Секция “Численные методы и пакеты прикладных программ механики конструкций”




НазваниеСекция “Численные методы и пакеты прикладных программ механики конструкций”
Дата17.10.2012
Размер61.3 Kb.
ТипИсследование

Секция “Численные методы и пакеты прикладных программ механики конструкций”

УДК 621

Багмутов В.П., Столярчук А.С., Коробов А.В.

Волгоградский государственный технический университет, г. Волгоград

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ МАТЕРИАЛА МЕТОДОМ ИЗМЕРЕНИЯ МИКРОТВЕРДОСТИ

Методом измерения микроствердости исследованы закономерности повреждения материала после его длительной эксплуатации в изделии. Статистическая обработка полученных результатов показала, что закон нормального распределения значений твердости, измеренной на мезомасштабном уровне, не отвергается, что подтверждает присутствие соответствующей этому закону стохастической компоненты повреждения на данном уровне. Построение эмпирических автокорреляционных функций темпов изменения твердости по соседним локальным участкам материала выявило наличие устойчивой корреляции этих темпов, что указывает на существование взаимодействий по соседним объемам и значит фиксирует появление детерминированной компоненты повреждения. Таким образом, основным результатом настоящей работы является экспериментальное доказательство появления смешанного (стохастически-детерминированного) характера повреждения в исследованной стали после ее длительной эксплуатации.


Постановка задачи исследования и методика проведения эксперимента. Исследование повреждения материала в процессе его эксплуатации представляет значительный практический интерес. Установление закономерностей такого повреждения позволит, в конечном итоге, разработать принципы прогнозирования его остаточного ресурса, а значит и остаточного ресурса изделия в целом.

Настоящая работа посвящена изучению повреждения методом измерения твердости материала на малых базах (сталь 17ГС) трубопровода для перекачки нефтепродуктов, имеющего срок эксплуатации более 20 лет.

Для экспериментов из трубопровода были вырезаны цилиндрические лабораторные образцы с рабочим диаметром 7…8 мм. В качестве метода исследования был принят метод измерения твердости Hµ на приборе ПМТ-3 при рабочей нагрузке на индентор 0,9807 Н (100 гс). Отпечатки наносили на предварительно полированную поверхность вдоль оси образца с шагом x = 100 мкм. Объем выборки (число отпечатков) для статистического анализа результатов составил величину m = 192.

Для получения достоверных результатов обращалось серьезное внимание на методику измерения диагоналей отпечатков. Проводилось 4-кратное измерение каждой диагонали с последующим вычислением стандартной ошибки индивидуального результата. В случае превышения стандартной ошибкой величины 1%, полученные данные исключали из рассмотрения.

По результатам измерения диагоналей, по известной методике [1], рассчитывали величины твердости (которую в литературе обычно принято называть микротвердостью) в локальных объемах материала. Характерный линейный размер, который в дальнейшем будем называть «мезомасштабным уровнем» [2], локального объема (длина диагонали отпечатка) при этом составлял величину D  25…35 мкм. Статистический анализ ошибок показал, что средняя стандартная ошибка измерения твердости для всей выборки не выходила из интервала ± 0,5% от номинальных значений.

Принималось, что, в первом приближении, значения твердости в локальных мезообъемах качественно отображают повреждение материала в этих объемах. Такое предположение не противоречит физическому смыслу: образующиеся при эксплуатации случайные локальные трещины (на масштабном уровне ~D), естественно, должны отражаться на длине диагоналей отпечатков, полученных на приборе ПМТ-3, а значит и на величинах твердости.

Анализ результатов на мезомасштабном уровне. На первом этапе исследования была принята рабочая гипотеза о случайном распределении значений твердости по длине образца, то есть о стохастическом характере повреждений на мезомасштабном уровне.

Построение эмпирических гистограмм распределения значений твердости для всей выборки и статистический анализ результатов с большим уровнем достоверности (90%) показал, что не отвергается закон нормального распределения повреждений. Дисперсия значений твердости при этом более чем на два порядка превосходила дисперсию ошибок ее измерения, что еще раз подтверждает достоверность полученных результатов. Оценка статистической значимости результатов обработки экспериментальных данных проводилась по t-критерию Стьюдента.

Кроме изучения закона распределения повреждений, на этом же этапе исследовались закономерности темпов изменения твердости по длине образца. Эти закономерности исследовались по методике, предложенной в работе [3] при измерении локальных деформаций и основанной на анализе конечных разностей изучаемых величин по длине образца (по координате x), определяющих темпы их изменения в материале.

На рисунке 1 приведены автокорреляционные функции для второй и четвертой разностей изучаемых величин твердости. При этом разности подсчитывались для двух последовательно полученных вдоль оси x результатов измерений. Как известно, для функциональных зависимостей разности являются конечными дискретными аналогами дифференциалов, а значит и соответствующих им производных, характеризующих темпы изменения изучаемой функции.




Рисунок 1 – Автокорреляционные функции второй (1) и четвертой (2) разностей


Как видно из рисунка, автокорреляционная функция имеет радиус затухания порядка R  0,2…0,3 мм. Этот факт (то есть факт корреляции в соседних ближайших объемах темпов изменения повреждений на мезомасштабном уровне) позволяет предположить, что поврежденность материала после его многолетней эксплуатации не исчерпывается только стохастическим характером, но имеет, вероятно, еще и детерминированную составляющую.

Учитывая введенное предположение о физическом смысле повреждения на уровне ~D, будем считать, что обнаруженная корреляция, во всяком случае качественно, отражает взаимодействие между собой полей напряжений от локальных трещин, рассеянных по структуре стали после ее эксплуатации.

Анализ результатов на макромасштабном уровне. На рисунке 2 приведены результаты определения твердости вдоль оси образца.



Рисунок 2 – Значения твердости по длине образца


Каждая экспериментальная точка на графике получена осреднением твердости для 10-ти соседних интервалов – шаг измерений, таким образом, возрастает до 1 мм. Проведенная методом наименьших квадратов математическая обработка показала, что наилучшей эмпирической линией регрессии полученных результатов является уравнение синусоиды:

(1)

где – среднее значение твердости для исследованной выборки; А, Т – соответственно амплитуда и период синусоиды.

Интересно отметить, что период полученной на макромасштабном уровне синусоиды составляет Т  9…10 мм, то есть более чем на два порядка превышает мезомасштабный уровень (D) измерения твердости.

Наличие обнаруженной функциональной зависимости (1) подтверждает предположение о существовании детерминированной компоненты повреждения в исследованной стали. Эта компонента, по нашему мнению, обусловлена закономерностями взаимодействия между собой дальнодействующих, т. е. проявляющихся на макроуровне, полей напряжений от рассеянных на мезоуровне локальных трещин. Полный анализ причин возникновения «волны» повреждений на макромасштабном уровне и обстоятельное изучение природы этого явления, непосредственно связанного со структурой материала, выходит за рамки настоящего исследования.


Экспериментальное изучение твердости на малых базах измерения показало, что в исследованной марке стали после ее многолетней эксплуатации в изделии, по крайней мере, на двух масштабных уровнях наблюдаются повреждения (если принять, что твердость в статистическом аспекте отображает поврежденность материала). При этом исследованные повреждения имеют двойственный характер, отражающийся в одновременном появлении как стохастической, так и детерминированной составляющих, что согласуется с результатами измерения твердости, полученными в работе [4] для стали марки 35.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Марковец М.П. Определение механических свойств металлов по твердости / М.П. Марковец.- М.: Машиностроение, 1979, 192 с.

2. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / В.Е. Панин, В.Е. Егорушкин, П.В. Макаров и др. В 2-х томах. – Новосибирск: Наука, 1995.

3. Багмутов В.П. Влияние поверхностного слоя статистический характер необратимых мезодеформаций и повреждения металлов при циклических нагружениях / В.П. Багмутов, А.С. Столярчук, В.Н. Арисова // Вопросы материаловедения, 2002, №1 (29), с. 364-372.

4. Столярчук А.С. Исследование взаимосвязи свойств локальных объемов закаленной стали методом микротвердости / А.С. Столярчук, Л.А. Бунина, Н.С. Проскурнова // Физико-механические свойства материалов и их экспрессная оценка неразрушающими методами и портативными техническими средствами: Тез. докл. Всеросс. научно-техн. конф. (11-14 апр. 1995 г.). – Волгоград: ВолгГТУ, 1995, с.41-43.





Похожие:

Секция “Численные методы и пакеты прикладных программ механики конструкций” iconСекция “Численные методы и пакеты прикладных программ механики конструкций”
Новокузнецкий филиал-институт Кемеровского государственного университета, г
Секция “Численные методы и пакеты прикладных программ механики конструкций” iconСекция “Численные методы и пакеты прикладных программ механики конструкций”
Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского, г. Нижний Новгород
Секция “Численные методы и пакеты прикладных программ механики конструкций” iconСекция “Численные методы и пакеты прикладных программ механики конструкций”
Компьютерная технология формирования полного множества вариантов структур плоских шарнирных систем
Секция “Численные методы и пакеты прикладных программ механики конструкций” iconСекция “Краевые задачи механики сплошной среды, численные и численно-аналитические методы решения”
Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича со ран, г. Новосибирск
Секция “Численные методы и пакеты прикладных программ механики конструкций” iconНовые книги, поступившие в библиотеку тгэу в ноябре 2010 года
Пакеты прикладных программ: метод указания по дисциплине "Пакеты прикладных программ" для студентов 4 и 5 курсов спец. 080801 "Прикладная...
Секция “Численные методы и пакеты прикладных программ механики конструкций” iconСекция “Краевые задачи механики сплошной среды, численные и численно-аналитические методы решения”

Секция “Численные методы и пакеты прикладных программ механики конструкций” iconСекция “Краевые задачи механики сплошной среды, численные и численно-аналитические методы решения”
Новокузнецкий филиал-институт Кемеровский государственный университет, г
Секция “Численные методы и пакеты прикладных программ механики конструкций” iconСекция “Краевые задачи механики сплошной среды, численные и численно-аналитические методы решения”
Институт космических и информационных технологий Сибирского федерального университета
Секция “Численные методы и пакеты прикладных программ механики конструкций” iconЛекция 19. Сравнение эффективности языков. Выбор языка моделирования системы. Пакеты прикладных программ моделирования систем. Автоматизированная система моделирования (асм) и пакеты прикладных программ моделирования (ппм).
При анализе эффективности использования для моделирования конкретной системы s того или иного яим (или яон) выделяют несколько важных...
Секция “Численные методы и пакеты прикладных программ механики конструкций” iconСекция “Краевые задачи механики сплошной среды, численные и численно-аналитические методы решения”
Об установившемся течении смеси вязких несжимаемых жидкостей в цилиндрических трубах
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница