Автореферат Жансеркеевой З.А.


УДК 539.376:621                                                      На правах рукописи

 

 

 

 

 

 

 

ЖАНСЕРКЕЕВА ЗАРИНА АРКАДЬЕВНА

 

 

 

 

 

Влияние деформационного упрочнения

на неустановившуюся стадию ползучести

 

 

05.03.01 -  Технологии и оборудование механической и

физико-технической  обработки

 

 

Автореферат

 

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Республика Казахстан

Алматы, 2008

Работа выполнена в Казахском национальном техническом университете

им. К.И.Сатпаева

 

 

 

Научный руководитель:                  доктор технических наук     

                                                        Цой Д.Н.

 

Научный консультант:                    кандидат физико-математических наук                                                            Чумаков Е.В.

 

 

 

Официальные оппоненты:              доктор технических наук                                                                                  Абдуллаев Ф.С.

 

кандидат технических наук,          

Швоев В.Ф.

 

 

 

Ведущая организация:                      Карагандинский государственный

технический университет

 

 

 

 

Защита состоится 24 октября 2008 года в 14.30 часов на заседании диссертационного совета Д14.17.02 при Казахском национальном техническом университете им. К.И.Сатпаева по адресу: 050013, г.Алматы, ул. Сатпаева 22, Институт машиностроения, ИМС 106.

Факс: 8(7272)926025, т. 2577183 (083), E-mail: aspirantura@ntu.kz

 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского национального технического университета им. К.И.Сатпаева.

 

 

Автореферат разослан 23 сентября 2008 года.

 

 

 

 

Ученый секретарь

диссертационного совета                                                    Сазамбаева Б.Т.

 


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

 

Актуальность работы

В Программе «Казахстан-2030» предусмотрено стратегическое направление по индустриализации страны, в частности, в машиностроительной промышленности. Исходя из интересов Республики Казахстан, в плане развития и реализации «Индустриально-инновационной стратегии» до 2015 года и в связи с расширением сферы деятельности человека, освоением космического пространства, развитием ядерной энергетики, совершенствованием строительных технологий, необходимо решение проблем по созданию новых конструкционных материалов, обладающих повышенными физико-механическими свойствами.

Деформация металлоизделий, протекающая в условиях длительного воздействия нагрузки и температуры, именуемая ползучестью, относится к одному из основных параметров, определяющих работоспособность машин и механизмов. Ползучесть или крип – это процесс постепенного изменения структуры, свойств и размеров детали при длительно действующей постоянной по величине нагрузке или напряжении.  Мерой ползучести является ее скорость, которая определяется первой производной накопленной пластической деформации по времени. Из сказанного следует, что ползучесть приводит к изменению размеров и формы металлоизделий, а скорость ползучести говорит о том, как быстро это происходит. Значит, скорость ползучести является параметром, определяющим длительность эксплуатации, как отдельной детали, так и машины или механизма в целом.  По этой причине ее изучение не просто важно, а жизненно необходимо для дальнейшего успешного развития машиностроения.

Кроме того, несомненный  научный  интерес представляет исследование процессов, приводящих к затуханию скорости ползучести. В учебной и научной литературе объяснение указанного явления сводится к деформационному упрочнению. Но до настоящего времени нет величины или величин, которые позволили бы дать научно обоснованную корректную оценку деформационного упрочнения. Важно также отметить, что инженерная практика базируется на расчетах, в основе которых лежат экспериментальные данные. И чем точнее они, тем с большей вероятностью можно спрогнозировать сроки безаварийной эксплуатации машин и механизмов. С этих позиций актуальность исследований неустановившейся стадии ползучести очевидна.

Работа выполнена по целевой научно-технической программе «Создание высокоэффективной технологии машин и оборудования» за №04-1/1015 от 03.08.1995 г. Министерства науки и новых технологий РК.

Цель работы

Определить количественные и качественные параметры деформационного упрочнения и закономерности их влияния на скорость ползучести на неустановившейся стадии.

 

В соответствии с поставленной целью в работе решены следующие задачи:

- выбор объектов исследования;

- отработка методик и материально-техническое обеспечение экспериментов;

- проведение кратковременных и длительных механических испытаний с целью установления зависимости между накопленной пластической деформацией, величиной предела текучести и скоростью ползучести;

- анализ экспериментальных данных для установления зависимости скорости ползучести на неустановившейся стадии от величины накопленной пластической деформации и степени деформационного упрочнения.

Методика исследования

Были проведены кратковременные и длительные механические испытания образцов в условиях одноосного  растяжения на специально сконструированной универсальной установке и разрывной машине типа МИ-40КУ.

Объекты исследования

Экспериментальные исследования проводились на цилиндрических, плоских и кольцевых образцах из титана технической частоты, алюминия чистотой 99,95%, алюминиевого сплава САВ, алюминия с 0,2% кремния и 0,15% железа, циркония технического.

Научная новизна

- при исследовании эффекта деформационного упрочнения получены степенные уравнения, описывающее зависимость предела текучести от величины накопленной пластической деформации;

- выявлено, что температура испытания, тип материала, его чистота и технология изготовления образцов оказывает влияние на количественную оценку деформационного упрочнения, но не влияет на качественный вид зависимости предела текучести от накопленной пластической деформации;

- определено, что величина предела текучести возрастает, а скорость ползучести падает с ростом накопленной пластической деформации;

- установлен эффект разупрочнения, который проявляется в снижении воздействия упрочнения на предел текучести при испытаниях на ползучесть по сравнению с кратковременными механическими испытаниями;

- выведено уравнение, связывающее скорость ползучести на неустановившейся стадии с величиной деформационного упрочнения.

- спроектирована и изготовлена универсальная установка для изучения кратковременных и длительных механических свойств металлов и сплавов.

Практическая и научная значимость работы

Большой набор систематических экспериментальных данных, полученных при кратковременных и длительных механических испытаниях, представляет несомненный интерес для исследователей, занимающихся теоретическими изысканиями с целью создания единой теории деформационного поведения металлов и сплавов. Кроме того, полученные при анализе результатов испытаний математические выражения указывают на взаимосвязь между длительными и кратковременными механическими свойствами. Практическая значимость полученных в работе результатов определяется возможностью их использования в инженерной практике, в расчетах при проектировании машин и механизмов для более точной и обоснованной оценки их работоспособности.

         Достоверность полученных результатов и основных выводов работы подтверждается экспериментальными данными, получением уравнений, связывающих предел текучести и скорость ползучести с деформационным упрочнением.

Основные положения, выносимые на защиту:

- закономерности деформационного упрочнения при кратковременных механических испытаниях в условиях одноосного разового и циклического нагружения;

- уравнение, связывающее предел текучести с величиной накопленной пластической деформации для всех исследованных материалов;

- влияние температуры, типа материала, его чистоты и технологии предварительной обработки на величину деформационного упрочнения;

- влияние деформационного упрочнения на предел текучести и скорость ползучести на неустановившейся стадии;

- эффект разупрочнения, проявляющийся в снижении воздействия упрочнения на предел текучести при испытаниях на ползучесть по сравнению с кратковременными механическими испытаниями;

- уравнение, связывающее скорость ползучести на неустановившейся стадии с величиной деформационного упрочнения.

- универсальная установка для изучения кратковременных и длительных механических свойств металлов и сплавов;

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии на всех этапах работы при:

         - постановке конкретных задач;

         - выборе методик исследований;

         - разработке универсальной установки для изучения кратковременных и длительных механических свойств твердых тел;

         - подготовке материалов и образцов для проведения экспериментов;

- проведении экспериментов;

- обработке и обсуждении результатов исследования;

         - написании статей по теме диссертации;

         - подготовке заявки на изобретение.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на:

·                   Международной научной конференции «Наука и образование ведущий фактор стратегии «Казахстан – 2030», 2007, КарГУ, Караганда.

·                    Международной научной конференции «Состояние и перспективы развития механики и машиностроения в Казахстане», 2007, КазНТУ, Алматы.

·                   Международной научно-практической конференции «Наука и инновации на железнодорожном транспорте», 2007, КазАТК, Алматы.

·                    На научных семинарах кафедры «Станкостроение, материаловедение и технология машиностроительного производства», на совместном научном семинаре кафедр «Станкостроение, материаловедение и технология машиностроительного производства», «Стандартизация, сертификация и технология машиностроения» и «Подъемно-транспортные машины и гидравлика» Института Машиностроения КазНТУ им. К.И.Сатпаева, 2007-2008, Алматы.

Публикации  

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 10 печатных работах в изданиях, перечень которых утвержден Комитетом по надзору и аттестации в сфере образования и науки. Получен предпатент на Изобретение РК №2007/1325.1 от 02.11.2007.

Структура и объем работы 

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников из 107 наименований. Диссертация содержит 122 страницы, 84 рисунка.

 

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

 

         1 Состояние вопроса и задачи исследования

 

Металлы и сплавы играют исключительную роль в жизни человеческой  цивилизации. До настоящего времени разработка новых конструкционных материалов, и совершенствование имеющихся, играют решающую роль в развитии всех без исключения отраслей машиностроения. Например, от материалов оборудования горячих цехов (литейных, кузнечных, прокатных и т.д.) требуется повышенная термическая и коррозионная стойкость. От материалов, работающих в атомных реакторах, требуется высокая радиационная стойкость. Своей спецификой должны обладать и материалы, работающие в космическом пространстве, материалы, используемые в медицине для протезирования и изготовления инструментов. Но для всех них одно требование является общим. Это способность как можно большее время сохранять заданные размеры и форму. А это зависит от их длительных и кратковременных механических свойств. К первым относятся – ползучесть, длительная прочность, запас длительной пластичности, а ко вторым – предел текучести, предел прочности, микротвердость. Перечисленные свойства определяют деформационное поведение металлов и сплавов при различных условиях их эксплуатации. Это является причиной их интенсивного изучения. Но до настоящего времени остается множество нерешенных задач, препятствующих созданию единой теории пластического течения кристаллического твердого тела.

К числу нерешенных задач относится влияние деформационного упрочнения на неустановившуюся стадию ползучести и на ее скорость. Решению этой проблемы посвящена настоящая работа. Для количественной оценки деформационного поведения была взята кратковременная механическая характеристика – предел текучести σ02. Его выбор продиктован двумя основными причинами. Во-первых, предел текучести наряду со скоростью ползучести относится к числу основных параметров, определяющих длительность эксплуатации, как отдельной детали, так и машины или агрегата в целом.  Во-вторых, предел текучести является структурно чувствительной величиной. Практически всегда приходится иметь дело не с одним, а целым рядом процессов, протекающих в твердом теле и приводящих, к изменению величины зерна, фазового состава, концентрации точечных, линейных и объемных дефектов, перераспределению легирующих элементов и т.д.  В конечном счете, это приводит к изменению длительных и кратковременных механических свойств. Поэтому вполне логичным представляется поиск параметра, характеризующего интегральное изменение структуры. И таким параметром является предел текучести.

        

2 Постановка задач исследования

 

Из литературного обзора следует, что вопросам изучения ползучести посвящено достаточно большое количество работ. Но, несмотря на сравнительно большой объем экспериментальных данных, ползучесть до настоящего времени остается в числе наименее изученных явлений.

Экспериментальные исследования показали, что ползучесть имеет три стадии: неустановившуюся, установившуюся и ускоренную. Неустановившаяся стадия наблюдается сразу после нагружения образца. Ее особенность заключена в постепенном снижении скорости ползучести до некоторой величины, определяемой температурно-силовыми параметрами испытания. На установившейся стадии скорость ползучести не меняется с течением времени. На третьей (ускоренной) стадии скорость ползучести возрастает вплоть до момента разрушения образца.

         Из перечисленных стадий наиболее изученной является установившаяся. Неустановившаяся стадия изучена слабо, несмотря на то, что именно на этом этапе развития пластической деформации происходит формирование структуры, которая впоследствии определяет поведение металлоизделий. Причин слабой изученности ползучести достаточно много, но главенствующее положение занимает высокая стоимость проведения таких экспериментальных исследований. В первую очередь это связано с очень большими затратами времени. На проведение одного испытания на ползучесть необходимо затратить сотни и тысячи часов. Во-вторых, необходимость обеспечения безаварийной работы машин и механизмов даже в экстремальных условиях привела к созданию сложнолегированных сплавов. Их изучение затруднено многообразием и сложностью протекающих одновременно в их структуре процессов. Кроме того, большая продолжительность одного эксперимента порождает целый ряд технических проблем, связанных с необходимостью  поддержания и измерения параметров испытания с требуемой точностью. Эти проблемы относятся к изучению ползучести в целом. Говоря о ползучести на неустановившейся стадии, следует заметить, что ее наименьшая изученность обусловлена следующим. Из трех указанных стадий,  установившаяся стадия занимает более 90% всего времени с момента нагружения образца до его разрушения. Это дает основание полагать, что в рабочих условиях детали машин и механизмов в основном работают  в режиме установившейся стадии и по этой причине до настоящего времени ей уделяется  практически все внимание. Другой причиной слабой изученности неустановившейся стадии является ее сложность. Эксперименты показали, что на этой стадии в структуре материала наиболее интенсивно протекают процессы, приводящие к ее изменениям, что  в дальнейшем определяет деформационное поведение кристаллического твердого тела. Это обуславливает научную и практическую значимость ее изучения.

 

3 Образцы и методика эксперимента

 

Исследования проводились на стандартных цилиндрических, плоских и кольцевых  образцах из алюминия, промышленного алюминиевого сплава Д16, титана и циркония. Перед испытаниями они подвергались различным термическим, механическим и термомеханическим обработкам. Выбор указанных материалов продиктован, прежде всего, тем обстоятельством, что все они имеют практическое применение в машиностроении в качестве конструкционных материалов. Кроме того, поиск общих закономерностей деформационного поведения требовал изучения материалов с различной кристаллической решеткой. В связи с этим необходимо отметить, что алюминий и сплав Д16 имеют гранецентрированную кубическую решетку, титан и цирконий - гексагональную плотноупакованную решетку.

Кратковременные и длительные механические испытания проводились в условиях одноосного растяжения. По результатам кратковременных испытаний строились диаграммы растяжения и циклограммы для определения величин предела текучести 02. При длительных испытаниях  получали первичную кривую ползучести.

 

4 Установка для изучения кратковременных и длительных механических свойств металлов и сплавов

 

Выбор того или иного способа получения диаграммы растяжения зависит от условий эксплуатации металлоизделия или технологии его изготовления. Например, при таких технологических операциях как штамповка, вытяжка, прокатка мы имеем дело с постоянными скоростями деформирования. Но в подавляющем большинстве случаев изделия из металлов и сплавов работают в условиях, когда деформация  представляет  собой  следствие  приложенной нагрузки. Поэтому, при выборе конструкционного материала необходимо определение   кратковременных  механических  свойств,  в  числе которых и предел текучести, из диаграмм растяжения, построенных при  постоянной  скорости  нагружения.  К  сожалению,  в  настоящее  время практически отсутствуют технические средства, обеспечивающие построение таких диаграмм. Также следует отметить, что знание кратковременных механических характеристик не является достаточным условием для оценки работоспособности металлоизделий в каких-либо конкретных условиях эксплуатации. Для такой оценки необходимо проведение ресурсных испытаний на ползучесть и длительную прочность.

По той причине, что экспериментальные машины и устройства, предназначенные для изучения кратковременных механических характеристик, не обладают длительной устойчивостью, они не пригодны для испытаний на ползучесть. Для этих целей используют специально изготовленные машины, которые разделяются по способу нагружения. На сегодняшний день практически нет ни одного универсального устройства, которое позволяло бы проводить комплексные исследования кратковременных и длительных механических свойств. Для этих целей предназначена разработанная в Институте машиностроения КазНТУ им. К.Сатпаева универсальная установка, схема которой показана на рисунке 1.

При использовании предлагаемого универсального устройства во время испытаний на длительную прочность и ползучесть напряжение остается постоянным и может плавно регулироваться и имеет место температурная стабильность системы, которая обеспечивает точность измерения изменения длины образца.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


1 - верхний рычаг, 2 - нижний рычаг, 3 - соединительный  элемент, 4 – электродвигатель постоянного тока с редуктором, 5 - тележка, 6 - грузовая платформа, 7 - гибкий элемент, 8 - направляющий элемент, 9 - образец, 10 - верхний пассивный захват, 11 - нижний активный захват, 12 - температурно-стабилизирующий элемент, 13 - датчик деформации, 14 и 15 – опоры для верхнего и нижнего рычагов

Рисунок 1 - Универсальная установка для исследований длительных и кратковременных механических свойств твердых тел

 

Плавность нагружения и возможность его стабилизации на одном уровне достигается тем, что имеется возможность регулирования оборотов выходного вала электродвигателя постоянного тока в широком диапазоне скоростей нагружения и растягивающих усилий. Взаимно перпендикулярное расположение осей рычагов и образца исключают влияние термической нестабильности окружающей среды на измеряемую в процессе ползучести деформацию. Измерительная база установки соизмерима с длиной образца, что обеспечивает точность измерения удлинения образца.

Кроме того, установка обладает универсальностью. Она позволяет проводить кратковременные, длительные и комбинированные испытания материалов для определения и изучения их механических свойств (например, определить предел текучести и скорость ползучести на одном и том же образце).

 

5 Результаты экспериментального исследования предела текучести и упрочнения титана, алюминия, алюминиевого сплава САВ

 

         На первом этапе экспериментальных исследований строились диаграммы растяжения, представляющие собой графики в координатах нагрузка-деформация, которые затем перестраивались в координатах напряжение-деформация. Первые испытания произвольно выбранных образцов показали, что между диаграммами растяжения образцов одинаковой формы и размера, но с неконтролируемой технологической цепочкой их подготовки, имеется существенное различие, наблюдается изменение сопротивления материала деформированию.

По этой причине была изготовлена новая партия образцов по одной технологии. Перед испытаниями образцы подвергались отжигу в форвакууме. Следует отметить, что в каждом случае диаграммы растяжения получали на трех и более образцах. При этом разброс значений по пределу текучести не превышал 1%, что свидетельствует о структурной однородности приготовленных образцов и идентичности технологических операций их приготовления.

Для оценки деформационного упрочнения в последующих экспериментах строились циклограммы растяжения, рисунок 2. Циклограмма построена по результатам испытания образца непосредственно после отжига в форвакууме. Цифрами на графике обозначен номер цикла. В данном случае их 10 и каждый из них представляет собой неполную диаграмму растяжения, но достаточную для расчета предела текучести. Подобный график дает наглядное представление о том, как изменяется величина σ02 по мере накопления пластической деформации.

Из полученных графиков можно сделать вывод, что имеет место рост предела текучести от цикла к циклу, но при сравнимых величинах деформации численные значения предела текучести s02 заметно отличаются.  Уже на этом этапе исследований обращает на себя внимание, уменьшение прироста величины предела текучести при одинаковом увеличении пластической деформации. Это служит основанием сделать предположение, что процесс деформационного упрочнения имеет затухающий характер.

Для получения дополнительных данных по выявлению общих закономерностей деформационного упрочнения был исследован промышленный алюминиевый сплав САВ. 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Цикл 1 - s02 = 384 МПа, e=0,2%; цикл 2 - s02 = 445 МПа, e=1,0%; цикл 3 - s02 = 500 МПа, e=2,3%;  цикл 4 - s02 = 544 МПа, e=3,45%; цикл 5 - s02 = 572 МПа, e=5,23%; цикл 6 - s02 = 591 МПа, e=6,96%; цикл 7 - s02 = 601 МПа, e=8,7%; цикл 8 - s02 = 607 МПа, e=11,3%; цикл 9 - s02 = 670 МПа, e=17,2%; цикл 10 - s02 = 680 МПа, e=20,1%

 

Рисунок 2  - Циклограмма титана в отожженном состоянии

 

Эксперименты  проводились на плоских и кольцевых образцах. Отдельный интерес представляют диаграммы растяжения кольцевых образцов. Следует отметить, что наряду с деформационным упрочнением повышение предела текучести может быть следствием термической или какой-либо специальной обработки. Значения предела текучести и предела прочности для изделий, полученных промышленным способом, отражают комплексное воздействие технологических операций.

Циклограмма кольцевого образца после отжига показана на рисунке 3. После первого цикла нагружения и разгрузки циклограмма приобретает вид, аналогичный полученным при испытаниях цилиндрического или плоского образца. Все без исключения образцы независимо от их формы (кольцевые, цилиндрические, плоские) при циклировании показали упрочнение, выражающееся в росте предела текучести. Кроме того, изучение сплава САВ подтвердило затухающий характер процесса упрочнения с ростом пластической деформации, что следует из рисунка 3. Выявление эффекта деформационного упрочнения  и  установление  общих  закономерностей  его  проявления  в разных материалах требовало поиска параметров, позволяющих дать ему количественную оценку.

Для обеспечения достоверности экспериментальных результатов в каждом случае проводилось испытание от трех до пяти образцов. И как следует из рисунка 4, результаты испытаний четырех образцов титана из первой партии хорошо укладываются на одну кривую, которая имеет вид кривой насыщения. Представленная на рисунке 4  картина характерна для всех исследованных материалов.

 

Text Box: Нагрузка, кН

Деформация, %

 
 

 


Рисунок 3 – Циклограмма кольцевого образца САВ после отжига

 

Text Box: Предел текучести, МПа
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 4 - Кривая деформационного упрочнения титана (партия 1) при температуре 293К

 

Качественный вид графиков дает основание для их перестроения в двойных логарифмических координатах. К чему это привело, иллюстрируют рисунок 5. Как и предполагалось, график приобрел вид прямых линий, т.е. наиболее удобный для обработки и практического использования вид. Возможность точной экстраполяции прямой линии в область исследований, в которых проведение прямых экспериментальных наблюдений сопряжено с техническими или иными сложностями, позволяет прогнозировать поведение изучаемого явления. К тому же математическое описание прямой линии является наиболее простой формой.

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 5 - Зависимость предела текучести от накопленной пластической деформации образцов алюминия

 

         Исследования, проведенные на образцах из алюминия и титана,  показали, что зависимости предела текучести от накопленной пластической деформации аналогичны, т.е. прямолинейны в изученном интервале ε. Предварительная пластическая деформация растяжения в 6,5% после отжига не изменяет прямолинейного вида графика (график 2, рисунок 6), но угол наклона к оси абсцисс меняется.

Наличие графиков зависимостей σ02 = f(ε) позволяет записать математическое выражение, устанавливающее их взаимосвязь. В логарифмическом виде оно будет иметь вид

 

                                  ln= ln +  ln,                                                     

откуда

                                         ,                                                              

где j - коэффициент пропорциональности,  n - коэффициент, отражающий степень зависимости предела текучести от накопленной пластической деформации.

Таким образом, получаем степенное уравнение, которое в явном виде устанавливает взаимосвязь предела текучести с накопленной пластической деформацией.

 

1 - после отжига, 2 - после отжига и предварительной холодной

деформации  на 6,5%

Рисунок 6 - Зависимость предела текучести алюминия от накопленной пластической деформации

 

6 Влияние температуры на деформационное упрочнение

 

До настоящего момента были рассмотрены экспериментальные данные, полученные при комнатной температуре. При этом остается невыясненным вопрос о влиянии температуры на зависимости предела текучести от накопленной пластической деформации. Ответ на него дают результаты исследований, проведенные на образцах циркония. Интервал исследованных температур от 295К до 673К (0,14 – 0,31 Тпл, Тпл – температура плавления, равная 2138К). Экспериментальные данные в графическом виде представлены на рисунке 7. Они убедительно доказывают, что качественный вид зависимостей σ02 = f(ε) с изменением температуры сохраняется.

 

7 Влияние чистоты металла на деформационное упрочнение

 

Для достижения необходимых свойств металлических материалов в инженерной практике наряду с термической, механической и термомеханической обработками широко используют легирование. На следующем этапе исследований предстояло выяснить в какой мере предел текучести чувствителен к наличию примесей или легирующих добавок. Для этого, наряду с алюминием технической чистоты (99,95%), эксперименты проводились на алюминии с 0,2% кремния и 0,15% железа. Перед испытаниями партия образцов также подвергалась отжигу.

График зависимости предела текучести от величины накопленной пластической деформации показан на рисунке 8. Для удобства сравнения там же приведен график для технического алюминия (прямая 1).

 

Text Box: Предел текучести, МПа

Деформация, %

 
 

 


Температура испытания: 1- 295К, 2 – 398К, 3 – 673К.

 - образцы после отжига, - после отжига и прокатки,  - отжиг + 3,7% предварительной деформации, - отжиг + 3,0% предварительной деформации,  - отжиг + неконтролируемая предварительная деформация

 

Рисунок 7 -  Зависимость предела текучести циркония от накопленной пластической деформации в двойных логарифмических координатах

 

 

Text Box: Напряжение, МПа

Деформация, %

 
 

 


1 - Al 99,95%; 2 - Al + 0,2Si + 0,15Fe

Рисунок 8 – Графики зависимости предела текучести от накопленной пластической деформации

Сравнения показывает, что, несмотря на качественно одинаковый вид, имеются отличия. В первую очередь следует отметить, что у образцов алюминия с добавками кремния и железа предел текучести заметно ниже, чем у алюминия технической чистоты. К примеру, у образцов  Al 99,95% величина σ02 при первом нагружении равна 38,7 МПа, а у Al + 0,2Si + 0,15Fe  σ02 = 28МПа, т.е. в 1,4 раза ниже. Кроме отличий в численных значениях σ02 следует отметить различия в углах наклона прямолинейных графиков к оси абсцисс, что говорит об  их различной склонности к деформационному упрочнению.

 

8 Первичные кривые ползучести и их анализ

 

Рассмотренные систематические экспериментальные данные позволили установить основные закономерности деформационного упрочнения при кратковременных механических испытаниях. Но достижение поставленной цели требует проведения длительных испытаний на ползучесть. Основная масса таких экспериментов была проведена на образцах Al + 0,2Si + 0,15Fe.  Они проводились на установке, схема которой приведена выше. По результатам каждого эксперимента строились первичные кривые ползучести, которые представляют собой графики в координатах деформация-время, рисунок 9.

 

Время, час

 
Text Box: Деформация, %

Температура испытания 295 К. Мгновенная деформация ε0 = 1,4%

 

Рисунок  9 - Кривая ползучести образца Al + 0,2Si + 0,15 Fe

при напряжении 38 МПа

 

Для более детального анализа изменения скорости ползучести на неустановившейся стадии с течением времени, были построены и проанализированы графики ее зависимости  от времени испытания, рисунок 10.

 

Время, час

 

 
Text Box: Скорость ползучести

Рисунок  10 - Зависимость скорости ползучести от времени на неустановившейся стадии образца Al + 0,2Si + 0,15 Fe  при напряжении 50 МПа

 

Решение задачи по нахождению взаимосвязи накопленной пластической деформации, предела текучести и скорости ползучести на неустановившейся стадии требовало построения и анализа зависимостей  = f(e). Такой график показан на рисунке 11. Он не линеен и аналогичен зависимостям  = f(t).  По мере накопления деформации  скорость ползучести асимптотически приближается к конечному значению, равному скорости ползучести на установившейся стадии. Из рисунка также следует, что скорость ползучести и накопленная пластическая деформация находятся в обратной зависимости, поскольку с ростом e величина  уменьшается. Такое коррелированное поведение двух параметров  соответствует  мнению о том, что уменьшение скорости ползучести на неустановившейся стадии связано с деформационным упрочнением. 

 

Деформация, %

 
Text Box: Скорость ползучести

Рисунок 11 - Зависимость скорости ползучести на неустановившейся стадии от накопленной пластической деформации образца Al + 0,2Si + 0,15 Fe

при напряжении 38 МПа

Следуя опыту обработки экспериментальных данных по выявлению зависимости предела текучести от накопленной пластической деформации и имея в виду качественно одинаковый вид графиков  = f(e) и  s02 = f(e) была предпринята попытка представления зависимостей скорости ползучести на неустановившейся стадии от накопленной пластической деформации в двойных логарифмических    координатах.    При    этом    делалось    предположение,   что зависимости  = f(e)  подчиняются степенному уравнению.

Как и предполагалось, графики в двойных логарифмических координатах для пяти испытанных на ползучесть образцов имеют вид прямых линий, о чем свидетельствует рисунок 12.  Из этого следует, что зависимость скорости ползучести на неустановившейся стадии от накопленной деформации степенная и подчиняется уравнению

 = μ,

где q – коэффициент пропорциональности, μ – коэффициент, характеризующий степень зависимости скорости ползучести на неустановившейся стадии от накопленной пластической деформации.

При детальном рассмотрении графиков, приведенных на рисунке 12, обнаруживается одна особенность. Прямые линии, отражающие зависимость =f(e) имеют перегибы, приходящиеся на величину накопленной пластической деформации равную 0,1%.  А это означает, что существуют две области: быстрого изменения скорости ползучести и медленного. Независимо от напряжения, при котором проводились испытания, перегиб графиков приходится на одну и ту же деформацию равную 0,1%. На рисунке 12 пунктиром показаны усредненные линии. Там же, для наглядности, на графике 2 штрихпунктирной линией показана экстраполяция из области II в область I. Совершенно очевидно, что штрихпунктирная  и сплошная линия представляют собой два расходящихся луча. Ситуация аналогична для всех графиков, показанных на рисунке  12.

Существование двух областей говорит о наличии двух значений коэффициентов μ и q. По мнению автора, коэффициент μ может иметь практическую значимость, поскольку он характеризует степень зависимости скорости ползучести на неустановившейся стадии от накопленной пластической деформации. Иными словами, он говорит об интенсивности затухания скорости ползучести на неустановившейся стадии.  Но  этот процесс напрямую связан со структурными изменениями в материале при ползучести на первой, неустановившейся стадии. Следовательно, интенсивность снижения скорости ползучести отражает темпы структурной перестройки, протекающей в металлических материалах при ползучести.

Наличие двух областей можно интерпретировать следующим образом. Из литературных данных хорошо известно, что величина предела текучести σ02 является функцией скорости деформирования. Весьма вероятно, что скорости на начальном этапе ползучести достаточно велики для проявления такой зависимости, но по мере уменьшения ее либо нет, либо она столь незначительна, что соизмерима с погрешностью эксперимента.

Исследования деформационного упрочнения при кратковременных испытаниях показали, что взаимосвязь предела текучести с накопленной пластической деформацией описывается степенным уравнением. Выше отмечалось, что предел текучести был выбран в качестве характеристики деформационного упрочнения. Циклограммы строились по результатам испытаний с последовательным рядом нагружений и разгрузки образца. В экспериментах на ползучесть в начальный момент нагружения, аналогично кратковременным испытаниям, контролировались такие параметры, как нагрузка и деформация.  Этого было вполне достаточно для построения диаграммы растяжения до момента выхода на рабочую нагрузку. В дальнейшем пластическая деформация накапливалась в режиме ползучести, и по достижении установившейся стадии образец разгружался и нагружался вновь.

Таким образом, представлялась возможность определения предела текучести исследуемого образца  в начальный момент испытания, и после прохождения неустановившейся стадии. Пара таких графиков показана на рисунке 13. Здесь показаны частичные диаграммы растяжения образца, который испытывался на ползучесть при напряжении 38 МПа. Видим, что при первом нагружении предел текучести был равен 28 МПа, т.е такой же как и при кратковременных механических испытаниях, а после испытания на ползучесть он стал равен 33,9 МПа, что на 21 % выше начального. Это означает, что при длительных испытаниях на ползучесть также наблюдается деформационное упрочнение. Для его оценки был построен график зависимости предела текучести от накопленной пластической деформации, который показан на рисунке 14 в простых координатах. Следует отметить, что в данном случае учитывалась общая накопленная деформация, т.е. мгновенная деформация и накопленная в процессе ползучести

 

εΣ = ε0 + ε,

 

где  εΣ – суммарная деформация, ε0 – мгновенная деформация, ε – деформация на неустановившейся стадии.

Из рисунка видно, что в простых координатах график не линеен, качественный вид его такой же, как и у полученного при кратковременных механических испытаниях, т.е. вид кривой насыщения. Этот факт позволяет сделать предположение, что и в данном случае зависимость предела текучести от величины   накопленной   пластической  деформации   в  условиях   ползучести  на неустановившейся стадии подчиняется степенному закону.

 

 

Напряжение: 1 - 57 МПа, 2 - 53 МПа, 3 - 50 МПа, 4 - 45 МПа, 5 - 38 МПа

 

Рисунок  12 - Зависимость скорости ползучести на неустановившейся стадии образцов Al + 0,2Si + 0,15 Fe от накопленной пластической деформации

        

Рисунок 13 - Диаграммы растяжения, снятые до (1) и после (2) испытания на ползучесть образца  Al + 0,2Si + 0,15 Fe при напряжении 38 МПа

 

 

Рисунок 14  - Зависимость предела текучести от накопленной пластической деформации при ползучести на неустановившейся стадии образцов Al + 0,2Si + 0,15 Fe

 

Справедливость такого предположения иллюстрирует рисунок 15. Для наглядного сравнения экспериментальных результатов, полученных при кратковременных и длительных испытаниях, на рисунке показаны два графика. Здесь график 2 тот же, что и на рисунке 14. Очевидно, что зависимости, полученные в разных условиях заметно отличаются. Они представляют собой два луча, исходящих из одной точки с координатами σ02 = 28 МПа, ε = 0,2%. Это понятно, поскольку первое значение предела текучести было получено в одинаковых условиях, как при кратковременных, так и при длительных испытаниях. Представляется весьма важным расхождение графиков. Вероятно, оно связано с различными временами накопления пластической деформации. Это подтверждает высказываемое предположение о том, что при ползучести имеют место два процесса: упрочнение и разупрочнение.

Следствием разупрочнения является более низкое значение предела текучести в случае, когда пластическая деформация накапливается в процессе ползучести. И различие растет по мере роста деформации.

Установившаяся стадия характеризуется постоянством скорости  ползучести. А это может быть трактовано в пользу предположения о наступлении на ней равновесия между упрочнением и разупрочнением. Качественно одинаковый вид зависимостей σ02 = f(ε) говорит о возможности использования  уравнения (1) для ее описания. Но, поскольку, теперь мы имеем дело с двумя значениями предела текучести, полученных при кратковременных и длительных испытаниях, то уравнение требует изменения, которое позволяло бы их различать:

 

                                           σ02j = φjεν(j) ,                                                                     (1)

 

где j = к при испытаниях кратковременных и j = п – при ползучести.

В этом уравнении функционально связаны две величины, участвующие в рассмотрении вопроса о деформационном упрочнении на неустановившейся стадии ползучести. Выражение (1), полученное на основании анализа экспериментальных данных, представляет собой единое уравнение, применимое к описанию деформационного упрочнения при кратковременных и длительных испытаниях. Но, следует отметить, что коэффициенты,  в него входящие имеют разные численные значения для двух видов испытаний. 

Из рисунка 15 видно, что деформация на неустановившейся стадии накапливалась при разных напряжениях. Представляется интересным и важным рассмотрение вопроса о деформационном упрочнении в том случае, когда деформация в процессе ползучести на неустановившейся стадии накапливается при одном и том же напряжении. С этой целью были проведены дополнительные длительные эксперименты, на серии образцов из той же партии, при напряжениях 50 МПа и 53 МПа. Они показали, что полученные зависимости также описываются степенным уравнением. Доказательством этого служит рисунок 16.

Проведенные экспериментальные исследования позволили установить, что эффект деформационного упрочнения имеет место при разных способах деформирования, проявляется в увеличении предела текучести, имеет отличительные особенности при кратковременных и длительных испытаниях. Графики зависимости предела текучести от накопленной пластической деформации в двойных логарифмических координатах во всех случаях имеют вид прямых линий и описываются степенным уравнением вида (1).

Это выражение устанавливает связь предела текучести  с накопленной пластической деформацией, но в него не входит скорость ползучести на неустановившейся стадии.

Text Box: Предел текучести, МПа ММПа

Деформация, %

 
 

 


Температура испытания 295 К. Цифры у точек – напряжения, при которых проводились испытания

Рисунок 15– Зависимость предела текучести от накопленной пластической деформации при кратковременных испытаниях (1) и испытаниях на ползучесть на неустановившейся стадии (2)

 

На данном этапе исследований отметим, что предел текучести относится к кратковременным механическим характеристикам, а скорость ползучести характеризует длительные механические свойства. Таким образом, необходимо отметить одно важное обстоятельство. Уравнение (1) устанавливает взаимосвязь между длительными и кратковременными механическими свойствами. Это важное свидетельство, говорящее об условности границ деления  при рассмотрении единого объекта.

Деформация, %

 

Температура испытания 295 К

 

Рисунок 16 - Зависимость предела текучести от накопленной деформации на неустановившейся стадии ползучести при напряжении 50 МПа

         Проведенный на базе систематических экспериментальных исследований поиск привел к необходимости введения в анализ напряженности, равной отношению рабочего напряжения при ползучести к пределу текучести (s/s02). Это позволяет рассмотреть ползучесть на неустановившейся стадии с учетом изменения предела текучести. Рабочее напряжение при ползучести поддерживается на постоянном уровне. Также постоянной остается температура. Но предел текучести, как было установлено выше, меняется по мере накопления пластической деформации. Следовательно,  меняется  напряженность. С ростом деформации, s02 растет, а напряженность уменьшается. Скорость ползучести находится в прямой зависимости от напряженности. Уменьшение скорости ползучести на неустановившейся стадии является следствием понижения напряженности. Было получено экспоненциальное уравнение для описания скорости ползучести на установившейся стадии как функции напряженности. Оно имеет вид

 

                                                             = exp(),                                                           (2)

 

где В – размерный коэффициент, γ – коэффициент пропорциональности для данного материала. Обозначим для упрощения величину s/s02 = .  Прежде чем воспользоваться уравнением  (2) отметим, что оно было написано для установившейся стадии ползучести, а расчет напряженности велся с учетом предела текучести, полученного в начале испытания. Его изменение к концу неустановившейся стадии не учитывалось. По этой причине будем считать напряженность, рассчитываемую как отношение рабочего напряжения к пределу текучести в начале испытания,  условной.

Выражение (2) дает возможность построения графика  = f(у) (у – условная напряженность), который показан на рисунке 18. Здесь два прямолинейных графика. График 2 построен с использованием  условных значений напряженности.

График в виде прямой линии говорит о том, что экспериментальные данные, полученные в настоящей работе, тоже подчиняются экспоненциальному уравнению (2). Следовательно, возможно использование нормированного параметра  для их дальнейшего анализа. Исследования динамики изменения предела текучести с ростом накопленной пластической деформации на неустановившейся стадии позволяет построить действительный график зависимости   = f(д) (д – действительная напряженность). Расчет д в этом случае проведен с учетом действительных значений σ02 к концу неустановившейся стадии ползучести. Как видим,  действительный график (2) также прямолинеен. Он сдвинут по отношению к графику (1) и имеет другой угол наклона к оси абсцисс и, следовательно, другие значения постоянных В и γ, входящих в уравнение (2). Точки в нижней части рисунка соответствуют результату испытания при напряжении 37 МПа, когда установившаяся стадия не была достигнута за время более 1200 часов. Экстраполяция (пунктирные линии) до пересечения с графиками   = f(j) позволяет оценить скорость ползучести  на  установившейся  стадии.  Для  указанного    напряжения  » 6.10-10с-1. Как видим, полученные графики можно использовать для оценки скоростей ползучести на установившейся стадии в области чрезвычайно малых скоростей, имея несколько (три и более) значений скоростей ползучести на неустановившейся стадии, что позволяет значительно сократить время испытаний конструкционных материалов.

Нанесение на график (2) точек, соответствующих скоростям ползучести на неустановившейся стадии при действительных напряженностях показало, что они с большой точностью укладываются на прямую (2). А это означает, что скорости ползучести на неустановившейся и установившейся стадиях ползучести при равных действительных напряженностях равны. Это очень важный вывод, который следует из представленных экспериментальных данных и их анализа. Из него следует, что зависимости скорости ползучести на установившейся стадии от рабочих параметров (температуры, напряжения и прочих условий) могут быть построены по результатам испытаний, ограниченных неустановившейся стадией.

Таким образом, данные рисунка 18 дают обоснованное основание для заключения о корректности использования уравнения (2) в дальнейшем анализе.

Это уравнение устанавливает функциональную взаимосвязь между скоростью ползучести и пределом текучести. Отметим, что для неустановившейся стадии предел текучести является функцией накопленной деформации, т. е. σ02 = σ02(e). Тогда уравнение (2) перепишем в виде

 

                                  = exp(),                                                                (3)

Выражение (3) применимо к оценке скорости ползучести на неустановившейся и установившейся стадий ползучести. Его удобно использовать в случае, когда известна динамика изменения предела текучести. Для оценки скорости ползучести в любой момент времени по величине накопленной пластической деформации удобнее использовать уравнение в несколько ином виде.  

Запишем его с учетом (1)

 

                                          = В exp().                                                   (4)

 

Здесь сделана замена σ02 на тождественное ему уравнение φпεν(п) . Полученное уравнение может быть упрощено. Принимая во внимание, что φп величина постоянная, запишем

 

γ/φп = χ

уравнение (4) перепишем в виде

 

 = В exp(χσε(п)).

                                                             

Отметим, что с наступлением установившейся стадии  величина показателя степени n становится равной нулю и выражение в скобках превращается в постоянную. Следовательно, постоянной становится и скорость ползучести, что соответствует экспериментальным данным.

 

 

1 - действительный график, 2 - условный график.    - скорости ползучести на установившейся стадии,  - скорость ползучести на неустановившейся стадии

 

Рисунок 18 -  Зависимость скорости ползучести от напряженности

 

        

        

 

 

Выводы

 

         В результате решения поставленных задач был получен ряд важных, с практической и научной точек зрения, результатов:

1. Разработан метод, позволяющий проводить испытания цилиндрических, плоских и кольцевых металлических образцов в условиях одноосного растяжения с постоянной или переменной скоростью нагружения на универсальной установке.

2. Спроектирована и внедрена в эксплуатацию универсальная установка для изучения кратковременных и длительных механических свойств металлов и сплавов в широком интервале температурно-силовых условий. Установка позволяет проводить ресурсные испытания на ползучесть с постоянной или переменной нагрузкой, напряжением или температурой. На установку получен предпатент РК.

3. Определены степенные зависимости величины предела текучести от накопленной пластической деформации, выявлены общие закономерности для исследованных материалов и показано, что изменение температуры испытания не меняет качественного вида зависимости, а приводит лишь к изменению количественной оценки исследованных параметров.

4. Установлено, что эффект деформационного упрочнения при ползучести на неустановившейся стадии, как и при кратковременных испытаниях, проявляется в увеличении предела текучести с ростом накопленной пластической деформации и описывается степенным уравнением.

5. Выявлено, что ползучесть на неустановившейся стадии контролируется двумя процессами: упрочнением и разупрочнением. Влияние разупрочнения проявляется в более низком значении величины предела текучести при ползучести по сравнению с кратковременными испытаниями при одинаковой накопленной пластической деформации.

6. Показано, что к анализу неустановившейся стадии ползучести применима нормированная величина, напряженность, представляющая собой отношение действующего напряжения к пределу текучести. Выявлено, что ползучесть на неустановившейся стадии протекает при переменной величине напряженности.

7. Получены зависимости скорости ползучести на неустановившейся стадии от накопленной пластической деформации, которые описываются экспоненциальным уравнением.

8. Показано, что результаты экспериментальных исследований скорости ползучести на неустановившейся стадии применимы к оценке скорости установившейся ползучести.

 

 

 

 

 

 

Список опубликованных работ по теме диссертации

 

1        Чумаков Е.В., Жансеркеева З.А. Исследование деформационного упрочнения металлов и сплавов на неустановившейся стадии ползучести. - Алматы, «Вестник КазНТУ им. К.Сатпаева» №2 (59), 2007, 82-86 с.

2        Чумаков Е.В., Жансеркеева З.А. Экспериментальное изучение деформационного упрочнения циркония и алюминиевого сплава САВ на неустановившейся стадии ползучести. - Алматы, «Вестник КазНТУ им. К.Сатпаева» 3 (60), 2007, 151-155 с.

3        Чумаков Е.В., Жансеркеева З.А. Ползучесть высоконикелевого сплава 03Х20Н45МБРЦ и алюминиевого сплава Д16 на неустановившейся стадии. - Алматы, «Вестник КазНТУ им. К.Сатпаева» 4 (61), 2007, 113-118 с.

4        Жансеркеева З.А., Чумаков Е.В. Деформационное упрочнение и неустановившаяся стадия ползучести. - Труды Международной научной конференции «Наука и образование - ведущий фактор стратегии «Казахстан – 2030», Караганда, КарГТУ, 2007, 264-266 с.

5        Чумаков Е.В., Жансеркеева З.А. Экспериментальное изучение деформационного упрочнения металлов и сплавов на неустановившейся стадии ползучести. – Астана, «Вестник ЕНУ им. Л.Н. Гумилева», №4 (56), 2007, 117-123 с.

6        Жансеркеева З.А., Курапов Г.Г., Паничкин А.В., Нарбаев А.А. Современное состояние теории пластической деформации металлов. –Материалы Международной научной конференции «Состояние и перспективы развития механики и машиностроения в Казахстане», Алматы: Изд-во ЦНТИ, 2007, т.1, 73-76 с.

7        Жансеркеева З.А., Чумаков Е.В. Влияние деформационного упрочнения на предел текучести на неустановившейся стадии ползучести при кратковременных испытаниях с постоянной скоростью растяжения. - Алматы, Вестник КазАТК, № 1, 2008, 126-128 с.

8     Чумаков Е.В., Цой Д.Н., Жансеркеева З.А. Предел текучести как структурно чувствительный элемент. – Труды  Международной научно-практической конференции «Наука и инновации на ж/д транспорте», Алматы, КазАТК, 2007, т.8, 129-132 с.

      9 Чумаков Е.В., Жансеркеева З.А. Деформационное упрочнение алюминия и титана. - Алматы, Вестник КазАТК, №3, 2008, 97-100 с.

10 Чумаков Е.В., Жансеркеева З.А. Деформационное упрочнение и ползучесть ГЦК-металлов. - Алматы, Вестник КазАТК, №4, 2008, 101-104 с.

 

 

 

 

 

ЖАНСЕРКЕЕВА ЗАРИНА АРКАДЬЕВНА

 

Жылжыпсырғымалықтың белгісіз сатысына деформациялық беріктенудің ықпалы

 

05.03.01 – «Механикалық, физика-техникалық өңдеу технологиялары мен жабдықтары» 

 

ТҮЙІНДЕМЕ

 

“Қазақстан - 2030” бағдарламасында еліміздің индустралдануы бойынша, оның ішінде машина жасау өнеркәсібіндегі стратегиялық бағыттары қарастырылған. Қазақстан Республикасының алдағы мақсаттарындағы 2015 жылға дейінгі “Индустралды-инновациялау стратегиясын” дамыту және қолдану жоспарларына және адамның өмір сүру ортасын кеңейтуге байланысты  жоғары физика-механикалық қасиеттерімен жаңа конструкциялық материалдарды табу бойынша мәселелерді шешу қажет.

Жылжығыштық деп  аталатын жүктемелер мен температураның ұзақ уақыт бойы әсер етуі жағдайында болатын металдық бұйымдардың деформациясы машиналар мен механизмдердің жұмыс істеу қабілеттілігін анықтайтын негізгі өлшемдердің біріне жатады. Жалпы жағдайда жылжығыштық дегеніміз тетікбөлшектерді бастапқы жүктемеге түсіру кезінде туатын деформация мен кернеудің уақыт бойынша өзгеруі аталады. Жылжығыштық өлшемі уақыт бойынша бірінші шығарылған жинақы созымды деформацияны анықтайтын оның жылдамдығы болып табылады. Жоғарыда айтылғаннан жылжығыштық металдық бұйымның өлшемі мен пошымын өзгертеді, ал жылдамдық туралы айтсақ, бұл құбылыстың тез жүретінін байқауға болады. Демек, жылжығыштықдың жылдамдығы жеке тетікбөлшектің де, сонымен қатар машиналар мен механизмдерді жалпы алған кезде де пайдаланудың ұзақтылығын анықтайтын өлшем болып табылады. Осы себептен оны оқып білу тек қажетті емес, сонымен бірге машина жасаудың ары қарай қарқынды дамуында орны бөлек.

Мұнымен қатар, қажетті ғылыми қызығушылық жылжығыштықдың бастапқы белгісіз сатысында жылдамдығының өшкен кезіндегі процестерді зерттеуді ұсынады. Оқу және ғылыми әдебиеттерде көрсетілген құбылыс туралы түсінік деформациялық беріктендіруге әкелінген. Бірақ осы уақытқа дейін деформациялық беріктендіруге дұрыс ғылыми жетікті бағалауға болатын шама табылмаған. Сонымен қатар инженерлік практика тәжірибелік берілгендер негізінде жатқан есептерулерге сүйенеді. Олар қаншалықты дәл болса, соншалықты машиналар мен механизмдердің апатсыз пайдалану мерзімін болжау ықтималдығы жоғары болады. Осы жағынан қарағанда жылжығыштықдың белгіленбеген сатысын зерттеу актуалды.

Осы жұмыстың мақсаты деформациялық беріктендірудің сандық және сапалы шамаларын және оның белгіленбеген сатыдағы жылжығыштық жылдамдығына ықпалын анықтау болып табылады. Тәжірибелік зерттеулер титаннан, 99,95 % тазалығымен алюминийден, алюминийлі қорытпа САВ, 0,2% кремнийі және 0,15% темірі бар алюминийден, цирконийдан жасалған цилиндрлі, жазық және сақина тәрізді үлгілерге жүргізілді.

Жұмыстың ғылыми жаңалығына келесі жатады:

- металдар мен қорытпалардың қысқа және ұзақ уақытты механикалық қасиеттерін алуға арналған әмбебапты тәжірибелік қондырғы өңделді;

- жинақталған созымды деформацияның өсуімен ағу шегінің шамасы да жоғарылайтынымен түсіндірілетін деформациялық беріктендіру әсері (эффект) бекітілді;

- ағу шегінің жинақталған созымды деформация шамасына тәуелділігін беретін дәрежелік теңдеу алынды;

- ағу шегінің жинақталған созымды деформациядан тәуелділігінің сапалы түріне сынаудың температурасының ықпалы болмайтыны көрсетілді;

- ағу шегінің шамасының өсетіні, ал жинақталған созымды деформацияның өсуімен жылжығыштық жылдамдығының төмендейтіні көрсетілді;

- қысқа уақытты механикалық сынаулармен салыстырғанда жылжығыштықға сынау кезінде ағу шегіне беріктендірудің ықпалының төмендеуімен пайда болатын беріксіздену әсері бекітілді;

- бекітілмеген сатыдағы жылжығыштық жылдамдығын деформациялық беріктендіру шамасынмен байланыстыратын теңдеу алынды.

Қысқа және ұзақ уақытты механикалық сынаулар кезінде алынған жүйелік тәжірибелік берілгендердің үлкен жинағы металдар мен қорытпалардың деформациялық жүрісінің бірлік теориясын табу мақсатында теориялық жұмыстармен айланысатын зерттеушілердің қызығушылығын туғызады. Сонымен бірге сынаудың нәтижелерін талдау кезінде алынған математикалық теңдіктер ұзақ және қысқа уақытты механикалық қасиеттердің арасындағы өзара байлыныстың бар екенін көрсетті. Жұмыстағы алынған нәтижелердің практикалық мәнін зерттеу нәтижелерін инженерлік практикада қолдану, олардың жұмыс істеу қабілеттілігін ең жоғары және негізді бағалау үшін машиналар мен механизмдерді жобалау кезіндегі есептеулерде қолдану мүмкіншілігі анықтайды.


ZHANSERKEEVA ZARINA ARKADIEVNA

 

The influence of a strain hardening at unsteady stage

 

05.03.01 major – Mechanical and physics-technical processing 

technology and equipment

 

RESUME

 

The Program «Kazakhstan-2030» stipulates the strategic direction on industrialization of the country, and particularly, in a machine building industry.  Based on the interests of the Republic of Kazakhstan in terms of the plan of development and realization of  “The Industrial – Innovation Strategy”  and due to the expansion of the sphere of human activity,  the solution is necessary for the problem of creation  of new structural materials with advanced  physical-mechanical properties.  

The strain of metal ware running in conditions of long-term effect of load and temperature named a creep is one of the major parameters defining operability of machines and gears. Generally a creep is perceived as changes in strains and tension, arisen as a result of initial loading of a part with the lapse of time.   A measure of a creep is the creep rate, which is determined by the first derivative  of accumulated  plastic deformation on time. From the mentioned above, it follows, that the creep causes changes in size and form, and the creep rate shows how fast it happens.    So, the creep rate is a parameter  defining duration of operation, both of a  separate part, and machine or gear as a whole.  Therefore the  study of creep is  not simply  important,  but vitally  necessary for further successful development of machine construction industry.

Besides, the study of processes resulting in damping  of creep rate on initial  unsteady stage of a creep, represents the doubtless scientific interest. In the educational and scientific literature, the explanation of   the indicated phenomenon is reduced to a strain hardening. But till now there is no value or values, which would allow to give the scientifically reasonable correct assessment of a strain hardening. It is important also to note, that the engineering practice is founded on calculations that are   based on the experimental data.   And the more precise they are, the higher probability  is to prognosticate the  terms of an accident free  operation of machines and gears.  From this point of view, the importance  of the study  of unsteady stage of a creep is obvious.

The purpose of this work was to define  quantitative and qualitative  parameters of a strain hardening and its influence on  creep rate at unsteady stage. The experimental studies were conducted on cylindrical, flat and ring samples of titanium, aluminum with  purity 99,95 %, aluminum alloy САВ, aluminum with  0,2 % of silicon  and 0,15 % Fe and  zirconium.

The scientific novelty of this work is the following:

- A unique experimental facility to study short-term and long- term mechanical characteristics of metals and alloys has been developed;

- Effect of a strain hardenings expressed in the fact that with the growth of accumulated plastic deformation, the value of yield strength increases, has been defined;

- The power mode equation describing dependence of yield strength on the value of accumulated plastic deformation is developed;

-It has been demonstrated, that the temperature of the test does not affect the qualitative type of dependence of the yield point from accumulated plastic deformation;

- It has been demonstrated that the value of yield point increases, and the creep rate drops with the growth of accumulated plastic deformation;

- The effect of softening is defined, which shows in decrease of effect of hardening on yield point during  creep tests in comparison with  short-term mechanical tests;

- The equation connecting creep rate at unsteady stage with value of a strain hardening has been developed.

The considerable set of systematic experimental data received at short-term and long term  mechanical  tests, represents apparent interest  for researchers involved in  theoretical surveys with the purpose of building of the unified theory of straining conduct of metals and alloys.  Besides, the mathematical expressions received at the analysis of the test data, indicate the correlation between long-term and short-term mechanical characteristics. The practical significance of outcomes received in the study, is determined by a possibility of using the results of the study in the engineering practice, in calculations during the  design of  machines and gears for the more precise and reasonable assessment of their operability.