Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Металловедение и термическая обработка металлов

Диссертационная работа:

Нуждина Татьяна Валентиновна. Закономерности хрупкого разрушения и их применение для анализа упрочняющих технологий, структурно-энергетического состояния закаленных сталей и предотвращения поломок протяжек : дис. ... канд. техн. наук : 05.16.01 Н. Новгород, 2006 193 с. РГБ ОД, 61:07-5/1025

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ЯВЛЕНИЕ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ И ЕГО
ПРОЯВЛЕНИЯ В ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЯХ

(ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПО СОСТОЯНИЮ ВОПРОСА)

  1. Определение хрупкого разрушения и области его проявления в металлах и сплавах при использовании их в технике и технологиях

  2. Анализ производственных данных ОАО ГАЗ по хрупкому разрушению быстрорежущей стали после различных режимов термической обработки, технологий химико-термической обработки и нанесения покрытий

  3. Современные технологии повышения качества инструментальных сталей

  4. Классификация трещин при термической обработке инструмента ->0

1.5 Влияние различных технологических факторов на образование
хрупких трещин в инструментальных сталях 3 7

  1. Влияние прокаливаемое и закаливаемости стали на образование хрупких трещин 37

  2. Влияние формы и размеров изделий на образование трещин 45

  3. Анализ технологии термической обработки протяжек 54

  4. Анализ состояния проблемы хрупких разрушений протяжек и пути

их устранения в инструментальном производстве ОАО «ГАЗ» "

1.5.5 Влияние структурных факторов (концентраторов напряжений) на
образование хрупких трещин в поликристаллах 59

1.6 Влияние напряженного состояния детали на хрупкое разрушение "О
1.6.1 Показатели для оценки напряженного состояния 4

  1. Максимальные значения прочности на сдвиг и на отрыв "4

  2. Механический показатель напряженного состояния 6

  3. Структурно - энергетический показатель напряженного состояния "

1.7 Энергетическая природа хрупкого разрушения (на примере стали
Р6М5) 69

1.8 Энергетические факторы, влияющие па закономерности хрупкого
разрушения 74

  1. Значения и формулы для расчета истинной поверхностной энергии 74

  2. Универсальная постоянная разрушения - новая константа материала 76

  3. Проблема трещине-ведения и критерии хрупкого разрушения 77 Выводы по первой главе 78 ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛОВ С ПРЕДЕЛЬНОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ ДО 10% 82

2.1 Схема наступления предельного состояния в хрупких и пластичных
материалах 82

  1. Разработка уравнения для установления связи предельной деформации с основными структурными, силовыми и энергетическими характеристиками поликристалла 84

  2. Основные закономерности хрупкого разрушения металлов с предельной деформацией до 10% в зависимости от различных структурно-энергетических факторов 88

2.4 Комплексность условий хрупкого разрушения поликристалла 89
Выводы по второй главе 92
ГЛАВА 3 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
ВНУТРЕННИХ И ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ 93
З.Юбъекты исследования: изделия, материал и режимы обработки 93
3.2 Методы исследования структурных факторов 96

  1. Макроанализ изломов 96

  2. Микроанализ структуры 98

  3. Методика расчета фрактальной размерности карбидов 103

  4. Метод рентгеноструктурного анализа 104

3.2.5 Метод измерения плотности 105
3.3 Расчетные и аналитические методы исследования внешних факторов

(геометрия изделия, напряженное состояние) на примере протяжек 106

3.3.1 Расчет коэффициентов сложности формы протяжек по
соотношению периметров и площадей 106

3.3.2 Расчет рабочих напряжений в поперечном сечении протяжки 108

3.3.3 Комплексный расчет показателей напряженного состояния
протяжек по геометрическим и силовым параметрам (твердости,
концентрации напряжений, уровню нагрузке) 108

3.3.4 Расчет критериев разрушения хрупких материалов (сталь Р6М5,
чугуны марок КЧ и ВЧ, графитизированные стали, штамповые стали) 110

  1. Механические испытания 110

  2. Статистическая обработка данных 112

  1. Дисперсионный анализ 112

  2. Оценка точности измерений 113 Выводы по третьей главе 115 ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ЗАКОНОМЕРНОСТИ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ 116

4.1 Результаты исследования структурно-энергетических факторов 116

  1. Расчет доли упругой энергии в общую энергоемкость материала 116

  2. Макроанализ изломов 118

  3. Микроанализ структуры 118

  4. Значения диапазона фрактальной размерности карбидов 119

  5. Результаты рентгеноструктурного анализа 120

  6. Результаты измерения плотности 123

  7. Результаты механических испытаний 125

4.2 Влияние внешних факторов (геометрия изделия, напряженное
состояние) на хрупкое разрушение протяжек 128
4.2.1 Диапазоны коэффициентов сложности формы протяжек по
соотношению периметров и площадей 128

4.2.2 Величины рабочих напряжений в поперечном сечении протяжки 129

4.2.3 Комплексный расчет показателей напряженного состояния
протяжек по геометрическим и силовым параметрам (твердости,
концентрации напряжений, уровню нагрузке) 131

  1. Анализ критериев разрушения хрупких материалов (сталь Р6М5, чугун марок КЧ и ВЧ, графитизированная сталь, штамповая сталь) 133

  2. Результаты статистической обработки данных 137

  1. Дисперсионный анализ 137

  2. Оценка точности измерений 142 4.3 Обобщенная оценка предельного состояния хрупких материалов по критерию зарождения трещин и предельной деформации 144 Выводы по четвертой главе 146 ГЛАВА 5 ПРИМЕНЕНИЕ УСТАНОВЛЕННЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ И КРИТЕРИЯ ЗАРОЖДЕНИЯ ТРЕЩИН ДЛЯ АНАЛИЗА УПРОЧНЯЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ И РАЗРАБОТКИ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ РАЗРУШЕНИЯ БЫСТРОРЕЖУЩИХ СТАЛЕЙ 148

5.1 Алгоритм анализа упрочняющих технологий 148

5.2 Разработка мероприятий по предотвращению разрушения
быстрорежущих сталей 151
Выводы по пятой главе 152
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 153
ПРИЛОЖЕНИЯ 156
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 184

Введение к работе:

Актуальность. Хрупкое разрушение является сложным явлением и характерно для быстрорежущих (типа Р6М5, Р18 при HRC 62-64), штамповых сталей, чугунов и других материалов. Причинами хрупкого разрушения быстрорежущих сталей являются сложное структурно-энергетическое состояние, геометрия инструментов типа протяжек и динамические нагрузки при их работе. Сложная геометрия инструмента усиливает отрицательную роль напряженного состояния трехосного растяжения и снижает предельную деформацию закаленной стали практически до нуля. При удлинении d0 энергетическим условием разрушения является распространение острых трещин Гриффитса. При удлинении d>0 распространению трещин предшествует пластическая деформация, обеспечивающая зарождение трещин. Следовательно, физические условия наступления хрупкого разрушения являются комплексными: энергетическими и деформационными. В работах В.И. Владимирова, В.И. Бетехтина, Е.М. Савицкого, В.Л. Колмогорова, А.С. Тихонова, М.А. Зайкова, М.Я. Дзугутова, Ю.Н., Работнова, В.А. Скуднова, В.В. Рыбина, В.А. Лихачева и других обсуждались закономерности предельной деформации металлов в зависимости от металлургических, физических, технологических факторов. При этом использованы представления о конкуренции процессов пластической деформации и разрушения, которые идут в нагруженном теле с момента приложения нагрузки до распада образца на части. В этих работах отчетливо представлена роль силовых, временных, энергетических, пространственно-геометрических факторов и повреждаемости. Однако закономерности предельной деформации хрупких материалов в интервале удлинений d, совпадающих с относительным сужением y в пределах от 0 до 10% (до момента образования сосредоточенной шейки в образце при растяжении), в литературе систематизированы недостаточно. При анализе хрупких разрушений представляет большие трудности выделение роли структурных, пространственно-геометрических, фрактальных, энергетических факторов в общей кинетике разрушения. Несмотря на многочисленные работы А. Гриффитса, Я.Б. Фридмана, Я.М. Потака, Н.Н. Давиденкова, Л.С. Кремнева, В.Н. Гриднева, Ю.М. Мешкова, В.М. Финкеля и многих других исследователей, посвященные анализу хрупкого разрушения высокотвердых, литых сталей и сплавов и прочих материалов, актуальной является проблема разработки уравнения связи предельных характеристик хрупких материалов с твердостью, морфологией и фрактальностью структуры, дефектностью, релаксацией напряжений, степенью разрыхления материала, поверхностной энергией, напряженно деформированным состоянием.

Цель работы. Комплексное изучение природы и закономерностей хрупкого разрушения и их применение для анализа технологий, структурно-энергетического состояния материалов (быстрорежущих сталей, чугунов, графитизированных и штамповых сталей и других) и разработка мероприятий по предотвращению разрушений инструментов сложной геометрической формы (типа протяжек).

Программа работы включала решение следующих задач:

  1. Составление уравнения и выявление закономерностей связи предельной деформации стали (в пределах от 0 до 10%) с внутренними факторами (размер, концентрация, форма, фрактальная размерность карбидов, плотность металла) и внешними факторами (геометрия инструмента и нагрузка) быстрорежущих сталей.

  2. Использование полученных закономерностей поведения предельной деформации для анализа упрочняющих технологий, обеспечивающих получение оптимальных структур и повышение норм стойкости и надежности инструмента.

  3. Изучение структурно-энергетических состояний быстрорежущих сталей в зависимости от:

а) формы, количества (концентрации) карбидов после термической обработки;

б) напряженно-деформированного состояния инструмента сложной геометрии, включающей расчеты:

- коэффициентов сложности геометрической формы протяжек;

-общего показателя напряженного состояния, зависящего от твердости, концентрации напряжений, прилагаемых нагрузок в различных участках протяжек и сравнение с уровнем механических свойств стали;

4. Изучение методики и расчет фрактальной размерности границ карбидов.

5. Выявление значимости внутренних и внешних факторов по влиянию на предельную деформацию до разрушения методом дисперсионного анализа.

6. Определение физических (плотность), механических (твердость) свойств и структуры (макроанализ изломов, микроанализ, рентгеноструктурный анализ) стали S700 подвергнутой различным видам термической обработки.

7. Расчеты величин энергоемкости, критерия зарождения трещин (для чугунов, инструментальных и графитизированных сталей) и установление их взаимосвязи с величиной предельных деформаций в пределах закона сохранения постоянства деформированного объема, выражающегося уравнением (1+d)(1-y)=1, т.е. когда d=y.

8. Разработка мероприятий по предотвращению разрушения протяжек и разработки перспективных технологий.

Объекты исследований:

Инструментальные быстрорежущие стали Р6М5, S700 фирмы ВНLER (по химическому составу Р9М4К10); чугун (ковкий, высокопрочный); графитизированные стали с различной дисперсностью графита Г1 (средний размер частиц 1,3 мкм), Г4 (размер частиц 4,99 мкм), Г6 (размер частиц 9,24 мкм); сталь Гадфильда 110Г13Л, штамповые стали марок 5ХНМ, 3Х3М3Ф, 4Х5МФ1С, 4ХМФС.

Методы исследования: оптическая микроскопия (макро- и микроанализ) на микроскопах типа МБС-10 и МИМ-7 с применением цифрового фотографирования; механические испытания на растяжение (УМЭ-10Т), твердость по Роквеллу (ТК-2), Виккерсу (Zwick), рентгенофазовый анализ (ДРОН-2); гидростатическое взвешивание (весы аналитические ВЛА-200г-М) для определения плотности; аналитические методы: статистическая обработка данных (оценка точности измерений, дисперсионный анализ) с использованием Excel 2004, анализ сложности геометрической формы с применением программы AutoCAD Mechanical 6 Power Pack.

Научная новизна.

1. Составление уравнения и выявление общих закономерностей поведения предельной деформации до разрушения хрупких материалов при удлинениях от 0% до 10% в зависимости от внутренних (параметры структуры) и внешних факторов (геометрия, нагрузка, напряженное состояние и других).

2. Комплексное изучение структурно-энергетических состояний быстрорежущей стали с учетом фрактальной размерности границ карбидов.

3. Общая оценка напряженно-деформированного состояния сталей, включающая: расчеты напряженного состояния по твердости в деталях, подвергнутых объемной и поверхностной термической обработке; коэффициентов сложности формы различных деталей; коэффициента концентрации напряжений от нагрузок в различных участках протяжки.

4. Установление значимости факторов (твердости, общего коэффициента концентрации напряженного состояния по геометрии изделия, коэффициентов сложности формы по площади поверхности и по соотношению площадей поперечного сечения по зубу и по впадине) по влиянию на предельную деформацию до разрушения методом дисперсионного анализа.

5. Установление общей для всех металлов связи критерия зарождения трещин с величиной удлинения на основе комплексности условий хрупкого разрушения.

6. Установление влияния различных режимов отпуска на плотность быстрорежущей стали.

Практическая ценность данной работы заключается в следующем:

установлены критерии оценки качества инструментальных сталей по величине предельной деформации и критерию зарождения трещин после упрочняющих технологий;

рассчитаны коэффициенты сложности геометрической формы протяжек и установлено их влияние на концентрацию напряжений по опасным (слабым) сечениям протяжек, на показатель напряженного состояния изделия, на снижение предельной деформации и критерий зарождения трещин;

на основе установленных закономерностей хрупкого разрушения материалов разработан алгоритм анализа упрочняющих технологий, обеспечивающий нахождение путей повышения качества изделий;

проведено и проанализировано 15 упрочняющих технологий термической и комбинированной термической и импульсно-магнитной обработок стали S700, для которой установлены оптимальные режимы обработки, обеспечивающие повышенные плотность металла, предельную деформацию до разрушения, критерий зарождения трещин и меньший уровень микронапряжений;

апробирована методика количественной оценки зубчатости границ карбидов с помощью фрактальной размерности и показано, что с увеличением зубчатости концентрация напряжений снижается, пластичность сталей повышается, следовательно, надежность работы инструмента повышается;

Апробация работы. Отдельные этапы и основное содержание работы докладывались на II Региональной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки Нижегородского региона» 16 мая 2003г; 9-й Нижегородской сессия молодых ученых (Технические науки) 10-14 февраля 2004г; Научно-технической конференции молодых ученых и студентов, ННИИРТ 5-6 мая 2004г.; IV Международном междисциплинарном симпозиуме «Фракталы и прикладная синергетика», Москва 14-17 ноября 2005 г.; 10-й Нижегородской сессии молодых ученых (Технические науки) 27–3 февраля 2005г.; IV Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки Нижегородского региона» 26-27 мая 2005г; 11-й Нижегородской сессии молодых ученых (Технические науки), 12–16 февраля 2006г; V Международной научно-технической конференции «Будущее технической науки Нижегородского региона» 19 мая 2006г.

Работа поддержана ФЦП «Интеграция» в рамках УНЦ НГТУ «Физические технологии в машиностроении» по направлению «Разработка научных основ низко- и высокоупрочняющих технологий на основе исследований закономерностей поведения структур, строения изломов и предельных характеристик металлов» в период с 2003 по 2005 годы.

Публикации: основное содержание диссертации опубликовано в 13 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе, списка литературы и пяти приложений. Содержит текст на 193 страницах, 57 таблиц, 55 рисунков (включая фотографии микро- и макроструктур), список литературы из 100 наименований, приложения в виде таблиц и рисунков и двух актов внедрения.

Подобные работы
Воздвиженский Илья Николаевич
Прогнозирование усталостных свойств титановых сплавов на основе анализа закономерностей их разрушения при динамических испытаниях
Быдзан Антон Юрьевич
Закономерности усталостного разрушения дюралюмина Д16АТ, стали 20Х13 и ее композиций с Ni-Cr-B-Si-покрытиями на мезоуровне
Дроздова Татьяна Николаевна
Изучение закономерностей и моделирование разрушения поверхности никелевых сплавов с целью повышения стойкости анодов в высокотемпературных кислородсодержащих расплавах
Пачурин Герман Васильевич
Закономерности сопротивления усталостному разрушению на воздухе и в коррозионной среде деформационно-упрочненных металлических материалов и повышение на их основе долговечности изделий
Анохин Александр Андреевич
Установление закономерностей упруго-пластического разрушения сталей и разработка рекомендаций по уменьшению металлоемкости сельхозмашин
Гордиенко Антонина Ильдаровна
Закономерности организации пластического течения и последующего разрушения на мезо- и макромасштабном уровнях в шейке высокопрочных поликристаллов при статическом растяжении
Шведов Михаил Афанасьевич
Параметры вязко-хрупкого разрушения сталей и их применение для управления качеством полуфабрикатов и изделий
Пучков Сергей Владимирович
Анализ изнашивания и разработка экологически чистой технологии химико-термической упрочняющей обработки рабочих органов кормоприготовительных машин
Терехов Владимир Константинович
Анализ дефектов борированного слоя и разработка на его основе технологии борирования деталей машин
Красильникова Марина Александровна
Обоснование выбора рациональной технологии изготовления и термической обработки отливок "лопатка" ГТД на основе анализа изменения структуры и свойств жаропрочных никелевых сплавов в условиях повышенных температур

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net