Спосіб імпульсного введення енергії в сталь при статичному розтягу

Реферат: UA 104053 C2 (12) UA 104053 C2 Винахід належить до галузі металургії, а саме до способу імпульсного введення енергії в сталь при статичному розтягу. Спосіб імпульсного введення енергії в сталь при статичному розтягу полягає в тому, що зразки сталі статично розтягують до різних ступенів пластичної деформації і додатково піддають дії заданих імпульсних підвантажень до різних ступенів пружньої деформації шляхом статичного розтягу і при заданому рівні імпульсного підвантаження на зразку його кріплення в захватних частинах випробувальної установки усувають, потім зразки повністю розвантажують і повторно статично розтягують до руйнування. Винахід забезпечує контрольоване підвищення рівня пластичних властивостей сталі при розтягу та здійснити оцінку запасу пластичності при розвитку дисипативної структури в ній. UA 104053 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі металургії, а саме до способів імпульсного введення енергії в сталь при статичному розтягу. При імпульсному введенні енергії в матеріал, коли реалізуються динамічні незрівноважені процеси, можна забезпечити регульовану зміну міцнісних і пластичних властивостей матеріалу за кімнатної температури, а саме: пластифікувати будь-який матеріал на стандартній висхідній гілці діаграми деформацій; добитися зміни протяжності стадій деформування і зміни міцнісних властивостей на заданих стадіях деформування; реалізувати квазінадпластичний стан матеріалів (одержати ідеально пластичну поведінку матеріалів до десятків відсотків залишкової деформації) за рахунок багаторазових імпульсних підвантажень, реалізувати резерви механічних властивостей матеріалів на стадії знеміцнення, включаючи і стадію росту макротріщини (Н.Г.Чаусов, Е.Э.Засимчук, Л.И.Маркашова, В.Э.Вильдеман, Т.В.Турчак, А.П.Пилипенко, В.Н.Параца. Особенности деформирования пластичных материалов при динамических неравновесных процессах // Заводская лаборатория. Диагностика материалов.2009. - Т.75. - № 6. - С.52-59; М.Г.Чаусов, Й.Й Лучко, А.П Пилипенко, В.М.Параца. Вплив багаторазових змін в режимі навантаження на деформування пластичних матеріалів // "Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів і конструкцій". 36. наукових праць. Львів: "Каменяр".-2009. - Вип. 8. - С 289-298; М.Г.Чаусов, О.Е. Засимчук, К.М.Волянська. Дослідження процесу прояви площадок текучості при імпульсних підвантаженнях алюмінієвих сплавів // Вісник Національного технічного університету України "КПІ". - Серія: Машинобудування.-2011. № 63. - С 244-248.). Дані ефекти автори пояснюють утворенням при динамічних незрівноважених процесах тонкосмугової (аморфно-подібної) дисипативної структури, що пов'язана в об'ємі матеріалу на різних масштабних рівнях. Дисипативна структура в матеріалах різних класів експериментально зафіксована методом трансмісійної мікроскопії (Н.Г.Чаусов, Е.Э.Засимчук, Л.И.Маркашова, В.Э.Вильдеман, Т.В.Турчак, А.П.Пилипенко, В.Н.Параца. Особенности деформирования пластичных материалов при динамических неравновесных процессах // Заводская лаборатория. Диагностика материалов.-2009. - Т.75. - № 6. - С.52-59; М.Г.Чаусов, Й.Й Лучко, А.П Пилипенко, В.М.Параца. Вплив багаторазових змін в режимі навантаження на деформування пластичних матеріалів // «Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів і конструкцій». 3б. наукових праць. Львів: «Каменяр».-2009. - Вип. 8. - С. 289-298). Фізичними способами також встановлено, що густина наново створеної дисипативної структури менше густини основного матеріалу (Н.Г.Чаусов, Е.Э.Засимчук, А.П.Пилипенко, Е.М.Порохнюк. Самоорганизация структур листовых материалов при динамических неравновесных процессах // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки.-2010. - Т.15. Вып. 3. - С.892-894; Н.Г. Чаусов, А.П. Пилипенко, В.Б. Березин, В.М. Параца. Влияние вида напряженного состояния на деформирование нержавеющей стали при импульсных подгрузках // Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту ім. акад. В. Лазаряна.-2011. - Випуск 39. – С. 208-211). Базуючись на великому обсязі проведених експериментальних досліджень в даному напрямку, авторами вище наведених робіт прийнята робоча гіпотеза, що об'єм наново створеної дисипативної структури в матеріалі слід віднести до основного параметра, від якого істотно залежить зміна механічних властивостей матеріалів при повторному статичному навантаженні. Додатково проведені досліди з аналізу еволюції поля деформації на поверхні листової нержавіючої сталі при складному режимі навантаження "статичний розтяг- динамічний незрівноважений процес" з використанням розробленого оптичного комплексу з відповідним програмним забезпеченням і обладнаного швидкісною камерою Citius Т10 (Н.Г.Чаусов, В.Б Березин. Эволюция поля деформации на поверхности листовой нержавеющей стали при динамических неравновесных процессах // Вісник Національного технічного університету України «КПІ». - Серія: Машинобудування.-2011. - № 63. - С 253-257), зафіксували наявність двох процесів, що відповідають за формування і розвиток дисипативної структури в матеріалі. А саме - наявність першого процесу, пов'язаного з накладанням пластичних хвиль в матеріалі, що, ймовірно, є ініціатором структурних змін, та наявність іншого порівняно повільного процесу перерозподілу енергії і структури. На діаграмах деформування матеріалів, у випадку, коли імпульсні підвантаження здійснюються при заданих рівнях пластичної деформації, першому процесу відповідає раптове падіння навантаження, а другому - наступне зростання навантаження в коливальному режимі (Н.Г.Чаусов, В.Б Березин. Эволюция поля деформации на поверхности листовой нержавеющей стали при динамических неравновесных процессах // Вісник Національного технічного університету України «КПІ». - Серія: Машинобудування.-2011. № 63. - С 253-257). 1 UA 104053 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Нажаль, жоден з відомих способів імпульсного введення енергії в матеріал не дозволяє контрольовано зупиняти навантаження на першій стадії імпульсного введення енергії в матеріал, що відповідає за ініціацію структурних змін. А це принципово важливий момент, так як виконуючи подібні випробування з відповідними фізичними способами досліджень можна з'ясувати природу самоорганізації структури в матеріалі за динамічних незрівноважених процесів, коли відбувається раптовий обмін енергії між окремими елементами статично невизначеної конструкції. Слід також підкреслити, якщо імпульсні підвантаження здійснюються при заданих рівнях пластичної деформації матеріалу і першій стадії імпульсного введення енергії в матеріал відповідає різке падіння навантаження, ймовірно, взагалі не можливо жодними способами зупиняти навантаження на цій стадії. Таке можливе лише в тому випадку, якщо імпульсні підвантаження здійснюються в пружній області навантаження матеріалу, й при цьому першій стадії імпульсного введення енергії в матеріал відповідає зростання навантаження на зразку з явними ознаками різкого зменшення модуля пружності матеріалу. Найбільш близьким за технічною суттю до рішення, що заявляється, є спосіб оцінки впливу імпульсного введення енергії в пластичний матеріал на механічні властивості при подальшому статичному розтягу, згідно з яким зразки матеріалу статично розтягують до різних ступенів пластичної деформації і додатково піддають дії заданих імпульсних підвантажень, а потім зразки повністю розвантажують і повторно статично розтягують до руйнування, а вплив імпульсного введення енергії в матеріал оцінюють за зміною механічних властивостей на різних стадіях у порівнянні з механічними властивостями матеріалу на аналогічних стадіях при стандартному статичному розтягу (Н.Г.Чаусов, Е.Э.Засимчук, Л.И.Маркашова, В.Э.Вильдеман, Т.В.Турчак, А.П.Пилипенко, В.Н.Параца. Особенности деформирования пластичных материалов при динамических неравновесных процессах // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2009. - Т.75. - № 6. - С.52-59). Головним недоліком відомого способу є те, що за його допомогою неможливо контрольовано зупиняти навантаження на першій стадії імпульсного введення енергії в матеріал, що відповідає за ініціацію структурних змін. Винаходом ставиться задача розробки ефективного і достовірного способу оцінки впливу імпульсного вводу енергії в пластичний матеріал на першій стадії. Це дає можливість достовірно оцінювати ефекти імпульсного введення енергії в матеріал при повному чи частковому закінченні процесу самоорганізації структури. Поставлена винаходом задача досягається тим, що зразки матеріалу додатково статично розтягують до різних ступенів пружної деформації і при заданому рівні імпульсного підвантаження на зразку кріплення зразка в захватних частинах випробувальної установки усувають. У запропонованому способі ефективно використовується технічна можливість усувати кріплення зразка матеріалу в захватних частинах випробувальної машини при заданому рівні зростаючого імпульсного підвантаження на зразку матеріалу, який попередньо статично розтягнутий до заданого ступеня пружної деформації. Таким чином, вдається на першій стадії імпульсного введення енергії в матеріал, контролюємо переривати процес самоорганізації структури в матеріалі за динамічних незрівноважених процесів. Методика випробувань реалізована на базі модернізованої випробувальної машини ZD100Pu. Машина обладнана пристосуванням, що дозволяє забезпечити імпульсні підвантаження зразка матеріалу різної інтенсивності на будь-якій стадії статичного навантаження. Установка також обладнана комп'ютеризованою вимірювальною системою з програмним забезпеченням для проведення і обробки результатів випробувань з частотою вимірювань 2400 вим/с. Випробування проводили на плоских зразках зі сталі 25Х1М1Ф, які виготовлялись шляхом фрезерування з двох боків гладких циліндричних зразків з різьбовими головками. На граф. 1 подана реальна діаграма деформацій сталі 25X1М1Ф при складному режимі навантаження (статичний розтяг - імпульсне підвантаження механічної системи "випробувальна машина - зразок" (FiMП=65,98 кН) - повне розвантаження - подальший статичний розтяг до руйнування) для випадку, коли реалізуються можливості повної самоорганізації структури в сталі за динамічних незрівноважених процесів, включаючи перший і другий процеси (див. зони І і II на рис. 1,а) самоорганізації структури. Тут же, для порівняння, подана діаграма деформацій сталі 25Х1М1Ф при стандартному статичному розтягу. Аналіз отриманих даних показує, що за рахунок імпульсного підвантаження вдалось реалізувати резерви пластичних властивостей сталі 25Х1М1Ф на стадії знеміцнення (див. заштриховану область на граф. 1). При цьому пластичні властивості сталі збільшились практично на 4 % (з 31% деформації до 35 %). На 2 UA 104053 C2 5 10 15 20 граф. 1 також показані і т. А,Б,В,Г,Д,Е,К розвантаження зразку сталі (стрілки донизу) і повторні навантаження зразка сталі (стрілки в гору) до повного руйнування зразка в т. К. На граф. 2 подані два приклади (криві 1, 2) зупинки процесу навантаження на першій стадії імпульсного введення енергії в матеріал. Усування кріплення зразка в захватних частинах випробувальної установки при заданому рівні імпульсного підвантаження, в даному випадку, здійснювалось за рахунок зменшення кількості витків різьби на захватних частинах зразка. Попередніми розрахунками встановлена залежність руйнівного навантаження різьбової головки зразка з даної сталі в залежності від кількості витків різьби. На граф. 3 подана реальна діаграма деформацій стали 25Х1М1Ф при складному режимі навантаження (статичний розтяг - імпульсне підвантаження механічної системи «випробувальна машина – зразок» (FiMП=65,42 кН) - повне розвантаження - подальший статичний розтяг до руйнування) для випадку, описаного кривою 1 на граф. 2. Тут же, для порівняння, подана діаграма деформацій сталі 25Х1М1Ф при стандартному статичному розтягу. Як видно з граф. 3, переривання процесу самоорганізації структури сталі 25Х1М1Ф за динамічних незрівноважених процесів призвело до значного погіршення механічних властивостей, з 31 % пластичної деформації до 20 %. Таким чином, застосування способу дозволяє ефективно і достовірно оцінювати вплив імпульсного вводу енергії в пластичний матеріал на першій стадії, на механічні властивості матеріалу при подальшому статичному розтягу. Експериментально встановлено, що переривання процесу самоорганізації структури в сталі при імпульсних підвантаженнях призводить до найгірших наслідків динамічних незрівноважених процесів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 Спосіб імпульсного введення енергії в сталь при подальшому статичному розтягу, який полягає в тому, що зразки сталі статично розтягують до різних ступенів пластичної деформації і додатково піддають дії заданих імпульсних підвантажень, а потім зразки повністю розвантажують і повторно статично розтягують до руйнування, а вплив імпульсного введення енергії в матеріал оцінюють за зміною пластичних властивостей на різних стадіях в порівнянні з пластичними властивостями сталі на аналогічних стадіях при стандартному статичному розтягу, який відрізняється тим, що зразки сталі додатково статично розтягують до різних ступенів пружної деформації і при заданому рівні імпульсного підвантаження на зразку кріплення зразка в захватних частинах випробувальної установки усувають. 3 UA 104053 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело 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 4