Спосіб оцінки впливу характеру теплової дії на кінетику руйнування і тріщиностійкість пластичних матеріалів

1. Спосіб оцінки впливу характеру теплової дії на кінетику руйнування і тріщиностійкість пластичних матеріалів, що включає зразки матеріалу з природними макротріщинами, отриманими безпосередньо при зрівноваженому статичному розтягуванні при кімнатній температурі, піддають тепловому впливу, а потім при подальшому зрівноваженому статичному розтягуванні зразків оцінюють вплив характеру теплової дії на кінетику руйнування і тріщиностійкість матеріалів з ураху C2 2 (11) 1 3 рячу" (тріщини, що утворилися, відповідно, при більш низькій і більш високій температурі), так як при цьому вершина тріщини затупляється і при наступному навантаженні матеріалу конструкції затрати на ріст тріщини можуть суттєво збільшитись. Подібні режими попереднього термомеханічного навантаження (ПТН) сталей знаходять широке застосування для продовження строку експлуатації відповідних конструкцій за наявності макротріщин, зокрема, корпусів атомних реакторів [Прочность материалов и конструкций / Редкол.: В.Т. Трощенко (отв. ред.) и др. - К.: Академпериодика, 2005. - С. 516-524]. До недоліків вищеописаних методів слід віднести надзвичайно важку експериментальну методику реалізації навантаження і вимоги виконання складних режимів температурно-силових умов навантаження з обов'язковим розігрівом матеріалу. Слід відмітити, що останнім часом отримані нові дані про особливості механічної поведінки матеріалів при кімнатній температурі при імпульсному вводі енергії (так звані динамічні незрівноважені процеси). Вказані механічні випробування реалізуються в тому випадку, якщо при значному поглинанні енергії замкненою системою за невеликий проміжок часу механічна робота, проведена над межею системи, суттєво зменшується (система раптово гальмується), і більша частина кінетичної енергії, що вводиться ззовні в матеріал, переходить в теплоту. Таким чином, в умовах кімнатної температури на матеріал впливає тепловий удар, який призводить до незрівноважених фазових переходів і суттєвих структурних змін в матеріалі. При динамічних незрівноважених процесах практично всі пластичні матеріали виявляють схильність до короткочасної пластифікації з одночасним "аномальним" ефектом знеміцнення за рахунок створення в матеріалі дисипативної структури у вигляді об'ємно зв'язаних, на різних масштабних рівнях, тонких смуг (каналів), направлених переважно вздовж осі навантаження або під кутом 45° [Чаусов Н.Г. Особенности деформирования пластичных материалов при динамических неравновесных процесах / Н.Г. Чаусов, Е.Э. Засимчук, Л.И. Маркашова, В.Е. Вильдеман, Т.В. Турчак, А.П. Пилипенко, В.М. Парада // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2009. - Т. 75. № 6. - С. 52-59]. Дисипативні структури виникають за рахунок концентрації вакансійних дефектів, причому в зонах концентрації напружень інтенсивність їх утворення значно вища, порівняно з однорідним полем напружень. Таким чином, при імпульсному вводі енергії в матеріал при кімнатній температурі додатково до традиційного механізму затуплення вершини тріщини в процесі короткочасної пластифікації матеріалу додається новий механізм гальмування тріщини - множинні дисипативні смуги (канали) із структурою, що суттєво відрізняється від початкової, розміщені переважно перпендикулярно до напряму росту тріщини. 95866 4 Найбільш близьким за технічною суттю до рішення, що заявляється, є спосіб оцінки впливу характеру теплової дії на кінетику руйнування і тріщиностійкість пластичних матеріалів, який полягає в тому, що зразки матеріалу з природними макротріщинами, отриманими безпосередньо при зрівноваженому статичному розтягуванні при кімнатній температурі, піддають тепловому впливу, а потім при подальшому зрівноваженому статичному розтягуванні зразків оцінюють вплив характеру теплової дії на кінетику руйнування і тріщиностійкість матеріалів з урахуванням визначених параметрів спадаючих ділянок повних діаграм деформування [Чаусов Н.Г. Кинетика разрушения тонколистовых пластичных материалов при неизотермическом нагружении / Н.Г. Чаусов, Е.Л. Евецкий, А.А. Лебедев // Проблемы прочности. 1989. - № 2. - С. 12-16]. Головним недоліком відомого способу є те, що при його використанні також необхідно обов'язково розігрівати зразок матеріалу. В основу винаходу ставиться задача розробки ефективного способу підвищення тріщиностійкості матеріалу за рахунок імпульсного вводу енергії в матеріал при кімнатній температурі. Поставлена задача вирішується тим, що додатково зразки з природними макротріщинами при навантаженнях Fпоч.і - розвантажують до заданого рівня навантаження Fзaд.і, включаючи і повне розвантаження, послідовно кожен із зразків піддають при кімнатній температурі заданим зростаючим імпульсним підвантаженням Fд.і, при яких сумарні навантаження Fі=Fзaд.і+Fд.і не повинні перевищувати навантаження Fпоч.і, далі процес швидкісного деформування зразків матеріалу на короткий час гальмують і після стрибка деформації, викликаного імпульсним впливом на матеріал, зразки повторно розвантажують, а потім при подальшому зрівноваженому статичному розтягуванні зразків оцінюють вплив характеру імпульсного вводу енергії на кінетику руйнування і тріщиностійкість матеріалів з урахуванням змін визначених параметрів спадаючих ділянок повних діаграм деформування порівняно з параметрами спадаючих ділянок повних діаграм деформування, що визначені при "чистому" зрівноваженому статичному розтягуванні зразків. У запропонованому способі вдало використовуються ефекти гальмування макротріщини за рахунок створення дисипативних смугових структур, механічні властивості яких значно відрізняються від механічних властивостей матеріалу в початковому стані. Експерименти показали, що тільки завдяки раптовому гальмуванню швидкості деформації матеріалу, після початкового раптового підвищення швидкості деформації, за рахунок імпульсного вводу енергії в матеріал, раптово змінюється баланс енергії на етапі гальмування процесу деформування і при цьому значна частина енергії початкового високошвидкісного деформування дисипує у дослідному матеріалі, перетворюючись у тепло і впливає на істотні структурні зміни. Час гальмування процесу деформування під час імпульсних підвантажень матеріалу повинен складати не бі 5 льше 0,02 с. Як випливає з багаточисленних експериментальних робіт, присвячених дослідженню синергетичного структуроутворення, не дивлячись на релаксуючі процеси, що відбуваються в матеріалі після зняття навантажень, морфологія самоорганізованої (синергетичної) структури, як правило зберігається. Тому пропонується для стабілізації релаксаційних процесів, перед подальшим статичним зрівноваженим розтягуванням зразки матеріалу, що піддаються дії імпульсних підвантажень, витримувати в розвантаженому стані не менше доби. Методика випробувань реалізована на базі модернізованої випробувальної гідравлічної машини ZD-100Pu. Установка обладнана високоточною комп'ютеризованою вимірювальною системою, яка дозволяє фіксувати до 2400 вимірювань за секунду і двома спеціальними пристроями. Перший пристрій дозволяє створити такі умови випробувань, які забезпечують стійкість процесів деформування і руйнування матеріалів на всіх стадіях, у тому числі, на стадії макроруйнування. Це дозволяє вирощувати "природні" тріщини заданих розмірів на початкових гладких зразках і аналогічні тріщини із будь-якого концентратора напружень, зокрема, круглого концентратора. Другий пристрій дозволяє реалізувати раптові зміни в режимі навантаження при будь-якому заданому ступені деформації. На процес статичного навантаження накладаються імпульсні підвантаження за рахунок руйнування крихких проб металу різного мінімального діаметру, що розтягуються паралельно із зразком. Випробування проводили на плоских зразках із листової нержавіючої сталі шириною 10,20 мм і 95866 6 товщиною 1,5 мм. На робочу ділянку зразків шириною 20 мм наносили початковий концентратор напружень у вигляді центрального круглого отвору діаметром 1,4 мм. Імпульсним підвантаженням заданої інтенсивності піддавались в точках А1, А2 зразки з "природними" макротріщинами, вирощеними з використанням методу повних діаграм деформування з вихідного концентратора (фіг.1, а) і на гладкому зразку (фіг.1, б). Штриховими лініями на фіг.1 показані геометрії спадаючих ділянок діаграм деформування при "чистому" зрівноваженому статичному розтягуванні. Аналіз отриманих результатів показує, що після імпульсних підвантажень заданої інтенсивності, робота на розвиток макротріщини значно збільшується, тобто зростає тріщиностійкість матеріалу. Таким чином, застосування способу дозволяє ефективно підвищувати тріщиностійкість сталі за рахунок дисипативних структур, що виникають в процесі імпульсного вводу енергії в матеріал в локальній області біля вершини макротріщини. Проведені дослідження з використанням трансмісійної електронної мікроскопії на установці JEM200 СХ фірми "JEOL" (Японія) при прискорюючій напрузі 200 кВ підтвердили даний експериментальний факт. За рахунок фрагментації структури матеріалу біля вершини макротріщини, виникнення в смугових структурах великої кількості мікротріщин (див. характерній зразок ТЕМ-структури на фіг.2, а) виникають додаткові перешкоди при рості макротріщини. Про високий ступінь дезорієнтації матеріалу в зоні вершини тріщини свідчить також мікродефракційна картина (фіг.2, б), а її розмитість вказує на часткову аморфізацію матеріалу. 7 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 95866 8 Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601