировали методом измерения падения напряжения, при плотности тока в области трещины - 10А/см2. На основании экспериментальных исследований выявлено влияние напряженного состояния, запаса упругой энергии системы, коррозионной среды и термодеформационного цикла сварки на скорость развития усталостных трещин в направлении глубины и по поверхности образца при циклическом растяжении. Показано, что поверхностные трещины в процессе развития стремятся к полуэллиптической форме, при этом отношение полуосей эллипса для стали20 стремится к 0,75, а для стали Х46 к 0,85. Кинетика формоизменения трещины зависит от исходного дефекта. На начальном этапе своего развития неглубокая вытянутая трещина стремится к полукруглой форме, а при достижении отношения a/t=0,6, скорость развития трещины по поверхности образца увеличивается, что очевидно связано с переходом металла между вершиной трещины и тыльной стороны образца в упруго-пластическое состояние.

Таким образом, кинетика изменения формы поверхностной трещины дает оценку влияния различных факторов на циклическую трещиностойкость металла и сварных соединений труб, а также сопротивляемость металла развитию усталостного разрушения при различных схемах нагружения на воздухе и в коррозионной среде.    

назад 

Модель разрушения сталей и сварных соединений в наводороживающих средах.

Несмотря на значительное число публикаций, данные о влиянии водорода на трещиностойкость сталей пока весьма ограничены. К сожалению ни одна из известных теорий не может объяснить всех наблюдаемых явлений водородной хрупкости. Причем различные подходы и концепции к построению таких теорий часто весьма противоречивы. Поскольку для реализации водородной хрупкости достаточно небольших концентраций водорода, все теории этого явления базируются на представлениях о сегрегации водорода в местах потенциальных очагов разрушения.
Снижение прочности, вызываемое водородом, есть результат преждевременного достижения предельного состояния у конца трещины или на поверхности любых внутренних плоскостей в итоге суммирования напряжений от внешней нагрузки и от давления молекулярного водорода. Водород имеет тенденцию осаждаться в порах, и, когда его летучесть высока, внутреннее давление может быть достаточно высоким для того, чтобы вызвать рост пор и растрескивание.
Количественных моделей длительной прочности, учитывающих влияние водорода, до настоящего времени не предложено. Для построения такой модели, описывающей поведение материала в условиях нестационарной диффузии водорода, необходимо рассмотреть следующие вопросы: задачу диффузии водорода, деформирование образца на воздухе и в водородной среде и собственно разрушение образца при длительной выдержке под нагрузкой. Подходы, основанные на методах линейной механики разрушения, здесь малопродуктивны. Поэтому при построении математической модели водородной длительной прочности используется аппарат континуальной механики разрушения, которая представляет собой инструмент для описания разрушения вследствие непрерывного накопления повреждений в материале и сварном соединении.
назад

ОЦЕНКА ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ТРУБНЫХ СТАЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ПРИБЛИЖЕННЫХ  К  ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМ.

Прогнозирование долговечности, оценка остаточного ресурса и повышение безопасности трубопроводов во многом зависит от учета реального напряженно-деформированного состояния металла. Существующие численные методы расчета оказываются недостаточными для анализа и оценки хрупких разрушений, вызванных быстрым распространением коррозионно-усталостных   трещин в металле труб и сварных соединениях. Используемые эмпирические критерии не учитывают все факторы, влияющие на процессы зарождения и развития трещин, так как устанавливаются по результатам лабораторных опытов на гладких образцах, не обладающих всеми конструктивно-технологическими факторами трубопроводов, таких как кривизна поверхности, масштабность, деформационный наклеп, анизотропия  свойств металлов, а также состояние поверхности и наличие сварных соединений.
Оценка трещиностойкости трубных сталей и сварных соединений в условиях, приближенных к эксплуатационным, во многом зависит от методов проведения испытаний и используемых образцов-моделей. В связи с этим предлагается методика проведения испытаний металла труб и сварных соединений, с подводом к образцу агрессивной среды с помощью коррозионной ячейки, крепящейся к поверхности образца. Образец изготавливается из отрезка реальной трубы со вставкой, которая моделирует величину упругой энергии системы и напряженно-деформированного состояния. Для получения однородных растягивающих напряжений по толщине трубы, во вставке выполнена проточка и получены экспериментально-теоретические зависимости распределения напряжений по толщине для труб различных диаметров. Напряженно-деформированное состояние исследуемого участка трубы определялось на основе решения дифференциального уравнения равновесия.
На основании проведенных исследований разработана методика оценки остаточного ресурса работы трубопроводов, эксплуатирующихся в коррозионных средах, а также методика оценки трещиностойкости трубных сталей и сварных соединений.
назад

Природа физико-механического растрескивания сталей в водородосодержащей среде.

Разрушение материалов возможно, когда напряжения, возникающие в вершине трещины, достигают величины когезионной прочности межзеренных границ. Величина когезионной прочности границ и состояние межзеренных поверхностей зависят от сегрегации примесных и легирующих элементов. Межзеренные сегрегации зависят от способа легирования, режима термической обработки и воздействия на стали наводороживающих сред.
Образование зернограничных сегрегаций в стали при взаимодействии наводороживающей среды, исследовались в процессе вакуумной термической обработки в температурном интервале от 200 до 1000 С, с использованием адсорбционных процессов, протекающих на поверхности твердых тел. Изучение адсорбционных процессов производилось в условиях высокого вакуума методом масс-спектрометрии.
Масс-спектрометрический метод обладает высокой чувствительностью и поэтому широко применяется для изучения различных поверхностных и объемных явлений, при этом определяется как спектральный состав, так и количество выделяющихся газов. При повышении температуры из объема на поверхность металла диффундируют с различной интенсивностью атомы водорода, кислорода, азота и углерода, которые взаимодействуя с окисной пленкой образуют химические соединения СО2, Н2О, СО, Н2, N2, О2 и сложные углеводороды (преимущественно метан СН4). Интенсивность образования этих газов зависит от концентрации реагирующих атомов.
Исследование кинетики углеродоводородного взаимодействия проводилось на цилиндрических образцах из стали 20, Э-12, Х-42. В качестве рабочей среды для наводороживания образцов использовался водный раствор 5% NaCl и 0,5% СН3СООН, насыщенный сероводородом.
В процессе температурного синтеза в вакууме из наводороженных образцов происходит более интенсивное выделение углерода в виде газообразных окислов СО + N2 и СО2, превышающее более чем в 7 раз количество адсорбированных окислов СО + N2 и СО2 из образцов, не подвергнутых наводороживанию.
Таким образом, взаимодействие водорода с углеродом металла способствует образованию сегрегации углерода, вследствие чего уменьшается пластичность и интенсифицируется дислокационный механизм разрушения.
назад                                         

Коэрцитивная сила и распределение критических полей в двуслойных ферромагнетиках различной степени жесткости

При контроле качества поверхностно упрочненных изделий в случаях, когда различие магнитных свойств упрочненного слоя и сердцевины изделия незначительны, возникает необходимость создания методов, более достоверно отражающих толщину поверхностного слоя. Воздействуя перемагничивающими полями различной величины на остаточно намагниченный двуслойный ферромагнетик и определяя зависимости вторичных остаточных индукций от размагничивающего поля, можно получить большую чувствительность измеряемых параметров к изменениям толщины упрочненного слоя. На основе спектров жесткости, вычисленных путем дифференцирования вторичных остаточных индукций по перемагничивающему полю, можно найти методы контроля, позволяющие с большей достоверностью оценить качество упрочненного изделия. Кроме того, при изучении свойств поверхностно упрочненного изделия практический интерес представляет задача определения его магнитных характеристик по характеристикам слоев и их величине.
Поверхностно упрочненное ферромагнитное изделие моделировали двуслойными тороидальными образцами, составленными из двух колец, изготовленных из стали 45 и прошедших различную термическую обработку. Варьируя температуру отпуска, получали слои различной степени магнитной жесткости. Из термообработанных колец составляли   двуслойные тороиды, состоящие из колец как с близкими коэрцитивными силами, так и сильно различающимися. В каждом из вариантов варьировали содержание магнитожесткой компоненты, толщина ее от общей толщины образца составляла 0%, 50%, 62,5%, 81,25% и 100%.
Измерения значений коэрцитивных сил и зависимостей вторичных остаточных индукций от размагничивающего поля проводили на магнито-измерительном комплексе, программируемый источник перемагничивающего тока которого позволяет измерять не только предельные петли магнитные гистерезиса, но и частные петли.
На основе петель гистерезиса материалов составляющих каждого из исследуемых двуслойных образцов был проведен расчет  значений их коэрцитивных сил. Получено хорошее согласование экспериментальных и расчетных данных. Показано, что общая коэрцитивная сила двуслойных тороидов слабо меняется при изменении толщины магнитожесткой компоненты, когда ее относительное сечение составляет менее 50% или более 80%.
Исследованы вторичные спектры магнитной жесткости, характеризующие распределение критических полей при перемагничивании, двуслойных образцов. Информативными характеристиками, с помощью которых можно оценить процентное содержание составляющих двуслойного тороида, являются площади кривых распределения Лоренца, построенных путем математической обработки вторичных спектров жесткости и соответствующих каждой их компонент составного образца.
назад

ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ХОЛОДНОДЕФОРМИРОВАННЫХ ПАТЕНТИРОВАННЫХ СТАЛЯХ

В литературе (см., напр., [1...3]) показана возможность использования электромагнитно-акустического преобразования (ЭМАП) для оценки внутренних напряжений в термически обработанных сталях. Однако данные об аналогичных исследованиях для деформированных сталей отсутствуют.

В настоящей работе приведены результаты изучения резонансного ЭМАП в образцах из патентированных сталей марок 30 и 70, подвергнутых холодному пластическому деформированию волочением через фильеры. Логарифмический коэффициент вытяжки L варьировался в пределах 0...4,894 для стали 30 и 0...3,297 для стали 70. Остаточные микронапряжения e определялись из рентгеновских данных.

Рентгеновские исследования показали, что по мере увеличения L происходит обеднение феррита углеродом, а цементит превращается в более богатый углеродом карбид.

Амплитуда сигнала ЭМАП Е уменьшается с ростом e, однако, в отличие от термически обработанных сталей, зависимости Е(e) нелинейны для обеих марок сталей. На кривых Е(e) четко выражены три участка, соответствующие трем стадиям деформационного упрочнения патентированных сталей [4].

Обнаружено аномальное поведение зависимостей величин поляризующего магнитного поля Н, соответствующего максимуму амплитуды сигнала ЭМАП, скорости распространения упругих волн v и добротности сигнала Q от e: Н уменьшается с ростом e, а кривые v(e) и Q(e) имеют минимум, в то время как в термически обработанных сталях с увеличением e величина Н увеличивается, а v и Q - уменьшаются [1...3]. Такое поведение этих характеристик объясняется влиянием разворота пластин карбидной фазы вдоль оси образцов по мере возрастания степени вытяжки, а также происходящего при этом уменьшения угла рассеяния аксиальной текстуры.

 

 

ЛИТЕРАТУРА

1.  

   Кормаров В.А. Квазистационарное электромагнитно-акустическое преобразование в металлах. - Свердловск: Изд. УНЦ АН СССР, 1986, 235 с.

2.  

   Горкунов Э.С., Задворкин С.М., Родионова С.С., Соломеин М.Н., Царькова Т.П. Оценка внутренних микронапряжений в высокоуглеродистых сталях по параметрам электромагнитно-акустического преобразования. - Дефектоскопия, 1999, № 9, с.38-46.

3.  

   Горкунов Э.С., Задворкин С.М., Соломеин М.Н. Влияние термической обработки стали Р6М5 на параметры электромагнитно-акустического преобразования. – Тез. докл. 2-й Междунар. конф. по магнитоэлектронике. Екатеринбург, 2000 г., с.166-167.

4.  

   Гриднев В.Н., Гаврилюк В.Г., Мешков Ю.Я. Прочность и пластичность холоднодеформированной стали. - Киев: Наукова думка, 1974. - 232 с.

назад

Влияние среды и температуры испытаний на разрушение поверхностей трения углеродистых и низколегированных инструментальных сталей

Изучены трибологические свойства, характер разрушения и деформационное упрочнение армко-железа и углеродистых сталей (0,20-1,35%С) при фрикционном нагружении твердосплавным индентором в различных средах (воздух, газообразный и жидкий азот). Армко-железо и стали 20, 35, 50, и У8 подвергали лазерной закалке, а стали с содержанием углерода 0,38-1,35% - объемной закалке и отпуску. Показано, что рост концентрации углерода в закаленных и низкоотпущенных материалах до 0,83% вызывает непрерывное повышение износостойкости, связанное с увеличением прочности мартенситной структуры, обусловливающим смену основного механизма изнашивания v от адгезионного к полидеформационному. Дальнейший рост содержания углерода в сталях до 1,35 % сопровождается некоторым снижением износостойкости вследствие повышения хрупкости поверхностного слоя. Отпуск при 200 ^оС приводит к уменьшению сопротивления закаленных углеродистых сталей изнашиванию. Из легирующих элементов (1,2 - 2,0 % V, Мо, Мn, Si и Сг) только марганец повышает износостойкость закаленных, а также низкоотпущенных высокоуглеродистых сталей. В случае преобладания полидеформационного механизма изнашивания снижение температуры испытаний в азоте от 20 до -196 ^оС вызывает ускоренный износ сталей, связанный с их низкотемпературным охрупчиванием. И, напротив,  глубокое охлаждение приводит к снижению    интенсивности   адгезионного  изнашивания   армко-железа и относительно "мягких" сталей   вследствие их низкотемпературного упрочнения. Насыщение тонкого поверхностного слоя кислородом  в процессе фрикционного окисления обусловливает охрупчивание и, соответственно, снижение сопротивления усталостному изнашиванию сталей. Дополнительное легирование кремнием усиливает указанное отрицательное влияние фрикционного окисления. В то же время, окисление обусловливает рост сопротивления адгезионному изнашиванию исследованных материалов. Микротвердость ультрадисперсных структур, формирующихся на поверхностях закаленных, а также низкоотпущенных углеродистых сталей при трении скольжения возрастает по мере увеличения содержания углерода до 12,0 - 12,5 ГПа. Интенсивное фрикционное упрочнение отпущенных при 200 - 600^оС сталей свидетельствует о деформационном распаде карбидной фазы. Дополнительное легирование V, Мо, Мп и Сг не повышает, а легирование кремнием заметно снижает твердость поверхностей трения   высокоуглеродистых сталей.

1.  Макаров А.В., Коршунов Л.Г., Солодова И.Л. Трение и износ,  2000,  Т.21, 5, с.501-510.
назад

Магнитные и электромагнитные методы контроля износостойкости закаленных и отпущенных стальных изделий

Предлагается использовать высокочувствительные магнитные и электромагнитные методы для оценки и прогнозирования уровня абразивной износостойкости закаленных и низкоотпущенных мартенситных сталей. Возможность неразрушающего контроля износостойкости  стальных изделий основана на установлении корреляционных связей износостойкости с коэрцитивной силой и показаниями вихретокового прибора. Коэрцитиметрический метод позволяет реализовать предложенный способ оценки износостойкости на объемноупрочненных стальных изделиях. С помощью вихретокового метода можно контролировать износостойкость изделий, подвергнутых не только объемной, но и поверхностной упрочняющей обработке, например, лазерной закалке или цементации. Физической основой для разработки указанных методов послужило подобие зависимостей износостойкости и электромагнитных характеристик углеродистых сталей от содержания углерода в мартенсите. Выделение углерода из тетрагональной решетки мартенсита в результате низкотемперату!
рного (100-250) отпуска закаленной высокоуглеродистой стали сопровождается резким падением сопротивления абразивному изнашиванию, а также коэрцитивной силы и показаний вихретокового прибора. Дополнительное легирование высокоуглеродистой стали 1-2 % Mo, V, Mn, Si и Cr не изменяет обнаруженной сильной зависимости указанных характеристик от температуры низкого отпуска, а также характера корреляционной связи между износостойкостью и магнитными или электромагнитными параметрами. При наличии в структуре цементированной хромоникелевой и шарикоподшипниковой сталей до 25-40 % остаточного аустенита чувствительность методов неразрушающего контроля износостойкости низкоотпущенных сталей возрастает. Вихретоковый метод оценки износостойкости, в отличие от коэрциметрического, можно использовать не только для низкоотпущенного состояния, но и при температурах отпуска более 250-400 С (в зависимости от легирования стали), что обусловлено высокой чувствительностью вихретокового метода к структурным изменениям, происходящим при температурах среднего и высокого отпусков.
         1. Макаров А.В., Коган Л.Х., Горкунов Э.С., Коршунов Л.Г., Атангулова Л.В. Дефектоскопия,1998, ¦5, с.3-12. 2. Макаров  А.В.,   Коган  Л.Х.,  Горкунов Э.С.,  Колобылин Ю.М.   Дефектоскопия, 2001,  2.

назад

Возможность контроля неразрушающими физическими методами износостойкости и твердости высокоуглеродистых сталей со структурой тонкопластинчатого перлита

Изучена возможность применения вихретокового и коэрцитиметрического методов для оценки твердости и износостойкости при абразивном воздействии и трении скольжения стали У8 и рельсовой стали (0.75% С, 0.91% Mn) со структурой тонкопластинчатого перлита. Проведен сравнительный анализ электромагнитных, прочностных и трибологических свойств перлитных структур с различной дисперсностью и морфологией карбидной фазы. Показано, что только совместное использование обоих неразрушающих методов позволяет с высокой достоверностью контролировать наличие в эвтектоидной стали структуры тонкопластинчатого перлита, полученной при температурах перлитного превращения 500-550 С и обладающей повышенной прочностью и износостойкостью по сравнению с другими перлитными структурами (отожженный тонкопластинчатый перлит, сфероидизированный перлит, грубопластинчатый перлит). При этом коэрцитиметрический метод позволяет выявить наличие тонкодисперсного строения пластинчатого перлита, а вихретоковый - его дополнительное твердорастворное упрочнение и повышенную дефектность, которые и определяют высокие физико-механические свойства рассматриваемой структуры.
Вихретоковый метод в сравнении с коэрцитиметрическим обладает повышенной чувствительностью к структурным изменениям, происходящим при высокотемпературном (650С) отжиге эвтектоидных сталей с исходной структурой тонкопластинчатого перлита (устранение избыточного содержания углерода в феррите и повышенной дефектности цементита, полигонизация и рекристаллизация феррита, сфероидезация цементита) и поэтому может быть с большей эффективностью использован для оценки соответствующих изменений твердости и износостойкости сталей. Коэрцитиметрическим методом можно надежно оценивать и контролировать степень дисперсности структуры пластинчатого перлита: огрубление структуры пластинчатого перлита приводит к снижению коэрцитивной силы. Ограничение в применении для этих целей вихретокового метода касается только минимальных (1 мин) выдержек при низких ( 500С ) температурах перлитного распада.
Полученные результаты могут быть использованы на практике при реализации новых путей улучшения свойств изделий из углеродистых сталей, в частности, при оптимизации режимов и контроле эффективности термообработки железнодорожных рельсов.  
              1. Макаров А.В., Коган Л.Х., Счастливцев В.М., Горкунов Э.С., Табатчикова Т.И., Колобылин Ю.М., Яковлева И.Л.   Дефектоскопия, 2000. ¦ 8. C. 3v17.

назад

Комплексные системы мониторинга и диагностики состояния машин и механизмов компании "Вибро-Метер"

Высоконадежное оборудование компании "Вибро-Метер" (Швейцария) широко используется в  мире для мониторинга и диагностики различных машин и механизмов в энергетике, авиации, нефтеперерабатывающей, нефтедобывающей, газовой промышленности и т.д. Новое поколение систем контроля и диагностики с широкими возможностями и высокими характеристиками - системы VM600 и VMU100.
Система VM600 работает с датчиками вибрации, динамического давления, скорости вращения, перемещения, зазоров, обледенения, стружки в масле. Система vмногоканальная, имеет модульное построение и независимо и параллельно выполняет функции: защиты, диагностики состояния, контроля характеристик и рабочих процессов в машинах и оборудовании.  Основные платы системы: MPC4, CMC16, RLC, CPU-M.
Плата защиты машин MPC 4 обеспечивает программируемое измерение и контроль в реальном времени одновременно по 4 входам от датчиков вибрации ( или  других динамических процессов) в диапазоне 2 Гц-10 кГц  и от 2-х датчиков скорости вращения в диапазоне 0,3 Гц v50 кГц, программируемую полосовую фильтрацию (затухание фильтров до 200дБ/октава) и следящую узкополосную фильтрацию в диапазоне 3-500 Гц (4 гармоники и 3 субгармоники) при максимальной скорости изменения частоты 450 Гц/с, одновременный контроль по амплитуде и фазе (погрешность по фазе  1), программируемые уровни срабатывания сигнализации, адаптивный контроль ( например, с учетом режима работы машины), питание датчиков. Частотный диапазон сквозного канала-0-60 кГц.
Плата контроля и диагностики состояния CMC16 обеспечивает сбор данных по программе или запросу, одновременное подключение 16 каналов динамических сигналов, из них до 4-х конфигурируемых каналов скорости вращения, автоматический контроль при запуске машины и останове (следящая фильтрация до 400-й гармоники), буфер данных для предохранения от потери информации при отключении компьютера или сети, высокое разрешение спектра  (БПФ 3200 линий) до 20 кГц, 10 программируемых частотных полос контроля на канал, многопараметрический и адаптивный контроль состояния машин, режимы осциллографа, представления данных в полярных координатах и др.
Плата реле RLC имеет 16 реле с контактами изменяемой конфигурации, активируемые ею по заданной логике. Плата процессора реального времени CPU-М обеспечивает: управление конфигурацией и коммуникациями (модем, сеть, стандартный протокол, вывод информации на дисплей). Корпус  стандартного размера 19" (483х262х131 мм) вмещает до 12 плат МРС 4 или СМС 16. Выходные сигналы системы: аналоговые 4-20 мА, 0-10 В=, необработанные входные (до 60 кГц), релейные, цифровые.
Преимущества  системы VM600: обнаружение   повреждений в машинах на ранней стадии их развития благодаря чувствительности к слабым вибросигналам (от 10-4g) и адаптивности контроля, высокие эксплуатационная гибкость и технологичность; полная электромагнитная совместимость; искробезопасность; взрывозащищенность; автоконтроль датчиков, линий связи, плат; "горячее" резервирование функций внутри плат; "горячая" замена плат.
Одноканальная мини система VMU 100 имеет программируемые фильтры верхних и нижних частот, диапазоны измерения и срабатывания сигнализации, стойкость к жестким условиям окружающей среды, автоконтроль, аналоговый и цифровой выходы, питание переменным или постоянным током, цифровой дисплей. Ее можно использовать автономно для контроля и диагностики состояния отдельных агрегатов, а также  в комплексе с многоканальными контрольно-диагностическими системами, в том числе с системой VM600.

назад

Акустическая диагностика металлов, неразрушающий контроль качества

На образцах различных марок стали  (19Н8Б Очерского и  15Х2ГМФ Мотовилихинского заводов, а также  производства Китая и Австрии), изготовленых из штанг глубинных насосов, изучено влияние степени пластической деформации и характера ее локализации на параметры затухания свободных колебаний калиброванной звуковой волны. Составлен металлографический атлас структуры сталей штанг отечественных поставщиков, а также из Китая и Австрии. Показано, что металлографическая структура сталей используемых насосных штанг различна. Получены кривые течения на образцах при непрерывном растяжении (одноосное нагружение со скоростью 1,7..10-4 с-1). Определены предел текучести, временное сопротивление и характеристики пластичности. Установлено, что эти характеристики существенно различны в зависимости от завода-изготовителя щтанг глубинных насосов.
Возможную локализацию пластической деформации в процессе эксплуатации штан моделировали путем растяжения образцов. Формирующиеся и распространяющиеся полосы Чернова-Людерса отражают локализацию пластической деформации в упругодеформированном материале и моделируют локализацию пластической деформации в условиях циклического нагружения, что соответствуют условиям нормальной эксплуатации насосных штанг. Шейка образуется в пластически деформированном материале и моделирует локализацию деформации в теле насосной штанги при случайных больших перегрузках в процессе эксплуатации насосного оборудования.
           Озвучивание образцов с заданной деформационной   структурой производили с помощью механического калиброванного ударного устройства. Затухание звуковой волны фиксировали с помощью лазерного бесконтактного сверхширокополосного датчика и персонального компьютера класса "Пентиум", снабженного усилителем, дополнительной электронной платой для работы с быстропротекающими процессами (частота выборки - до 500 кГц)  и программным обеспечением для обработки данных.
Проанализированы характер затухания и частотные спектры затухающих калиброванных акустических сигналов с целью установления количественной связи между параметрами акустических сигналов и дефектной структурой материала. Полученные экспериментальные данные показали   зависимость параметров затухания звуковой волны от степени пластической деформации, характера ее локализации и от места расположения зоны локализованной пластической деформации относительно приемника акустических сигналов. Создается база данных для акустической диагностики штанг глубинных насосов и алгоритм для классификации усталостного состояния материала штанги по параметрам звуковой волны.
назад

NON DESTRUCTIVE EVALUATION OF
STRESS-STRAIN DIAGRAM FOR LOW-CARBON STEEL

The low-carbon steels are viewing. The stress-strain diagrams are the one of    basic characteristics of mechanical properties of this materials. The acoustic characteristics are using for nondestructive evaluations the Young's modulus, Poisson's ratio, yield stress, tensile strength and etc.
For obtain of relationships between evaluation mechanical properties and measurement acoustic characteristics are using the methods of solid mechanics and modern statistical analysis.
By means of the unified thermodynamic-structural approach, the paper presents the working out of the constitutive equations for damage bodies, viewing as materials with internal state variables. The relationships for nondestructive evaluations of constants in constitutive equations in this case are derive.

назад

Долговечность машиностроительных конструкций в условиях ползучести

На основе энергетических соображений, феноменологических законов пластического деформирования и ползучести разработан единый метод расчета времени разрушения металлических материалов и машиностроительных конструкций в условиях стационарного длительного термосилового нагружения. Основой расчетной методики выступают известные экспериментальные данные, полученные при стандартных испытаниях образцов: диаграммы деформирования, законы ползучести конкретного материала на каждом из участков лиаграммы полузчести, зависимость основных характеристик материалов от температуры. В качестве примеров рассмотрены задачи об определении времени разрушения при стандартных нагружениях стержней: растяжение, кручение, растяжение с одновременным кручением. Определено время разрушения безмоментных оболочек вращения при нагреве и различных комбинациях силового нагружения. Исследованы задачи длительной прочности изгибаемых балок и кольцевых пластин при осесимметричных нагружениях.

назад

Пластическая повреждаемость односвязных и двусвязных эллиптических пластин при динамических нагружениях.

На основе модели идеального жесткопластического материала разработан метод оценки остаточной повреждаемости односвязных и двусвязных пластин при кратковременных интенсивных динамических нагрузках. Рассматриваются односвязные и двусвязные эллиптические пластины при шарнирном опирании, защемлении или комбинированном закреплении контуров. Показано, что существует несколько механизмов динамического деформирования пластин. Для каждого из них получены уравнения динамического пластического деформирования. Проанализированы условия реализации каждого механизма, сформулирован критерий остаточной повреждаемости. Рассмотрены примеры конкретных расчетов при различных формах импульсов динамической нагрузки.

назад

JOINT OF LOCAL FRACTURE CRITERIA AED THE ACCUMULATION OF MICRODEFECTS IN FIBER REINFORCED COMPOSITES

Analysis of the appearance and development of microdefects in fiber reinforced composites and a study of the corresponding micromechanisms of fracture are proposed
     Connection between the critical accumulation of different types of microdefects  and the strenght  fracture criteria of the composite is established.
     The link between those  microdefects and local fracture criteria is found .On the  basis  of appropriate homogenization method.Comparison with  experimental data is made.



назад

Износостойкие  структуры в сталях и их неразрушающий контроль

Рассмотрены структурные аспекты износостойкости сталей c мартенситными, мартенситно-аустенитными и перлитными структурами. Показана возможность резкого повышения износостойкости низкоуглеродистого -мартенсита при адгезионном изнашивании за счет легирования элементами замещения, усиливающими деформационное упрочнение мартенсита при трении. Рассмотрено  влияние концентрации углерода в мартенсите на износостойкость и деформационное упрочнение углеродистых сталей (0,04-1,35 %С) при абразивном воздействии и трении скольжения в условиях окислительной и безокислительной сред, а также низкой температуры. Отмечена важная роль процессов деформационного динамического старения, развивающихся в мартенситных структурах под действием трения. При изучении влияния отпуска (75-700 С) на характеристики закаленных сталей установлено, что наибольшим уровнем износостойкости углеродистые, низколегированные (1-2 % V, Mo, Cr, Mn, Si), цементированные хромоникелевые и высоколегированные (X12M, 20X13, P6M5, P18) стали обладают в неотпущенном состоянии, когда концентрация углерода в мартенсите максимальна. Показана возможность существенного повышения износостойкости сталей за счет оптимизации режимов отпуска. Рассмотрены особенности влияния азота (в сравнении с углеродом) на износостойкость  высокохромистых мартенситных сталей. Изучены характеристики износостойкости высокоуглеродистых сталей со структурами изотермического распада аустенита. Выявлена повышенная износостойкость при      трении   и  абразивном     воздействии   структуры    тонкопластинчатого  перлита. На основе установленных корреляционных связей между износостойкостью и магнитными или электромагнитными параметрами разработаны высокочувствительные коэрцитиметрический и   вихретоковый методы определения и контроля износостойкости стальных изделий, подвергнутых объемной или поверхностной закалке и отпуску (или нагреву при эксплуатации), а также нормализации или изотермической обработке (перлитный распад аустенита). Предложен новый способ фрикционной обработки стальных изделий, обеспечивающий повышение твердости, устойчивости к разупрочнению при нагреве и износостойкости (в том числе, фрикционной теплостойкости) за счет формирования в поверхностном слое ультрадисперсной (нанокристаллической) мартенситной структуры, претерпевшей деформационное динамическое старение.  
назад

Исследование упруго-механических свойств жаростойких материалов неразрушающими методами с целью прогнозирования долговечности футеровок тепловых агрегатов цветной металлургии

Основным предназначением защитных покрытий является предохранение футеровки или металлического теплового агрегата от химического и температурного воздействия реагентов плавки.
Роль кладочных растворов сводится к снятию термонапряжений в кладке во время эксплуатации футеровки, сокращению площади контакта огнеупор-расплав, образование монолита корпуса и окатов футеровки и огнеупорных изделий, улучшает экологию производства, ввиду сокращения выбросов газов и т.д.
Онако кладка тепловых агрегатов осуществляется, в основном, без применения растворов и защитных покрытий.
Основная сложность в разработке оптимальных составов заключается в отсутствии достоверных критериальных методов оценки качества растворов и защитных покрытий.
Авторами была разработана оригинальная методика для определения шлакоустойчивости защитных покрытий и кладочных растворов, позволившая разработать оптимальные составы.
Выбор оптимальной толщины кладочного шва и защитных покрытий осуществляется также по специальной методике и использованием ультразвука, предусматривающей оценку действия температуры при одностороннем нагреве на структуру системы огнеупор-раствор.
Сущность метода заключается в том, что чем плотнее и однороднее среда, тем выше скорость прохожденя ультразвука. Создана установка по определению влияния разнопеременных нагрузок на элементы кладки. Использование нестандартных методов исследований позволило разработать эффективные растворы, защитные покрытия, определить толщину кладочного шва и тем самым испытать и внедрить их в футеровках тепловых агрегатов цветной металлургии на девяти предприятиях с увеличением стойкости футеровки на 25-30%.
назад

ОБ ИНДИВИДУАЛИЗИРОВАННЫХ  МОДЕЛЯХ ДЕГРАДАЦИИ И КАТАСТРОФ В ЭЛЕМЕНТАХ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

Деградация элементов системы: поврежденность в условиях усталости (постепенное накопление в элементах конструкции микро и макроповреждений при эксплуатации), износ за счет трения, ползучести, коррозии, эрозии, структурные изменения и химические превращения в металлах и т.д. [ 1 ]. В рамках теории восстановления (одновременно протекающие процессы старения и восстановления [ 2 ]) обычно пытаются строить стохастическую имитационную модель одновременно протекающих процессов старения и восстановления технической системы. Под системой понимают машину в целом или ее составные части. Состояние системы как результат одновременно протекающих процессов ее старения (деградации) и восстановления описывают (моделируют обобщенным показателем) случайной функцией времени, которую называют потенциалом работоспособности системы П(t), где t – наработка, выраженная в соответствующих единицах. Свойства и особенности течения процесса старения конкретных типов систем определяют специально сконструированной функцией затухания (параметр дифференциального уравнения старения), а процесс восстановления моделируется в виде случайной последовательности ремонтных воздействий, распределенных по пуассоновскому закону с некоторой интенсивностью. Каждое ремонтное воздействие моделируется как скачок потенциала работоспособности системы – переход с одной линии старения на другую, с большим значением потенциала.

Рассматривают также другие модели деградации сложных систем: на основе черного ящика и декомпозиции системы [ 1 ], кривых усталости для случайных спектров нагружения [ 3 ].

В докладе излагается критика этих методов и описывается иной подход к синтезу имитационной модели старения и восстановления, основанный на представлении вектора износа элементов системы в пространстве состояния естественных технических показателей функционирования системы. Имитационная модель каждой технической системы обычно апробирована в практике исследования, проектирования и эксплуатации и позволяет получать все интересующие динамические, статические и системные показатели машины, а, главное, вектор – функцию влияющих на деградацию нагрузок на каждый элемент машины. Такая модель идентифицируется по фрагментам функционирования системы и по специальным экспериментам, планируемым при изменении режимов работы машины или целей, для которых она используется (см. также [ 5 ] ). Таким образом имитационная модель постоянно проверяется на адекватность по невязке реального и модельного функционирования. Такая модель, как известно, дает наилучших прогноз при современном состоянии науки и уровне информационных технологий. При таком подходе ключевым звеном в имитационной модели является онтологическая или феноменологическая многомерная регрессионная функция скоростей износа наблюдаемых деталей машины от многомерного вектора нагрузок на них и вектора состояния системы. Многомерная поверхность отклика по мере уточнения математического описания машины (идентификации по мере появления фактов функционирования), уточнения целей использования машины и условий эксплуатации должна проверяться на адекватность в современном научном понимании и соответственно корректироваться. Итак, модели деградации необходимо изолировать от моделей нагрузок – нагрузки вырабатываются и прогнозируются в отдельных моделях функционирования машин в конкретных условиях эксплуатации (рис. 1). Последние модели уже имеются и апробированы практически во всех отраслях промышленности. Кроме того, методология статистического имитационного моделирования системных характеристик машины на основе указанных моделей также хорошо разработана. Следует только дополнить эти модели моделями деградации, а в системные показатели включить критерии оценки надежности и риска. Модель деградации должна иметь обратную связь по текущему математическому описанию истории силовых и кинематических факторов x(t) и F(t) (см. рис. 1).

Литература

1. Ю.П. Самарин. “О проблемах дегредации и катастроф в механических системах”. Труды международной конференции “Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте”.Часть 1. Самара: СГТУ, 1999.- c.3.
2. Л.В. Дехтеринский . “Ремонт автомобилей. Учебник для ВУЗов”. М.: Транспорт, 1992.- 295 с.
3. В.А. Ермишкин, И.Н. Овчинников. “Расчет кривых усталости для случайных спектров нагружения”. Труды международной конференции “Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте”.Часть 1. Самара: СГТУ, 1999.- c.11-12.
4. “Машиностроение”. Энциклопедия. Ред.совет: К.В.Фролов (пред.) и др; М.: Машиностроение. Т.4-3: “Надежность машин”/В.В.Клюев, В.В. Болотин, Ф.Р. Соснин и др; М.: Машиностроение, 1998. c.-39, 70, 84, 289-333.
5. Ю.Л. Тарасов, Н.И. Гадалин. “Оценка влияния условий эксплуатации и конструкторско – тенологических факторов изделий машиностроения на свойства материалов”. Труды международной конференции “Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте”.Часть 1. Самара: СГТУ, 1999.- c.26-28.

назад

МОНИТОРИНГ ИЗНОСА БОКОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ ГОЛОВКИ РЕЛЬСА И ГРЕБНЯ КОЛЕСА В КРИВЫХ НА ОСНОВЕ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА И ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Современные достижения науки позволяют создать методики анализа и синтеза безопасности, связывающие значения параметров технических средств транспортной системы, параметров внешней среды и человеческого фактора со значениями показателей безопасности перевозок в целом. В основу такого подхода предлагается положить мониторинг технического состояния подвижного состава (рассматривается пример анализа износа рельс и колес подвижного состава - основных элементов надежности технических средств на железнодорожном транспорте и безопасности движения поездов). Современные информационные технологии позволяют резко расширить изобразительные и математические средства интерпретации процессов при движении поездов для оценки остаточного ресурса основных технических средств. Становится возможным привлечение лиц, имеющих право принятия решений, к использованию больших возможностей информационных технологий поддержки управленческих решений. И, чем сложнее объект управления, тем меньше существует средств, облегчающих руководителю принятие решения. Однако прерогатива принятия решения принадлежит именно им. Мониторинг позволит ликвидировать потери от недостаточно проверенного решения путем сравнения с другими  альтернативами. Это улучшит объективную оценку, позволит своевременно выявлять тенденции снижения безопасности на отдельных участках и маршрутах - определять виды и параметры функций распределения деградации элементов технических средств и их остаточные ресурсы, что необходимо для прогнозирования безопасности. В докладе предложена методика решения поставленной задачи на основе спектрального анализа и адекватных имитационных моделей для практического использования при анализе аварийных ситуаций и идентификации причин аварийности или опасных отклонений в движении подвижного состава в реальном времени. При создании такой системы (виртуальной реальности всего полигона работ по управлению безопасностью на дороге) в дальнейшем становится возможным при ее поддержке осуществлять управление транспортным конвейером в реальном времени: основные решения исполнителей вначале могут быть проверены и оптимизированы с помощью мониторинга. Также можно проверить перед внедрением альтернативные конструктивные или организационные мероприятия, увеличивающие эффективность или безопасность движения поездов по причинам, установленным в процессе служебного расследования.
     В докладе иллюстрируются пример расследования, в котором, на наш взгляд, выявлена причина и механизм схода порожних вагонов с высоким расположением центра тяжести. Оказывается, что причина прямо связана с известной проблемой бокового износа гребней колес и боковой поверхности головок наружного рельса. С помощью спектрального анализа ширины колеи и корреляционных связей ее с другими измерителями пути найдена связь износа головки рельса с резонансной частотой вагона в поперечной плоскости, а моделированием установлена непрерывная цепь процессов, вызывающих   пространственный износ пути в кривых. Износ формируется интенсивно при избытке возвышения наружной нити и является причиной схода колеса с рельса. При избытке возвышения наружной нити развивается процесс колебаний по крену, накопление амплитуды которых прямо связано с прохождением стыков (время прохода вагона между стыками равно или является кратным периоду колебаний вагона по крену). Обезгрузка колеса соответствует отводам ширины колеи из-за износа головки наружного рельса (угол набегания гребня увеличивается в 2 раза и более). В месте контакта гребня с изношенной боковой поверхностью рельса возникают критические соотношения вертикальной и боковой сил, что приводит к вкатыванию колеса на головку рельса. Предложенная модель этого процесса позволяет количественно характеризовать это соотношение при движении вдоль кривой по конкретным измерениям пути. Появляется мобильный компьютерный интрумент проверки кривых пути с точки зрения безопасности движения поезда и корректировки режимов его движения на данном участке. Критерием выбора режимов движения или ремонта пути является нормированное соотношение вертикальных и боковых сил в точке контакта. Отсюда следует также очень важный вывод:  главной причиной повышенного износа и сходов порожних вагонов является избыток возвышения для подвижного состава на данном участке пути. При чтении доклада демонстрируются описанные процессы.

назад

Устойчивость деформирования шаровых включений

В композитных материалах иногда используется в качестве наполнителя шаровые включения, отличающиеся по своим механическим характеристикам от основного материала. Прочность этих включений регламентирует прочность композитного материала. В качестве приближенной модели поведения таких включений рассматривается шарообразное тело, состоящее из внутреннего шара (включения), который окружен толстостенной сферой. Сфера полагается упругой, а внутренний шар имеет свойства, описываемые полной диаграммой деформирования в координатах объемные напряжения - объемные деформации. Приведен итерационный метод определения напряженно-деформированного состояния при мягкой и жесткой схемах равномерного растяжения составного тела, а также в случае усадки внутреннего шара. Получены условия сходимости и расходимости процессов. Затем система исследована на устойчивость во всех трех случаях методом теории катастроф. Далее для изучения устойчивости были применены stru-метод и R-метод, разработанные ранее для одномерных систем. При исследовании устойчивости получены условия потери устойчивости деформирования составного шара. Эти условия совпадают друг с другом и, кроме того, с условием расходимости итерационных процессов. Таким образом, на данной задаче апробированы новые методы определения момента потери устойчивости и установлена связь между потерей устойчивости и сходимостью рассмотренного итерационного процесса. Кроме того, связывая потерю устойчивости процесса деформирования с разрушением включения, определены предельные нагрузки и величина предельной усадки.

назад

СТРУКТУРНО ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОЛЗУЧЕСТИ
РЕЛАКСИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ

Построена структурно феноменологическая нелинейная модель ползучести релаксирующих материалов при одноосном нагружении. Модель описывает стадии неустановившейся и установившейся ползучести и предназначена для оценки работоспособности конструкций в области сжимающих напряжений и прогноза релаксации напряжений при длительном сроке  эскплуатации изделий. Применен  подход структурной идентификации, использованный ранее для моделирования сопротивления металла пластической деформации.
 Полная деформация представляется как   сумма упругой и пластической деформаций. Для стадии установившейся ползучести приняли пропорциональную зависимость скорости деформации ползучести от  напряжения. Превышение  скорости ползучести на первой стадии над скоростью установившейся ползучести   учли  добавкой.
На стадии неустановившейся ползучести в результате необратимой деформации в материале образуется субструктура, которая тормозит процесс ползучести, поэтому скорость деформации снижается. Сопротивление субструктуры, которое она создает для деформации ползучести выразили интенсивностью напряжений.. Субструктура не стабильна во времени, поэтому она разрушается с некоторой скоростью, которую приняли постоянной. Когда величина приложенного напряжения сравняется с сопротивлением субструктуры, то начнется стадия установившейся ползучести с постоянной скоростью деформации ползучести. При этом величина добавки скорости деформации становится равной нулю. Скорость сопротивления субструктуры пропорциональна скорости деформации ползучести и уменьшается с ростом самого сопротивления. Модель развития деформации ползучести описывается  системой обыкновенных дифференциальных уравнений с точность до параметров, правая часть которой отличается от известных структурно феноменологических моделей.
Значения неизвестных параметров модели определяли по опытным данным как на ползучесть, так и на релаксацию напряжений. Разработаны методики проведения экспериментов и программы оценки параметров модели по опытным данным.
Приводятся результаты экспериментов и идентификации модели для ряда  композиционных материалов .
Сделан прогноз работоспособности отдельных конструкций из данных материалов.
назад

МОДЕЛЬ НАКОПЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕННОСТИ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ
ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛА

Предложена скалярная модель накопления поврежденности   металла, которая описывает процесс накопления поврежденности и ее залечивание в процессе пластиче-ской деформации при непрерывном и разрывном изменении показателя напряженного со-стояния   .
Модель основана на допущении существования порогового значения показателя   , экспериментально обнаруженного для ряда марок сталей, такого, что: a) нако-пление поврежденности металла происходит только при  ; б) в случае    скорость изменения поврежденности     равна нулю; в) при   возможно два варианта:  при  , имеем  ; а при  , происходит только процесс залечи-вания микродефектов металла, т.е. уменьшение поврежденности.
С учетом высказанных предположений математическую модель процесса накопле-ния поврежденности записали в виде системы обыкновенных дифференциальных уравне-ний с точностью до параметров, в число которых также входит значение  .
На этапе возникновения и развития микротрещин при непрерывном изменении по-казателя    модель совпадает с  известными моделями поврежденности. Однако введение порогового значения   позволяет уточнить границы этого этапа и разделить процесс на-копления поврежденности на два различных по своей физической природе процесса v роста и залечивания микродефектов металла.
Возможность разрывного (скачком) изменения показателя напряженного состояния также отличает предложенную  модель от известных. Разрывное изменение показателя    учитывается дополнительным слагаемым в системе дифференциальных уравнений моде-ли, содержащим дельта-функцию Дирака, а производная    понимается в обобщен-ном смысле.
Излагается процедура идентификации параметров модели по опытным данным. Приведены примеры модели для меди и двух марок стали. 
назад

Метод определения диаграммы деформирования по результатам
опыта на чистый изгиб прямоугольной балки

В механике материалов существует проблема достоверного экспериментального определения свойств материала на всех стадиях его деформирования и особенно на закритической стадии. Непременное условие эксперимента состоит в сохранении однородного напряженно-деформированного состояния, что не всегда удается осуществить (например, появляется шейка в образце). Одним из возможных путей решения этой проблемы является испытание специальных элементов конструкций с последующим пересчетом данных эксперимента на свойства материала. Такие обратные задачи часто возникают в физике, технике и других отраслях знаний. Как правило, они относятся к классу некорректных задач. В данном сообщении рассматривается конструктивный элемент в виде балки прямоугольного сечения, подвергнутой чистому изгибу. Предлагается метод пересчета экспериментальной диаграммы изгибающий момент - кривизна в диаграмму растягивающее напряжение - продольная деформация. Предположения: деформации по сечению распределены линейно, при сжатии материал сохраняет упругость, при растяжении кроме упругости обладает упрочнением и даже возможно разупрочнением. При пересчете в силу некорректности задачи получается характерная пилообразная кривая. Реализация решения проводится методом подбора. Для проверки методики проведен эксперимент по изгибу прямоугольных образцов из серого чугуна. Пересчет дал удовлетворительное совпадение с результатами равновесного вплоть до разрушения растяжения цилиндрических микрообразцов из того же материала.
назад

Использование приборов ферритометровдля ранней диагностити трещинообразования в сталях аустенитного класса

 При изготовлении и эксплуатации изделий из аустенитных сталей в них может образовываться мартенсит напряжения или мартенсит деформации. Появление незначительного количества ферромагнитной фазы приводит к ухудшению коррозионной стойкости, повышенной пластичности, жаростойкости и жаропрочности.
На протяжении ряда лет авторы использовали разработанные в Уральском отделении РАН ферритометры феррозондового класса с датчиками локального типа для экспресс-контроля количества феррита в материале аустенитных сталей. Разработанные локальные датчики карандашного типа позволяют проводить

оперативную оценку количества -фазы в различных местах крупногабаритных конструкций, как в лабораторных условиях, так и непосредственно в условиях завода при наличии больших магнитных масс вблизи мест контроля.
Феррозондовый прибор Ф-01 применялся для измерения магнитной проницаемости и количества -фазы в листах марганцовистой аустенитной стали 45Г17Ю3 и позволял выявлять наличие ферритных включений уже с 0,5-1%. Для диагностики количества -фазы в сварных швах хромоникелевых сталей типа 12Х18Н10Т применялся прибор ферритометр ФМ-3 и ФМ-3М с датчиком локального типа, который позволял контролировать содержание феррита в диа-пазоне 0,5-12 %.
На безникелевых аустенитных сталях 05Г21Х13, 07Г19АХ13 и 05Г20С2 изучалось влияние непрерывного упругопластического деформирования на процесс образования ферромагнитной фазы. Использование усовершенствованного датчика карандашного типа позволило выявлять локализованные зоны, в которых происходило образование шейки разрыва. Появление -фазы всегда предшествовало возникновению шейки.
Для марганцовистых аустенитных сталей 05Г20С2 и 05Г21Х13 проводи-лись испытания на малоцикловую усталость,  с коэффициентом ассиметрии цикла R = 0,1 на плоских компактных образцах по схеме внецентрального рас-тяжения. На различных этапах обработки проводились измерения ферритной фазы локальным методом. В результате было получено, что появление -фазы в количестве 3-5 % предшествует появлению трещины в исследуемых образцах.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что приборы ферритометры хорошо зарекомендовали себя, как средство неразрушающего контроля при ранней диагностике зон локальной пластической деформации и очагов трещинообразования в сталях аустенитного класса.
назад

О вариационном принципе скоростей и напряжений.

Как известно вариационный принцип скоростей и напряжений получен в предположении о симметричности тензора напряжений, т.е. при условии отсутствия распределенных по объему моментов и поверхностных пар.
В докладе предлагается вариант вывода вариационного принципа с учетом наличия распределенных моментов и поверхностных пар. Такие эффекты могут возникать, например, при взаимодействии некоторых кристаллических диэлектриков с электромагнитным полем.
При выводе вариационного уравнения несимметричный тензор механических напряжений был представлен в виде суммы симметричной и антисимметричной составляющих, аналогично разложению тензора градиента скорости. Свертка симметричных составляющих этих тензоров имеет смысл мощности механических напряжений, а свертка антисимметричных - мощность поверхностных пар.
назад

The Barkhausen Effect as study method of alloys phaze inhomogeneities.

Influence of the structural state of the Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉ alloy on emf of the Barkhausen jumps flux, which is averaged over the period of reversal magnetization () was investigated. was measured with a lay-on sensor in samples in the form of strips. The Barkhausen jumps flux was observed visually on an oscilloscope screen [1].

It is shown that in the Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉ alloy in amorphous state is twice as low as that in nanocrystalline one. The analysis of the amplitudes of the Barkhausen jumps flux shows that the distribution of the Barkhausen jumps over a field obeys the Gauss law in the amorphous alloy. It may be caused by the presence of a large number of fine regions of reversal magnetization with various randomly distributed start fields in the sample. In the oscillogram of the envelope of the Barkhausen jumps flux for the Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉ alloy in the nanocrystalline state two intervals of start fields are revealed. This is due to the presence of two magnetic phases: the remnant of the amorphous phase and the nanocrystalline one.

Destabilization of domain walls in the Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉ nanocrystalline alloy by means of the thermomagnetic treatment in ac magnetic field [2] increases mobility of domain walls and thus narrows the interval of start fields. Hence, is reduced by 30% compared with for the stabilized domain structure.

It should be noted that the classical method of the domain structure destabilization — quenching into water from the Curie temperature — increases in the Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉ nanocrystalline alloy. This is due to the presence in this alloy of ?-Fe-Si grains with magnetostriction . Therefore, significant internal stresses appear in the specimen, which lead to the increase of .

This work was supported by Ural RFFI № 01-02-96442.

 

[1] G. S. Korzunin and A. G. Lavrent'ev, Russian Journal of Nondestructive testing, Vol. 35, No.6, June, 1999, pp. 427-429.

[2] Shulika V. V., Potapov A. P., “Non-linear Electromagnetic Systems”, IOS Press, 1998, pp. 579-581.

назад

О МОДЕЛИРОВАНИИ РЕСУРСА ПЛАСТИЧНОСТИ   МЕТАЛЛОВ

Решается задача моделирования и расчета ресурса пластичности монокристаллического металла, изготовленного из цинка технической чистоты. В предложенной модели условие пластического деформирования металла без разрушения в каждой точке исследуемой области принимается в виде числового  неравенства на функционал, значения которого определяют ресурс пластичности. Он зависит от величины деформации, интенсивности скоростей деформации сдвига и показателей напряженного состояния. Считается, что пластическая деформация сопровождается непрерывным образованием и развитием микродефектов. Процесс разрушения не мгновенный, а развивающийся на каждой стадии деформирования металла, число которых меняется от пяти до восьми. На последней стадии деформирования происходит разрушение; при этом ресурс пластичности равен нулю.  
Расчет перемещений, деформаций и скоростей деформаций производится на основе экспериментальных данных, полученных методом сеток с последующей аппроксимацией их двумерными  рациональными функциями на каждой, кроме последней, стадиях деформирования. Предложенная модель разрушения позволяет в полном объеме использовать экспериментальные данные при анализе ресурса пластичности и изучении геометрии образования трещин деформируемого образца. В компьютерной реализации модели использован, в частности, пакет прикладных программ Matlab.
     Результаты расчетов, проведенные для монокристаллических материалов, изготовленных из сплава цинка технической чистоты, показывают, что ресурс пластичности уменьшается достаточно равномерно и почти линейно лишь на первых стадиях деформирования. На стадиях деформирования, составляющих от 65 до 70 процентов предельной, предсказание места разрушения и геометрии образования трещин осуществляется с высокой (до долей миллиметра) степенью точности. Полученные результаты хорошо согласуются с характером деформации монокристаллического металла с единым фактором Шмидта. Разрушение таких металлов происходит вдоль фиксированной прямой, определяемой углом наклона линии скольжения кристаллической решетки к оси растяжения.
Работа выполнена при частичной поддержке гранта CRDF
назад

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СКОРОСТИ УЛЬТРАЗВУКА ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА УСТАЛОСТНО-НАГРУЖЕННЫХ СТАЛЕЙ

В процессе циклического нагружения происходит изменение физи-ческих и механических свойств. Для определения изменений физических свойств в данной работе использовали ультразвуковой анализ. Он заклю-чается в измерении скорости прохождения ультразвуковых волн через об-разец. Если образец нагружен или имеет дефекты, скорость ультразвука уменьшается. Кроме того, ультразвуковая волна, встречая препятствие на своем пути в виде микротрещины, затухает. Скорость ультразвука позво-ляет обнаружить зарождение трещины еще на ранних стадиях.
В работе, в качестве метода неразрушающего контроля стальных изделий, применялся метод автоциркуляции импульсов, который заключа-ется в прохождении по образцу ультразвукового импульса и преобразова-нии его в приемном пьезопреобразователе в электрический сигнал, форми-рующий следующий вводимый в образец импульс. При этом частота авто-циркуляции импульсов зависит от времени пробега импульсом расстояния между пьезопреобразователями, а значит (при неизменном расстоянии ме-жду преобразователями) v от скорости распространения ультразвука в об-разце. Данный метод нашел свое применение в приборе ИСП-12.
Исследование зависимостей изменений скорости ультразвука про-водили по изменениям частоты прохождения ультразвуковых волн через объект. Скорость ультразвука прямо пропорциональна частоте ультразву-ковых волн и вычисляется по формуле V=l*f, где l v расстояние между датчиками пьезопреобразвателя, а f v частота прохождения ультразвуко-вых волн через объект. Т.к. в процессе эксперимента расстояние между датчиками оставалось неизменным и в работе проведен анализ относи-тельных изменений, то на результаты экспериментов не будет влиять то, что за относительное изменение скорости ультразвука принято относи-тельное изменение частоты прохождения ультразвуковых волн.
В процессе нагружения наблюдается падение скорости ультразвука. При многоцикловой усталости это падение составляет 0,5%. Наблюдаемое падение существенно, т.к. погрешность прибора, с помощью которого про-водили измерения, составляет 0,01%. Вид кривой зависимости Lотноси-тельное изменение скорости ультразвука от числа циклов нагружения¦ - V/V0(N) представляет собой убывающую кривую. Эта кривая имеет три стадии изменения скорости ультразвука. На первой стадии, продолжитель-ностью около 20000 циклов нагружения, происходит сравнительно бы-строе, но замедляющееся к концу уменьшение скорости ультразвукова. На втором этапе v он наиболее длительный и для данных образцов составляет 100000 циклов нагружения v скорость распространения ультразвукового импульса линейно убывает с ростом числа циклов и это изменение практи-чески не заметно. При наступлении заключительного этапа, при нагруже-нии до 150000 циклов, скорость ультразвука резко падает. В процессе дальнейшего нагружения до 180000 циклов начинают образовываться мак-ротрещины и скорость ультразвуковых волн не улавливается.
Подобный характер зависимости V/V0(N) является очень удобным для диагностирования состояния материала в изделиях, эксплуатируемых в условиях циклического нагружения.
назад

ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТЫ УЛЬТРАЗВУКА В    МАТЕРИАЛЕ С УСТАЛОСТНЫМИ ДЕФЕКТАМИ АВТОЦИРКУЛЯЦИОННЫМ МЕТОДОМ

Автоциркуляционный метод заключается в измерении резонансной частоты, которая автоматически устанавливается между излуча-телем и приемником с помощью возбуждения в излучателе  импуль-са в момент прихода ультразвуковой в приемник. Частота автоцир-куляции зависит от длины ультразвукового пути. При различном со-стоянии материала (усталостные трещины, поры) изменяется длина ультразвукового пути и по изменению резонансной частоты можно судить о степени поврежденности материала. Многочисленные экс-периментальные показывают три этапа снижения частоты от числа циклов и при этом  эволюция микроструктур, указывает на разрых-ление материала. Поэтому в настоящей работе  предлагается теоре-тическая модель прохождения ультразвука по материалу с усталост-ными трещинами в приближении воздушной пробки. Суть этого приближения состоит в том, что ультразвуковой тракт представляет-ся в виде трех слоев: бездефектный матриал-воздушная прослойка- бездефектный материал. Решение полученного уравнения позволяет определить зависимость резонансной частоты от эффективных раз-меров дефектной зоны.
назад

ДИАГНОСТИКА МЕТАЛЛА КОНСТРУКЦИЙ БОЛЬШЕГРУЗНЫХ
КРАНОВ.

В горнодобывающей и металлургической промышленности в основном используются большегрузные краны, оценка надежности которых в промышленных регионах становится очень важной социальной проблемой. Традиционные методы контроля (рекомендуемые соответствующими ГОСТами и руководящими документами), как правило, используются при ремонтах кранов и отличаются невысокой технологичностью. С точки зрения механики разрушения определяются опасные места и наносятся реперные точки, за которыми в дальнейшем ведется наблюдение.
Существенным препятствием для использования ультразвукового контроля в подъемном оборудовании является наличие многочисленных клепаных и болтовых соединений, являющихся концентраторами напряжений. Наличие сварных соединений требует полной зачистки швов, однако, несмотря на большую трудоемкость, применение ультразвуковой дефектоскопии не позволяет получать достоверную информацию о наличии дефектов и степени их опасности
В связи с этим актуальным становится разработка и внедрение новых технологий неразрушающего   контроля применительно к большегрузным подъемным механизмам.
Предлагается использование акустической эмиссии в качестве метода контроля конструкций, работающих в наиболее экстремальных условиях. Для решения данной задачи проведен ряд экспериментов на элементах конструкций и сделано теоретическое обоснование применения методики. Доказано, что наиболее информативным параметром, характеризующим наличие развивающегося дефекта, является распространение поперечной волны. Исходя из этого разработана система преобразователь - предварительный усилитель для регистратора сигналов акустической эмиссии. Частотный диапазон сигналов от нагружаемых болтовых и клепаных соединений предварительно определяется анализатором спектра параллельного типа, что позволяет выделить частотный диапазон регистрации волн напряжений от развивающихся дефектов. Местоположение определяется с помощью многоканальной системы акустико-эмиссионной диагностики.
назад

 ОЦЕНКА РЕСУРСА РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПО ИЗМЕНЕНИЮ СКОРОСТИ ЗАТУХАНИЯ УЛЬТРАЗВУКА В МЕТАЛЛЕ КОНСОЛИ БОЛЬШЕГРУЗНОГО ПОДЪЕМНОГО КРАНА

Оценка ресурса работоспособности тяжелонагруженных конструкций требует детального изучения физико-механических свойств применяемых материалов. Увеличение стоимости уникальных сооружений с одной стороны и определение закономерностей развития дефектов различного происхождения v металлургических, сварочных, технологических с другой, а также своевременное их обнаружение позволят увеличить ресурс работоспособности в несколько раз. При этом следует учитывать, что большинство конструкций подобного типа работают в условиях малоциклового нагружения.
Была произведена оценка остаточного ресурса работоспособности стали 10Г2С1, использованной для изготовления крана-перегружателя, который потерпел аварию вследствие нарушений технологических режимов сварки при сборке, нарушения режимов эксплуатации и недостаточно тщательного контроля при плановых осмотрах.
По вышеуказанным причинам в сварном шве консоли крана возникли усталостные трещины, на изломах которых можно выделить ряд зон усталостного разрушения:
- зона с характерными радиальными полосками - начало развития трещины;
- зона усталостного разрушения, не имеющая выхода на поверхность;
- зона усталостного разрушения, имеющая контакт с окружающей средой и, вследствие этого, окисленную поверхность и грубый рельеф;
- зона долома с характерным для данной стали рельефом.
Для более детального рассмотрения поверхности излома был проведен фрактографический анализ с помощью растрового электронного микроскопа.
Испытания на малоцикловую усталость производились на образцах для консольного изгиба, нагрузка соответствовала эксплуатационной.
Получено, что образцы, вырезанные из зоны вблизи зоны разрушения, обладают меньшей стойкостью v 3400 циклов, вместо 3800-4000 циклов для образцов, вырезанных из середины несущей балки.
Для определения скорости затухания ультразвука использовался прибор ИСП-12.Измерения проводились через каждые 500 циклов нагружения. Показано, что изменение скорости ультразвука тем значительнее, чем ближе был вырезан образец к зоне разрушения консоли, то есть чем больше начальная поврежденность металла, тем явнее происходит изменение скорости ультразвука.
назад

Идентификация моделей и Диагностика технического состояния современных машин

Техническая диагностика представляет теорию, методы и средства обнаружения и поиска дефектов и неисправностей объектов технической природы [ 1 ] и является одним из источников существенного повышения надежности машин. Широкое применение средств технической диагностики позволяет отслеживать техническое состояние конструкции или машины, предупреждать приближающие отказы, выбирать оптимальные планы технического обслуживания и ремонта и вовремя переходить на щадящий режим эксплуатации. Наблюдение фазовых координат имитационной системы в процессе функционирования системы в рабочем режиме или при проведении спланированных эксперименов резко расширяет возможности системы диагностирования. Особенно информативны различного рода счетчики и индикаторы нагруженности, поврежденности и ресурса; в авиации уже длительное время используют десятки и более встроенных датчиков в штатном режиме работы (датчики перегрузок, углов, угловых скоростей, виброперегрузок в различных местах конструкции и т.д.). Встроенные системы параметрического диагностирования могут осуществлять только мониторинг без выдачи диагностического заключения о неисправностях, оставляя заключение оператору , пилоту, техническому персоналу. Встроенные бортовые системы с учетом новых возможностей бортовых ЭВМ (могут использоваться предлагаемые в настоящем докладе имитационные модели постепенного отказа и схемы диагностирования на ее основе), миниатюризация датчиков и повышения их надежности (позволяют увеличить их число) значительно облегчают и ускоряют постановку диагноза и обеспечить большую глубину диагностирования.

1. “Машиностроение”. Энциклопедия. Ред.совет: К.В.Фролов (пред.) и др; М.: Машиностроение. Т.4-3: “Надежность машин”/В.В.Клюев, В.В. Болотин, Ф.Р. Соснин и др; М.: Машиностроение, 1998. c.-39, 61-64, 70, 84, 289-333.
2. Дергунов Н.П., Габигер В.В., Севостьянов А.Д., Чернышев Е.И. Схема процесса старения (модель параметрического отказа). Международная конференция “Разрушение и мониторинг свойств металлов”. Екатеринбург. Май 2001 г.
3. Дергунов Н.П., Габигер В.В., Шаманин А.П. Об индивидуализированных моделях деградации и катастроф в элементах механических систем. Международная конференция “Разрушение и мониторинг свойств металлов”. Екатеринбург. Май 2001 г.
4. Дергунов Н.П.О современной теории надежности машин. Международная конференция “Разрушение и мониторинг свойств металлов”. Екатеринбург. Май 2001 г.
5. Дергунов Н.П., Габигер В.В., Севостьянов А.Д., Чернышев Е.И. Модель восстановления в современной теории надежности машин. Система синтеза ремонтных воздействий. Международная конференция “Разрушение и мониторинг свойств металлов”. Екатеринбург. Май 2001 г.

назад

Модель восстановления в современной теории надежности машин. Система синтеза ремонтных воздействий

назад

СХЕМА ПРОЦЕССА СТАРЕНИЯ (МОДЕЛЬ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ОТКАЗА)

Наряду с традиционными направлениями теории надежности машин и конструкций (статистический анализ нагрузок, воздействий и механических свойств материалов, обоснование выбора нагрузок и их сочетаний, методология назначения коэффициента запаса – описаны в [ 1, 2 ]) получают развитие новые направления теории надежности: методология оценки надежности и остаточного (безопасного) срока службы технического объекта с целью принятия решения о его дальнейшей эксплуатации; методы прогнозирования надежности по расчетным схемам, максимально приближенным к реальным объектам, в частности, с широким использованием статистического вычислительного эксперимента.

Обеспечение надежности и безопасности эксплуатации ответственных машиностроительных конструкций диктует необходимость оценки выработанного ресурса в опасных зонах конструктивных узлов и анализа скорости накопления повреждений в этих зонах в процессе эксплуатации. Эта проблема приобрела особое значение, поскольку преждевременный выход из строя узлов, которые определяют безопасность и надежность машины в целом, может привести к значительным материальным и моральным потерям, снятие же с эксплуатации машин, формально выработавших свой назначенный ресурс, но не исчерпавших свою фактическую долговечность, приводит к неоправданным дополнительным затратам. Возникает все более актуальная проблема продления назначенного срока службы и ресурса. Эксплуатационные условия узлов характеризуются многопараметрическими воздействиями, взаимодействием с внешней средой (в том числе полей различной природы), приводящими к развитию различных механизмов деградации начальных прочностных свойств конструкционных элементов и, в конечном итоге, исчерпанию ресурса конструктивных узлов объекта. Процессы исчерпания ресурса являются многомерными, многостадийными, сильно нелинейными, взаимосвязанными и в значительной степени (чаще непосредственно) зависящими от конкретных условий изготовления и эксплуатации индивидуального объекта. Все изготовленные конструкции содержат те или иные начальные дефекты [ 1 ].

В докладе излагается критика традиционных методов теории надежности и изложенных в [ 1, 2, 3 ] предлагаемых направлений и описывается иной подход к синтезу имитационной модели старения и восстановления, основанный на представлении вектора износа элементов системы в пространстве состояния естественных технических показателей функционирования системы и на основе имитационных моделях функционирования каждой технической системы, которые обычно апробированы в практике исследования (они являются основой для статистического имитационного моделирования [ 4, 5, 6 ]), проектирования и эксплуатации и позволяет получать все интересующие динамические, статические и системные показатели машины, а, главное, текущую вектор – функцию влияющих на деградацию нагрузок на каждый элемент машины с момента начала функционирования. Такая модель идентифицируется по фрагментам функционирования системы и по специальным экспериментам, планируемым при изменении режимов работы машины или целей, для которых она используется. Имитационная модель постоянно проверяется на адекватность по невязке реального и модельного функционирования. Имитационная модель дополняется онтологической или феноменологической многомерной поверхностью отклика скоростей износа наблюдаемых деталей машины от многомерного вектора нагрузок на них и вектора состояния системы. Кроме того, многомерная поверхность отклика по мере уточнения математического описания машины (идентификации по мере появления фактов функционирования), уточнения целей использования машины и условий эксплуатации проверяется на адекватность и соответственно корректируется. Модель деградации имеет обратную связь по текущему математическому описанию истории силовых и кинематических факторов.

Литература

1. “Машиностроение”. Энциклопедия. Ред.совет: К.В.Фролов (пред.) и др; М.: Машиностроение. Т.4-3: “Надежность машин”/В.В.Клюев, В.В. Болотин, Ф.Р. Соснин и др; М.: Машиностроение, 1998. c.-39, 61-64, 70, 84, 289-333.
2. А.С. Проников “Макротрибология – основа теории параметрической надежности машин”. Труды международной конференции “Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте”.Часть 2. Самара: СГТУ, 1999.- c.34.
3. Ремонт автомобилей: Учебник для ВУЗов/ Л.В. Дехтеринский и др.; Под ред. Л.В. Дехтеринского: - М.: Транспорт, 1992.- 295 с.
4. И.Г. Железнов. Сложные технические системы ( оценка характеристик). М.: Высш. шк., 1984.-119с., ил.
5. Г.И.Бутко, В.А. Ивницкий, Ю.П. Порывкин. Оценка характеристик систем управления летательными аппаратами. М.: Машиностроение, 1983, - 272с., ил.
6. А.В. Ильичев, В.Д. Волков, В.А. Грущанский. Эффективность проектируемых элементов сложных систем. М.: Высш. шк., 1982,-280с., ил.
7. Дергунов Н.П., Габигер В.В., Шаманин А.П. Об индивидуализированных моделях деградации и катастроф в элементах механических систем. Международная конференция “Разрушение и мониторинг свойств металлов”. Екатеринбург. Май 2001 г.
8. Дергунов Н.П.О современной теории надежности машин. Международная конференция “Разрушение и мониторинг свойств металлов”. Екатеринбург. Май 2001 г.
9. Дергунов Н.П. Система диагностики. Международная конференция “Разрушение и мониторинг свойств металлов”. Екатеринбург. Май 2001 г.
10. Дергунов Н.П., Габигер В.В., Севостьянов А.Д., Чернышев Е.И. Модель восстановления в современной теории надежности машин. Система синтеза ремонтных воздействий. Международная конференция “Разрушение и мониторинг свойств металлов”. Екатеринбург. Май 2001 г.

назад

О современной теории надежности машин.

Литература

1. “Машиностроение”. Энциклопедия. Ред.совет: К.В.Фролов (пред.) и др; М.: Машиностроение. Т.4-3: “Надежность машин”/В.В.Клюев, В.В. Болотин, Ф.Р. Соснин и др; М.: Машиностроение, 1998. c.-39, 61-64, 70, 84, 289-333.
2. А.С. Проников “Макротрибология – основа теории параметрической надежности машин”. Труды международной конференции “Надежность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте”.Часть 2. Самара: СГТУ, 1999.- c.34.
3. Ремонт автомобилей: Учебник для ВУЗов/ Л.В. Дехтеринский и др.; Под ред. Л.В. Дехтеринского: - М.: Транспорт, 1992.- 295 с.
4. Дергунов Н.П., Габигер В.В., Шаманин А.П. Об индивидуализированных моделях деградации и катастроф в элементах механических систем. Международная конференция “Разрушение и мониторинг свойств металлов”. Екатеринбург. Май 2001 г.
5. Дергунов Н.П.О современной теории надежности машин. Международная конференция “Разрушение и мониторинг свойств металлов”. Екатеринбург. Май 2001 г.
6. Дергунов Н.П., Габигер В.В., Севостьянов А.Д., Чернышев Е.И. Схема процесса старения (модель параметрического отказа). Международная конференция “Разрушение и мониторинг свойств металлов”. Екатеринбург. Май 2001 г.
7. Дергунов Н.П. Система диагностики. Международная конференция “Разрушение и мониторинг свойств металлов”. Екатеринбург. Май 2001 г.
8. Дергунов Н.П., Габигер В.В., Севостьянов А.Д., Чернышов Е.И. Модель восстановления в современной теории надежности машин. Система синтеза ремонтных воздействий. Международная конференция “Разрушение и мониторинг свойств металлов”. Екатеринбург. Май 2001 г.
9. И.Г. Железнов. Сложные технические системы ( оценка характеристик). М.: Высш. шк., 1984.-119с., ил.
10. Г.И.Бутко, В.А. Ивницкий, Ю.П. Порывкин. Оценка характеристик систем управления летательными аппаратами. М.: Машиностроение, 1983, - 272с., ил.
11. А.В. Ильичев, В.Д. Волков, В.А. Грущанский. Эффективность проектируемых элементов сложных систем. М.: Высш. шк., 1982,-280с., ил.

назад

О долговечности магистальных и технологических трубопроводов

Магистральые, технологические и промысловые газонефтепроводы представляют собой сложные инженерные конструкции. Подземная, наземная и надземная прокладки трубопроводов, подводные переходы, различные виды электрохимзащиты от коррозии, особенности технологии строительства и конструктивных решений создают широкий вероятностный спектр параметров прочности и долговечности различных участков трубопроводов.

Прикладным и теоретическим вопросам изменений основных параметров технологических процессов перекачки нефти и газа по трубопроводам в условиях стационарного и неустановившихся движений посвящены фундаментальные исследования [ 1-3 ]. Предложены методы и аналитические выражения для решения практических задач. В [1 (глава 4.7), 3 ] рассмотрены основные направления совершенствования теории прочности как основы проектирования конструкции трубопроводов, изложены оценки сроков службы, индивидуального остаточного ресурса и ускоренных эквивалентных испытаний, даны рекомендации по выбору конструктивных параметров элементов магистральных и технологических трубопроводов, оценена выносливость элементов наземных участков трубопроводов для заранее определенных видов нагружения материала. Насколько полно указанные методы позволяют учесть длительность и сложность процессов механического и теплового нагружения, агрессивность среды и предсказать появление предельных состояний, наблюдаемых при эксплуатации, настолько обоснованно с их помощью можно прогнозирвать надежность и работоспособность трубопроводной системы. Методы расчета должны обеспечивать поддержку при расчете надежности и безопасности участков на всех этапах жизненного цикла трубопроводов: нахождение оптимальных конструктивных решений, рациональный выбор трассы, объемов диагностики их технического состояния в процессе строительства и эксплуатации, капитального ремонта и реконструкции, должны позволять подготовить рекомендации для персонала по их действиям в потенциальных нештатных ситуациях. Это способствует уменьшению потерь транспортируемого продукта, снижению технического обслуживания, потенциальной опасности для населения и персонала, для промышленных и гражданских сооружений, находящихся в зоне трубопровода, для флоры и фауны, индивидуального риска (приносимого ущерба) для персонала и населения. Указанные вопросы решаются на основе нового аксиоматического подхода: под действием некоторого стохастического нагружения (предельный процесс нагружения) материал или элемент конструкции переводится из некоторого начального состояния в определенное предельное состояние за данный промежуток времени. При этом используется блочно-иерархический подход, состоящий в расчлененении представлений о конструкции и построении математических моделей для различных уровней абстрагирования. Конструкция каждого из участков трубопровода формируется с помощью системы двадцати неделимых обобщенных конструктивных элементов, для которых записываются основные соотношения теории надежности и долговечности. Основные нагрузки (внутреннее давление, аэро – и гидродинамические силы) представляются в виде конечных рядов Фурье и устанавливаются расчетные амплитудно – частотные характеристики этих нагрузок. Для подземных участков определяется распределение продольных компонент напряжений с учетом рельефа и особенности местности, состояния грунта (гористый, равнинно – холмистый, пустынный, болотистый, подрабатываемые территории и территории, подверженные карстовым явлениям, вечно – мерзлые грунты, промерзающий пучинистый грунт при возможном криогенном растрескивании и т.д.).

В настоящем докладе проводится критический анализ методов [1 (глава 4.7), 3 ] и предлагается подход, основанный на статистическом имитационном моделировании (вычислительные эксперименты по законам распределения параметров внешней среды и элементов конструкции ) с определением текущих законов распределения наработок всех значимых элементов трубопровода. Текущая скорость исчерпания ресурса каждого элемента определяется по текущему состоянию материала, а прогноз наработки для каждой реализации по соответствующей реализации нагрузок, полученной по прогнозу модельного функционирования трубопровода в данной реализации. Таким образом исключается применяемая во всех современных методах надежности очень громоздкая процедура прогноза ресурса, основанная на предварительном определении статистических характеристик нагружения. Адекватность столь сложной процедуры (см. [1 (глава 4.7), 3 ]) может быть установлена только после статистической обработки модельных наработок (по текущему запасу представительных выборок вычислительного эксперимента) в вычислительном эксперименте с вертуальной реальностью. Адекватность имитационной модели, как известно, уже определяется большим опытом расчетов прочности с учетом динамических составляющих нагрузок, а также контролируемой точностью создания онтологических и феноменологических моделей. Методика имитационного моделирования больших систем по законам распределения характеристик ее элементов также апробирована [4, 5,6 ]. Современная конфигурация повсеместно распространенных персональных компьютеров и их программное обеспечение позволяют обеспечивать расчет всех текущих указанных выше характеристик надежности в реальном времени всего жизненного цикла трубопроводов. Различные аспекты предлагаемого подхода изложены в [7 – 11].

Продолжим анализ известных методов. Например, указанная выше амплитудно – частотная интерпретация характеристик нагрузок не учитывает основного свойства моделей деградации – многомерности. В этом случае требуется использовать матричные передаточные функции. При использовании конечных рядов Фурье это возможно, однако статистическая точность такого преобразования очевидно низка из-за ошибок линеаризации, дискретности и малой точности используемой эквивалентной нагрузки (длина реализации, число реализаций нагрузок, степень их эргодичности и т.д.).

Далее, предложенный подход очевидно более эффективен по сравнению с методами Б.И. Завойчинского, в которых:

Расчет ресурса и вероятности разрушения (потока разрушений) участков трубопровода базируются на критериальных условиях, учитывающих различные действительные нагружения участков как функции времени, и на аппроксимациях кривых длительной и циклической прочности основного металла, сварных соединений и соединительных деталей. Кривые являются функциями основных параметров времени, нагружения и концентраторов напряжений.

Воздействие коррозионно – активных сред на металл элементов учитывается параметрами кривых его длительной и циклической прочности, как функциями номера группы по классификации коррозионных процессов в трубопроводах.

Процесс накопления повреждений в элементах находится с учетом воздействия сред с различной коррозионной активностью при различной степени их защищенности от коррозии. Затем определяется вероятность появления трещин, их количество и потенциальные объемы утечки продукта. Далее вычисляют различные риски: профессиональный (для персонала компрессорных и насосных станций), промышленный (разрушение зданий и сооружений), свободно принимаемый (для населения близлежащих населенных пунктов), общеприродный (для флоры и фауны), участковый конструкционный (безопасная эксплуатация участка для людей, флоры и фауны на территории, прилегающей к участку трубопровода, в течение срока службы).

Научный руководитель работы д.т.н., профессор кафедры “Эксплуатация горного оборудования” Уральской Государственной горно-геологической академии (УГГГА), лауреат Ленинской премии Дергунов Н.П.

1. “Машиностроение”. Энциклопедия. Ред.совет: К.В.Фролов (пред.) и др; М.: Машиностроение. Т.4-3: “Надежность машин”/В.В.Клюев, В.В. Болотин, Ф.Р. Соснин и др; М.: Машиностроение, 1998. c.-39, 61-64, 70, 84, 289-333.
2. С.Г. Щербаков. Проблемы трубопроводного транспорта нефти и газа. – М.: Наука, 1982. – 206 с.: ил.
3. Б.И. Завойчинский. Долговечность магистральных и технологических трубопроводов. Теория, методы расчета проектирование. – М.:Недра, 1992. – 271 с.: ил
4. И.Г. Железнов. Сложные технические системы ( оценка характеристик). М.: Высш. шк., 1984.-119с., ил.

назад

Влияние деформации и отжига на структурную стабильность и магнитные свойства слабомагнитных аустенитных Fe-Mn и Fe-Cr-Mn сталей, используемых в судостроительной и электротехнической промышленности.

Для некоторых марганцевых аустенитных сталей предъявляются не только традиционные требования по механическим свойствам, но в качестве служебных характеоистик выступают и магнитные свойства. Так парамагнитные стали 45Г17Ю3 и 90Г14Ю1, благодаря хорошим прочностным и коррозионным свойствам, используются в качестве немагнитных корпусных элементов. Однако технологические и эксплуатационные деформации, а также высокие температуры могут привести к изменению структуры и служебных магнитных свойств. Действительно, после холодной пластической деформации данные парамагнитные стали имеют отчетливую гистерезисную зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля. Последующий отжиг при температурах 500-550С вообще переводит данные слабомагнитные стали в достаточно сильные ферромагнетики. Структурные и магнитометрические исследования показали,что причиной такого превращения является образование фрагментированных полос некристаллографического сдвига при пластической деформации, в которых формируются дисперсные ферромагнитные кристаллы мартенсита толщиной 10-15 нм. Увеличение степени деформации приводит к увеличению намагниченности, не изменяя коэрцитивную силу, что свидетельствует об увеличении концентрации кристаллов мартенсита при сохранении размеров отдельных кристаллов. Обнаружен деформационно-активируемый распад аустенита при температурах 450-500С, который переводит стали из парамагнетиков в разряд сильных ферромагнетиков с содержанием феррита до 40%. Показано,что вернуть служебные и структурные свойства можно посредством отжига в течении 1 часа при температуре 700С, что обусловлено обратным превращением мартенсита в аустенит.
    Высоколегированные аустенитные стали 40Х4Г18Ф и 50Х4Г18 используются в качестве немагнитных бандажных колец электродвигателей и турбогенераторов. Технология их изготовления предусматривает их пластическую деформацию и отжиг при Т=500С. В этих сталях нами обнаружен распад аустенита после деформации и последующего отжига при температурах 400-600С с образованием  1,3% феррита, что увеличивает энергетические потери. Возврат служебных свойств возможен только после отжига в течение 1 часа при температуре 650С, что обусловлено распадом феррита.
назад

ЗАВИСИМОСТЬ БЕЗОПАСНОСТИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО

ТРАНСПОРТА ОТ НАДЕЖНОСТИ ВАГОНОВ ПРИ

ПЕРЕВОЗКЕ ОПАСНЫХ ГРУЗОВ.

Перевозка опасных грузов необходима для нормального функционирования экономики любой страны, поскольку существует необходимость доставки сырья производящим предприятиям и конечной продукции в районы ее потребления. Развитие промышленности приводит к тому, что вредных и опасных веществ становится все больше. Опасные грузы составляют ныне едва ли не четверть всего объема перевозок по железным дорогам. Они имеются практически в каждом движущемся составе.

Несмотря на значительные усилия, затрачиваемые на обеспечение безопасной перевозки опасных грузов, имеются довольно частые случаи аварий, приводящие к утрате груза, транспортных средств и сооружений, загрязнению окружающей среды, причиняющие ущерб здоровью людей, и приводящие к колоссальным материальным потерям.

Одним из основных факторов, приводящих к подобного рода ситуациям, является нарушение правил производства маневровых работ на станциях и подъездных путях. Кроме того, при имеющих место нарушениях правил перевозки, аварийная ситуация усугубляется недостатком конструктивного исполнения ряда узлов вагонов.

Таким образом, одним из основных вопросов повышения безопасности движения при транспортировке опасных грузов по железным дорогам страны является модернизация существующего парка вагонов с последующей разработкой и изготовлением нового поколения подвижного состава для перевозки опасных грузов, значительную часть из которых составляют грузы второго класса - газы сжиженные и растворенные под давлением, сжатые газы. Решение этих вопросов требует проведения научно-исследовательских работ, при проведении которых должен быть учтен международный опыт конструктивного исполнения цистерн. Поэтому для определения путей и средств по повышению безопасности вагонов-цистерн отечественного производства, перевозящих сжиженные газы при аварийных ситуациях, был проведен анализ конструкций аналогичных вагонов-цистерн, эксплуатирующихся за рубежом, результаты которого излагаются в докладе.

назад

Об условиях прочности для нелинейно-упругого материала

Краевые задачи теории упругости могут содержать сингулярные решения, что требует особых критериев прочности в сингулярных и несингулярных точках упругого материала. Выбирая несингулярный нелинейный упругий материал, можно рассматривать единый критерий прочности для любых точек материала, включая такой объект как трещина.
Рассматриваются аргументы за и против такого подхода.
назад

Разпределение микродеформаций и микротрещин в алюминии и цинке

Приведены результаты исследования влияния на неоднородность распределения остаточных микродеформаций и повреждаемость в моно- и поликристаллах алюминия и цинка таких факторов, как степень, скорость и температура деформирования, величина зерна, ориентация кристалла и способ приложения нагрузки.
Неоднородность распределения остаточных микродеформаций оценивали количественно статистическим методом через дисперсию микродеформаций, а накопление и развитие микротрещин v через повреждаемость материала как суммарную протяженность трещин на единице площади рабочей поверхности образцов.
Полученные результаты показали, что между упрочняемостью и степенью неоднородности распределения остаточных микродеформаций в интервале температур до 0.5 от температуры плавления существует обратная связь, более низкой упрочняемости материала соответствует более высокая степень неоднородности распределения деформаций. Установлена сложная зависимость дисперсии микродеформаций от скорости деформирования
В работе показано, что развитие неоднородности распределения остаточных микродеформаций и повреждаемости зависит от способа приложения нагрузки и по-разному изменяется от ее увеличения. Усложнение макродеформации кристаллического тела приводит к возрастанию неоднородности распределения микродеформаций. Накопление и развитие микротрещин на выпуклой и вогнутой сторонах при знакопостоянном и знакопеременном изгибе  происходит по разным законам. Повреждаемость при одноосном растяжении и на выпуклой стороне при изгибе закономерно возрастает с увеличением деформации; ограниченность возможности развития трещин при изгибе на выпуклой стороне снижает интенсивность ее развития. Установлено, что увеличение деформации на вогнутой стороне изогнутой пластины при знакопостоянном и знакопеременном  изгибе может характеризоваться не только повышением повреждаемости, но и ее закономерным снижением за счет такого фактора, как рост объемности деформации.
назад

О разрушении материалов и его прогнозировании в работающих машинах и сооружениях

Автор много раз выступал в печати и на конференциях о проблеме разрушения в технологических процессах обработки металлов давлением. Кто не знаком с имеющимися в виду здесь результатами, тот может познакомиться с ними по недавно вышедшему в свет учебнику [1].

В этот раз мне хотелось бы поговорить о разрушении в целом материалов, как деталей машин и сооружений при их эксплуатации (подчеркну, что не при их изготовлении, например обработкой давлением, а при их работе). Кое – что из сказанного здесь, возможно, не будет восприниматься слушателями конференции в полном объеме, эту часть я готов рассматривать как некоторую рабочую гипотезу.

1. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением. – Екатеринбург: изд – во Уральского государственного технического университета - УПИ, 2001. – 836 с.

назад