КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 23-19-00784
НазваниеДеградация перспективных конструкционных материалов: закономерности, критерии и диагностика
РуководительБотвина Людмила Рафаиловна, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2025 г. |
Конкурс№80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций
Ключевые словадеградация материала, остаточная прочность, разрушение, усталость, стадийность, фрактография, неразрушающий контроль, механика поврежденности, корреляция цифровых изображений, аддитивные материалы, томография
Код ГРНТИ30.03.17
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Диагностика поврежденности элементов конструкций в процессе эксплуатации остается одной из наиболее важных проблем материаловедения и механики разрушения, острота которой возрастает при появлении материалов повышенной прочности со сложной структурой. К таким материалам можно отнести полимерные композитные материалы, армированные углеродным волокном и металлические материалы, полученные методом аддитивной технологии.
Анализ литературы показывает, что устойчивых корреляционных соотношений между параметрами нагружения и критериями диагностики пока не найдено. Поиск таких соотношений для композиционного и «аддитивного» материалов составит одну из задач исследований по проекту, для решения которой будет использована методологическая база оценки характеристик неразрушающего контроля и поврежденности, развитая в рамках предыдущих проектов РНФ.
Объектом исследований будет служить и трубная высокохромистая коррозионностойкая сталь мартенситного класса типа «13Cr», уникальные свойства которой делают ее незаменимой при определённых условиях эксплуатации. Применение труб из высокохромистых коррозионностойких сталей является экономически выгодным из-за снижения эксплуатационных расходов. Однако, для обеспечения безопасной эксплуатации таких сталей на объектах ответственного назначения, оценка деградации их свойств при циклическом нагружении представляется необходимой.
Вторая задача исследований состоит в развитии метода диагностики структуры материала и оценке ее вклада в изменение предложенных механических критериев диагностики. Для ее решения в качестве модельного материала будет использована нержавеющая сталь с различным размером зерна, оцениваемым как металлографическим, так и неразрушающим методом. Будут выполнены испытания материала на растяжение после предварительного циклического нагружения с оценкой всех используемых в работе параметров.
Третья задача связана с развитием нормативной базы оценки критериев диагностики по данным, полученным в рамках настоящего и предыдущих проектов РНФ:остаточной прочности, реальной поврежденности и характеристик неразрушающего контроля, включающих параметры акустической, магнитной диагностики и электросопротивления. Важно, что эти параметры (в количестве более 25) были оценены для 6-ти конструкционных материалов в исходном состоянии и после их эксплуатации, и 2-х сталей с субмикрокристаллической структурой. Дополнение этой базы данными по новым материалам создаст хорошую основу для обобщения и предложений в нормативные документы.
Исследования, проведенные на композиционном и «аддитивных» материалах, будут сопровождаться оценкой поврежденности и параметров излома методами корреляции цифровых изображений, оптической, электронной микроскопии и томографии. Будет уделено внимание оценке спектральных характеристик акустической эмиссии.
Анализ результатов исследования будет основан на подходах механики поврежденности с учетом стадийности, иерархии и механизмов развития повреждений, статистическом анализе распределений измеряемых характеристик при различных условиях нагружения и общих кинетических закономерностей разрушения.
Новизну проекта составят: критерии и закономерности деградации композиционного, «аддитивных» материалов и высокохромистой стали, их зависимость от стадийности развития поврежденности, структуры и свойств материалов; взаимосвязь структуры, поврежденности и механизма разрушения; научные подходы к оценке деградации эксплуатационных свойств исследуемых материалов с учетом предложенных критериев деградации и установленной взаимосвязи с характеристиками разрушения; методики оценки критериев деградации, составляющие основу для продления ресурса; научно-методологическая основа оценки деградации перспективных конструкционных материалов; предложения для включения в нормативные документы по методам диагностики с использованием измеренных физических свойств и прогнозирования поведения исследованных материалов.
Ожидаемые результаты
1. Будут оценены критерии деградации механических и физических свойств при предварительном циклическом нагружении и последующем растяжении, коррозионностойкой стали и титанового сплава, изготовленных методом аддитивной технологии, композиционного материала полимерная матрица - углеродное волокно, нашедшего применение в авиационной промышленности и перспективной высокохромистой стали типа 13Cr (или ее аналогов - 20Х13, 15Х13Н2 и 02Х13Н4М) , применяемой в нефтегазовой промышленности.
2. Будут изучены закономерности деградации исследуемых материалов и получены новые соотношения, связывающие критерии деградации исследуемых материалов с механическими и физическими характеристиками неразрушающего контроля, характеристиками локального напряженно-деформированного состояния и реальной поврежденностью материала (длиной, раскрытием, площадью, занимаемой микротрещинами, и скоростью их развития).
3. Методом сканирующей электронной микроскопии будут изучены механизмы разрушения исследуемых материалов.
4. Объемная поврежденность композитных материалов будет оценена методом компьютерной томографии.
5. Будет проведен анализ спектральных характеристик сигналов акустической эмиссии и изучена их зависимость от числа циклов предварительного нагружения.
6. Будет продолжено рассмотрение нормативных документов по методам диагностики с использованием измеренных физических свойств и будут внесены в них предложения, основанные на результатах исследования.
7. Будет выполнен статистический анализ распределений измеряемых характеристик при различных условиях нагружения с оценкой углового коэффициента этих распределений на различных стадиях нагружения материалов с различной структурой и показана информативность этого параметра для диагностики кинетики процесса накопления повреждений и разрушения.
8. Будут развиты подходы механики поврежденности, учитывающие стадийность, иерархию и механизмы развития процесса накопления повреждений в материалах с разной структурой на различных масштабных уровнях. Полученные научные результаты будут дополнением к научно-методологическим основам оценки деградации конструкционных материалов.
9. Методами неразрушающего контроля будет оценен критерий, характеризующий изменение структуры стали, и установлена его взаимосвязь с поврежденностью материала и с критериями механической деградации, введенной путем предварительного циклирования с последующим растяжением. На основе анализа полученных данных будет разработан метод оценки размера структурных составляющих стали по характеристикам неразрушающего контроля.
10. Будут установлены общие закономерности изменения физических и механических свойств конструкционных материалов после предварительного циклирования и последующего растяжения.
Анализ литературы показал, что запланированные результаты будут соответствовать мировому уровню исследований, поскольку будут содержать новые данные по кинетике поврежденности, стадийности и закономерностям изменения параметров неразрушающего контроля перспективных конструкционных материалов.
Практическая значимость ожидаемых результатов будет определяться оценкой критериев деградации композиционного, «аддитивного» материалов и перспективной высокохромистой стали, оценкой структурного критерия методами неразрушающего контроля и установлением его взаимосвязи с критериями механической деградации, а также предложениями по внесению в нормативные документы новых информативных критериев, обеспечивающих оценку текущего состояния и остаточного ресурса материалов и, как следствие, повышение безопасности эксплуатации и надежности конструкций.
Научная значимость полученных результатов определяется комплексностью планируемого исследования, включающего несколько методов оценки деградации материала, развитием на его основе методологии и научных основ оценки деградации конструкционных материалов и фундаментальным вкладом в несколько дисциплин – механику повреждений, физику разрушения, механику деформируемого твердого тела.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Исследовано влияние предварительного циклического нагружения на прочностные и физические характеристики «аддитивного» материала - стали 316L, полученной методом селективного лазерного плавления (СЛП), его поврежденность, параметры акустической эмиссии, характеристики деформированного состояния, оцененные методом корреляции цифровых изображений, макро- и микрорельеф изломов.
Оценка механических свойств показала, что усталостные характеристики стали 316L, полученной методом СЛП, существенно ниже характеристик стали, изготовленной по традиционной технологии, но близки подобным характеристикам исследуемого материала, известным из литературы. На кривой усталости наблюдается перелом при амплитуде напряжения σ*, сопровождаемый изменением профиля излома (с прямого при σ < σ*- на сдвиговый при σ> σ*), механизма разрушения и поврежденности, и связанный, по мнению авторов, со сменой плоскодеформированного на плосконапряженное состояние материала образца. Предварительное циклическое нагружение вызывает раскрытие технологических дефектов структуры и образование малых трещин. Испытание на растяжение после циклирования до относительной долговечности N/Nf = 0,3 приводит к росту остаточной прочности и работы разрушения, а затем, при N/Nf = 0,7, эти показатели резко снижаются, демонстрируя деградацию стали. Основным механизмом разрушения является раскрытие и рост малых трещин, зародившихся на технологических дефектах. Поэтому проблему малых трещин можно считать центральной проблемой обеспечения надежности аддитивных материалов.
Выполнены количественные структурные исследования кинетики малых усталостных трещин, возникших на технологических дефектах при изготовлении аддитивного материала - порах, включениях, на границах ванн расплава. Прослежена стадийность развития малой трещины с увеличением N/Nf, связанная с ее структурной чувствительностью. Построены кумулятивные кривые распределения накопленного числа малых трещин ∑N по их длине и зависимости от N/Nf концентрационного k-критерия и показателя в степенном соотношении, описывающем кумулятивные кривые. С увеличением амплитуды нагружения оба параметра снижаются в результате слияния малых трещин и развития макротрещины. Выявлено торможение трещин на структурных границах, что отражается на кинетической зависимости скорости роста малых трещин.
Установлена взаимосвязь электрического сопротивления и вихретокового параметра (H_ec) с длиной и раскрытием малых усталостных трещин, а также с параметрами нагружения. Показано, что H_ec растет с числом циклов и отражает зависимости раскрытия трещин от числа циклов. При амплитуде напряжения σ < σ* его зависимость от относительного числа циклов на стадии стабильного роста отвечает линейному соотношению. Линейным соотношением описывается и зависимость H_ec от средней длины малых трещин. Электрическое сопротивление, оцененное вблизи изломов, увеличивается с амплитудой напряжения, причем его зависимость от амплитуды имеет разрыв при напряжении σ=σ*, но обе ветви этой зависимости описываются линейным соотношением.
Выполнен количественный анализ усталостных изломов с применением оптической и электронной растровой микроскопии. Обнаружена взаимосвязь размеров наблюдаемых зон изломов, а также механизмов усталостного разрушения со структурой стали и с разрывом кривой усталости, вызванным сменой напряженного состояния. Показано, что при амплитуде напряжения σ* меняется профиль изломов, число очагов зарождения трещины и преимущественный механизм разрушения. При σ > σ* наблюдается большое число очагов зарождения трещин, сдвиговый излом, множественные микротрещины, зарождающиеся на границах ванн расплава, преимущественно вязкий микрорельеф изломов. При σ < σ* сокращается число очагов и микротрещин, излом становится плоским, образующимся в условиях отрыва, вязкое разрушение сменяется хрупким, на фасетках которого обнаруживаются усталостные бороздки.
Методом оптической микроскопии изучена стадийность развития параметров реальной поврежденности стали в процессе статического нагружения. Показано, что наиболее крупные дефекты при нагружении возникают на границах ванн расплава, а также вокруг пор и включений, образующихся при изготовлении материала, а их характерный размер на порядок больше микротрещин, наблюдаемых в нержавеющей стали, полученной традиционными методами. Показатель степенного соотношения, аппроксимирующего деформационную зависимость относительной площади поврежденной поверхности (S*) для стали, полученной аддитивным и традиционным методом, составляет 3,8 и 2,9 соответственно, а значение поврежденности перед разрушением образца в первом случае в 2 раза выше. Наибольшая плотность дефектов наблюдается при N/Nf = 0,3, снижаясь перед разрушением образца в результате их слияния. При N/Nf = 0,7 образуется магистральная трещина, и снижения плотности дефектов в центральных областях образца не происходит. Установлена корреляция между H_ec и S*, отвечающая степенному соотношению H_ec=a*(S*)^(b) c R^2>0,9 с показателями степени b =0,08 и b=0,13 при N/Nf =0,0 и N/Nf = 0,7, соответственно. Увеличение показателя b свидетельствует об увеличении скорости изменения вихретокового параметра в функции поврежденности и о локализации микротрещин в области образования усталостной макротрещины.
Установлена стадийность изменения характеристик АЭ при испытании исследуемого материала и оценено влияние на них предварительного циклического нагружения стали, связанное с упрочнением материала при N/Nf = 0,3 и с локализацией разрушения вследствие раскрытия зародившейся усталостной трещины при N/Nf = 0,7, что характеризуется снижением b_АЭ-параметра и резким ростом энергии АЭ. Оцененные параметры АЭ могут служить критериями диагностики состояния материала на различных стадиях нагружения, в том числе на стадии локализации разрушения.
Проанализированы полученные методом корреляции цифровых изображений (КЦИ) данные по изменению в процессе растяжения максимальной главной деформации ε_1max, площади слабодеформированной (S_L) и сильнодеформированной (S_H) пластических зон, соответствующих принятым значениям ε_1>0,045 и ε_1 >0,25 и формирующихся на ранней и более поздней стадии разрушения. Установлена стадийность изменения оцененных характеристик. Влияние предварительного циклического нагружения выражено в увеличении максимального значения ε_1max и изменении S_L и S_H: при N/Nf = 0,3 они увеличиваются вследствие роста поврежденности поверхности, а при N/Nf = 0,7 - уменьшаются из-за наличия усталостной трещины и локализации процесса разрушения. Получена взаимосвязь параметров КЦИ и АЭ: показано, что зависимость S_L от суммарного числа сигналов АЭ ∑N_АЭ отвечает линейному уравнению, а зависимость ε_1max-∑N_АЭ описывается экспоненциальным соотношением, показатель которого снижается с увеличением N/Nf.
Проведены измерения микротвердости HV полированных образцов из исследуемой стали на разном расстоянии от центрального сечения при различных N/Nf и построены кумулятивные распределения HV. Линейный участок этих распределений аппроксимирован зависимостью n/ni=k_s*HV+b, угловой коэффициент k_s которой уменьшается с увеличением относительного числа циклов и отвечает экспоненциальному соотношению k_s =3,52 +5,04*exp (-3.85*N/Nf ).
Выполнена оценка показателей α, β и D_c в соотношениях, описывающих законы накопления реальной поврежденности ω в исследуемой стали, подвергнутой предварительному циклическому нагружению: dω/dt=A(σ_max/(1-ω))^α (Работнов, 1959), dω/dt=B(σ_max*ω^(1/2))^β (Ботвина, 1993), D_c = 1− σ_r/σ_u (Lemaitre et al., 1979). Аппроксимация полученных зависимостей с R^2>0,95 показывает, что с увеличением N/Nf от 0 до 0,7 коэффициент α снижается от 14,4 до 5,7, β - от 4,2 до 1,9, D_c возрастает от 0,04 до 0,4. Анализ новых моделей механики поврежденности показал, что результаты моделирования не соответствуют реально наблюдаемым картинам поврежденности и для повышения достоверности результатов моделирования необходима экспериментальная оценка управляющих параметров моделей.
Публикации
1. Ботвина Л.Р., Белецкий Е.Н., Демина Ю.А., Иванов И.А. Усталостное разрушение стали 316L, изготовленной методом селективного лазерного плавления Заводская Лаборатория. Диагностика Материалов, - (год публикации - 2024)
2. Ботвина Л.Р., Белецкий Е.Н., Левин В.П., Юдин А.В. Изменение характеристик неразрушающего контроля при циклическом нагружении стали 316L аддитивного производства Металлы, - (год публикации - 2024)
3. Ботвина Л.Р., Тютин М.Р., Болотников А.И. Оценка характеристик множественного и локализованного разрушения методами акустической эмиссии и корреляции цифровых изображений Металлы, - (год публикации - 2024)
4. Ботвина Л.Р., Тютин М.Р., Болотников А.И., Синев И.О., Белецкий Е.Н., Иванов И.А. , Юдин А.В. Малые усталостные трещины в аддитивной стали 316L: влияние на механические свойства, параметры акустической эмиссии и кинетику разрушения Деформация и разрушение материалов, - (год публикации - 2024)
5. Белецкий Е.Н. Влияние структуры аддитивной стали 316L на кинетику малых усталостных трещин ХX Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико- химия и технология неорганических материалов». Москва. 17 октября – 20 октября 2023 г. / Сборник трудов., ХX Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико- химия и технология неорганических материалов». Москва. 17 октября – 20 октября 2023 г. / Сборник трудов. (год публикации - 2023)
6. Белецкий Е.Н., Левин В.П., Демина Ю.А., Иванов И.А., Юдин А.В., Ботвина Л.Р. Развитие малых усталостных трещин в образцах из стали AM 316L, полученной методом селективного лазерного плавления Материалы LXVI Международной конференции, Зеленогорск, Санкт-Петербург, 23–27 сентября 2023 года, Актуальные проблемы прочности (АПП-2023) : Материалы LXVI Международной конференции, Зеленогорск, Санкт-Петербург, 23–27 сентября 2023 года. Санкт-Петербург: ООО «Издательство ВВМ», 2023. С. 34. (год публикации - 2023)
7. Болотников А.И. Влияние предварительного циклирования на характеристики акустической эмиссии и локальной деформации аддитивной стали 316L ХX Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико- химия и технология неорганических материалов». Москва. 17 октября – 20 октября 2023 г. / Сборник трудов., ХX Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико- химия и технология неорганических материалов». Москва. 17 октября – 20 октября 2023 г. / Сборник трудов. (год публикации - 2023)
8. Болотников А.И., Иванов И.А., Юдин А.В. Исследование кинетики разрушения стали 316L, полученной с использованием аддитивного метода, посредством акустической эмиссии и цифровой корреляции изображений Материалы LXVI Международной конференции, Зеленогорск, Санкт-Петербург, 23–27 сентября 2023 года, Актуальные проблемы прочности (АПП-2023): Материалы LXVI Международной конференции, Зеленогорск, Санкт-Петербург, 23–27 сентября 2023 года. Санкт-Петербург: ООО «Издательство ВВМ», 2023. С. 20 (год публикации - 2023)
9. Синев И.О., Белецкий Е.Н., Иванов И.А., Юдин А.В., Ботвина Л.Р. Кинетика накопления микротрещин при статическом и циклическом нагружении стали 316L, полученной методом аддитивной технологии Материалы LXVI Международной конференции, Зеленогорск, Санкт-Петербург, 23–27 сентября 2023 года, Актуальные проблемы прочности (АПП-2023): Материалы LXVI Международной конференции, Зеленогорск, Санкт-Петербург, 23–27 сентября 2023 года. Санкт-Петербург: ООО «Издательство ВВМ», 2023. С. 35. (год публикации - 2023)