Сопротивление усталости материалов в связи с хаотичностью процессов повреждений на мезоуровне

graffal — Tue, 29 Dec 2015 14:31:30 +0000

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 Sлокальных 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_j– 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
Относительные величины	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.

Электронный научно-практический журнал «Современные научные исследования и инновации» » material hardening

Сопротивление усталости материалов в связи с хаотичностью процессов повреждений на мезоуровне