УДК 539.4

СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ МАТЕРИАЛОВ В СВЯЗИ С ХАОТИЧНОСТЬЮ ПРОЦЕССОВ ПОВРЕЖДЕНИЙ НА МЕЗОУРОВНЕ

Столярчук Александр Станиславович1, Романенко Михаил Дмитриевич2, Коробов Александр Викторович3, Серов Игорь Михайлович4, Зубков Андрей Викторович5, Паршиков Сергей Владимирович6
1Волгоградский государственный технический университет, кандидат технических наук, доцент
2Волгоградский государственный технический университет, студент
3ООО "ЦДКНХО", инженер
4ООО "ЦДКНХО", первый заместитель генерального директора, эксперт
5ООО "ЦДКНХО", заведующий лабораторией НК и ТД, эксперт
6ООО "ЦДКНХО", ведущий инженер, эксперт

Аннотация
Исследованы механические характеристики поликристаллических материалов при устало-сти. Процессы повреждений на мезоструктурном уровне изучались по скоростям накопления локальных деформаций. Для оценки хаотичности (неопределенности) процессов повреждений введено понятие «энтропии скоростей мезоповреждений». Эта энтропия, принимаемая в качестве характеристики глобального повреждения, подсчитывалась по формуле Шеннона. Хаотичность изменялась благодаря применению различных технологий упрочнения. Выявлена корреляция между сопротивлением усталости и введенной характеристикой повреждения материала.

Ключевые слова: сопротивление усталости, упрочнение материала, циклические повреждения, энтропия Шеннона


RESISTANCE TO FATIGUE OF MATERIALS DUE TO THE CHAOTIC STATE OF PROCESSES OF DAMAGES AT THE MESOSCALE LEVEL

Stolyarchuk Aleksander Stanislavovich1, Romanenko Mihail Dmitrievich2, Korobov Aleksander Viktorovich3, Serov Igor Mihailovich4, Zubkov Andrey Viktorovich5, Parshikov Sergey Vladimirovich6
1Volgograd State Technical University, Candidate of Technical Science, associate professor
2Volgograd State Technical University, student
3LLC «CDKNHO», engineer
4LLC «CDKNHO», first deputy director general, expert
5LLC «CDKNHO», head of laboratory NDT, expert
6LLC «CDKNHO», lead engineer, expert

Abstract
The mechanical characteristics of polycrystalline materials at fatigue are investigated. Processes of damages at the mesostructural level based on the speed of accumulation of local deformations are studied. For an assessment of randomness (uncertainty) of processes of damages the concept of «entropy of speeds of mesodamages» is entered. This entropy was accepted as a characteristic of global damage and was calculated according to the Shannons’s formula. The randomness has changed through the use of various technologies of hardening. The correlation between resistance to fatigue and the entered characteristic of damage of material is detected.

Keywords: cyclic damages, material hardening, resistance to fatigue, Shannon entropy


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Столярчук А.С., Романенко М.Д., Коробов А.В., Серов И.М., Зубков А.В., Паршиков С.В. Сопротивление усталости материалов в связи с хаотичностью процессов повреждений на мезоуровне // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 12 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/12/61889 (дата обращения: 27.11.2016).

Введение. Оценка служебных свойств материала состоит в комплексном учете его поведения как в исходном состоянии, так и в процессе повреждения при эксплуатации. Экспериментальная проверка проводится при статическом и динамическом (в частности, циклическом) нагружениях, что связано с принципиальными различиями [1] однократных и циклических повреждений его структуры. В настоящей работе исследовались только циклические повреждения, поскольку большинство аварий механизмов, машин и конструкций (например, нефтехимического оборудования) происходит от усталости.
Процессы повреждения реального поликристаллического материала, как известно, происходят на разных масштабных уровнях, а значит имеет место соответствующая деградация его неоднородной структуры. В настоящее время определяющим уровнем считается [2] мезоструктурный, поскольку его деградация интегрально включает все события, происходящие на более мелких масштабах. В то же время, на этом уровне еще наблюдается неоднородность (хаотичность) деформаций, рассматриваемых нами как мезоповреждения материала. Эта неоднородность «исчезает» при переходе на макроуровень. Как известно, именно неоднородность (а значит, концентрация локальных напряжений) является причиной возникновения и развития усталостных трещин (трещины), приводя к трансформации [3] кривой усталости. В связи с вышесказанным, основной концепцией данной работы является следующая: все усталостные макрохарактеристики (в частности, сопротивление усталости, оцениваемое по напряжению либо по долговечности) материала при циклических нагрузках – это следствие внутренних (локальных) процессов повреждения материала.
В качестве количественной меры процесса повреждения нами принимались скорости накопления локальных логарифмических деформаций, так называемых «истинных деформаций», измеренных на базе менее размера зерна. Деформации на этой базе отражают принципиально разные вклады «внутризеренных» и «зернограничных» участков в общее повреждение, что особенно важно для оценки поведения всего поликристалла при усталости.
Методика измерения локальных деформаций и их скоростей при циклическом нагружении описана в работах [4, 5]. Для обобщения результатов специально был выбран достаточно представительный круг поликристаллических материалов различной химической природы, фазового состава, величины зерна, типа кристаллической решетки, а также различающихся физическими механизмами деформирования: скольжением (стали) или двойникованием (титановый сплав). В частности, изучалось поведение сталей, широко применяемых для газовых и нефтехимических комплексов (стали марок: 20; 20ХН3А; 25ХГТ).
Статистическая оценка процессов мезоповреждений. На рис. 1 представлены функции плотности распределения скоростей мезоповреждений при различных технологиях упрочнения. Использованы результаты, полученные в работах [4-6], где исследовалась кинетика повреждений материалов после поверхностного пластического деформирования – ППД (сталь 20; титановый сплав ВТ-6) или после объемного микролегирования кальцием (стали: 50Х; 20ХН3А; 25ХГТ).

Рисунок 1. Функции плотности распределения относительных скоростей мезоповреждений для стали 20 (а), титанового сплава ВТ-6 (б) и стали 20ХН3А (в), находящихся в двух состояниях: 1 – исходном; 2 – после упрочнения

Очевидно, что функции плотности распределения скоростей во всех случаях (независимо от материала и от технологии упрочнения) существенно сужаются в случае упрочненного состояния материала. То есть наблюдается уменьшение среднеквадратического отклонения S локальных скоростей  от средней скорости процесса , фиксируемой на макроуровне. Указанное среднеквадратическое отклонение рассчитывалось по формуле:

,        (1)

где n – объем выборки при измерении скоростей (n = 100); i – номер локального участка, для которого определялась скорость.
Установленный факт позволяет сделать первый вывод: процессы повреждений при усталости протекают с уменьшением неоднородности (хаотичности) в случае использованных технологий упрочнения, что может отразиться на сопротивлении усталости. Контрольные проверки не выявили (с точностью до экспериментального разброса ~5%) влияния технологии упрочнения на статические механические характеристики (HB; δ; ψ).
Оценка энтропии скоростей локальных процессов. В качестве меры неопределенности (хаотичности) состояния информационной системы [7] любой природы: физической, химической, механической, социальной и пр. – может быть принята энтропия Шеннона. Будем рассматривать поликристаллический материал, работающий при циклических нагрузках, как своеобразную информационную систему, наделенную локальными источниками информации (поврежденными – с некоторой вероятностью – локальными участками).
Для оценки хаотичности кинетики повреждений при усталости материала на изучаемом масштабе событий введем понятие «энтропии скоростей мезоповреждений», которую обозначим как H. Введенный параметр будем оценивать, опираясь на экспериментальные результаты, по формуле:

,      (2)

где m – число дискретных кинетических состояний рассматриваемой системы (принималось: m = 7 либо m = 9); P– вероятность пребывания локального источника информации в j-ом кинетическом состоянии.
Кривые усталости. Для определения сопротивления усталости экспериментально построены кривые Вёлера для малоцикловой или многоцикловой областей усталости (эти области определяются конкретными условиями эксплуатации материала). Полученные кривые представлены на рис. 2.


Рисунок 2. Кривые усталости для следующих материалов: а – сталь 20; б – титановый сплав ВТ-6; в – 50Х; г – 20ХН3А; д – 25ХГТ («1»; «2» – см. на рис. 1)

Анализ результатов показывает, что почти во всех случаях наблюдается сдвиг кривых усталости в сторону бoльших напряжений (бoльших долговечностей) в случае упрочненного материала. Если учесть отмеченный выше факт независимости статических механических характеристик от ППД или от микролегирования, из полученных данных следует второй вывод: использованные технологии упрочнения повышают сопротивление усталости испытанных материалов (кроме стали 50Х) в указанных областях. Обычно принятое объяснение положительного влияния ППД – за счет благоприятных остаточных напряжений – здесь не подходит, поскольку, например, при малоцикловой усталости они исчезают [6] уже в первых циклах. 
Обсуждение результатов. Все полученные результаты исследования сведены в итоговую таблицу (табл. 1).

Таблица 1 – Итоговые значения исследованных параметров
Относительные величины
Марки сталей
Титановый сплав
50Х
25ХГТ
20ХН3А
20
ВТ-6
, %
0
6,5
34,7
20,9
27,1
, %
0
9,3
21,1
43,9
41,1

Опираясь на приведенные значения относительных величин, можно сделать третий вывод: с уменьшением «энтропии скоростей мезоповреждений» H наблюдается устойчивая тенденция увеличения усталостной прочности (по приросту десятичного логарифма долговечности lg N). Такой вывод подтверждается и поведением стали 50Х, для которой энтропия не изменяется! Указанная тенденция имеет место как в мало- (сталь 20; сплав ВТ-6), так и в многоцикловой (стали: 20ХН3А; 25ХГТ) областях усталости (см. рис. 2). Кроме того, имеет место стабильный эффект: снижение среднеквадратического отклонения S (в таблице не приводится – см. рис. 1) при уменьшении энтропии скоростей H. Отмеченный эффект, очевидно, требует специального изучения.
В заключении отметим, что использование в настоящем исследовании материалов принципиально различной природы и структуры, по-видимому, позволяет прогнозировать аналогичные выводы и для других поликристаллических материалов.


Библиографический список
  1. Столярчук А. С., Романенко М. Д., Серов И. М., Зубков А. В., Коробов А. В. Статистические закономерности статических и циклических повреждений конструкционных материалов на мезоструктурном уровне // Молодой ученый. 2015. № 23 (103). С. 232-235.
  2. Панин В. Е., Гриняев Ю. В., Егорушкин В. Е. Основы физической мезомеханики структурно-неоднородных сред // Известия РАН. Механика твердого тела. 2010. №4. С. 8-29.
  3. Гурьев А. В., Мишарев Г. М., Столярчук А. С., Тарасов В. П., Хесин Ю. Д.  Влияние концентрации напряжений на малоцикловую усталостную прочность металлов // Проблемы прочности. 1974. № 11. С. 11-15.
  4. Багмутов В. П., Столярчук А. С., Коробов А. В. Исследование повреждаемости конструкционных материалов при малоцикловой усталости после предварительного упрочнения поверхности // Известия ВолгГТУ. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». 2012. № 9 (96). С. 105-109.
  5. Багмутов В. П., Столярчук А. С., Коробов А. В. Влияние микролегирования кальцием на циклическую прочность конструкционных материалов // Известия ВолгГТУ. Серия «Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении». 2010. № 4 (64). С. 105-109.
  6. Гурьев А. В., Тарасов В. П., Столярчук А. С. Эффективность ППД деталей из конструкционных углеродистых сталей, работающих в условиях малоцикловых нагружений // Вестник машиностроения. 1977. № 3. С. 50-52.
  7. Советов Б. Я. Теория информации. Л.: Изд-во ЛГУ, 1977. 184 с.


Все статьи автора «graffal»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация