Материал: Физико-химические проблемы и высокие технологии строительства. Рудаков О.Б., Перцев В.Т
Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
6)динамически устойчивая система имеет оптимальное соотношение однородных и неоднородных компонентов;
7)единство однородности и неоднородности является фактором целостности
системы.
Строительные композиты формируются путем сведения в единую слабосвязанную систему некоторого количества n исходных компонентов, взятых из разных частей пространства и обладающих различным агрегатным, химическим, минералогическим, морфологическим, дисперсным состоянием. Эта слабосвязанная система – система сложения (исходный объект конструирования). Система сложения переходит в систему роста, в которой компоненты вступают в механическое и физико-химическое взаимодействие между собой с самопроизвольным осуществлением фазовых превращений, переходов, направленность и скорость которых определяются движущими силами – градиентными, флуктуационными и автоволновыми. Эти силы – производные термодинамической нестабильности, неустойчивости, которая формируется как самопроизвольно, так и наводится извне. Фазовые превращения сопровождаются возникновением совокупности силовых связей, постепенно затухают и в конечном итоге система роста переходит в квазистабилизированную систему – рабочую систему (систему старения), которая представляет собой целостность из m разновидностей разнородных компонентов.
Рабочая система представляет собой открытую термодинамически неравновесную диссипативную систему, непрерывно обменивающуюся энергией с окружающей средой. При восприятии потока внешней энергии (механической нагрузки, нагревания, охлаждения, увлажнения, обезвоживания, химического взаимодействия и т.д. и т.п.) в системе происходят структурные изменения, направленность которых регламентируется стремлением системы к уменьшению накапливаемой внутренней энергии путем различных механизмов ее диссипации таким образом, чтобы эффект такого уменьшения был максимальным. В таком толковании строительные композиты представляют собой своего рода "трансформаторы" (преобразователи) энергии эксплуатационных воздействий в энергию тепловых флуктуаций элементарных частиц (атомов или молекул), работу упругого напряжения и пластического деформирования системы структурных связей материала, поверхностную энергию образующихся хрупких трещин, теплоту, звуковые колебания. Как "трансформатор" энергии, композит обладает потенциалом энергоемкости до разрушения, соотносимым с суммарным потенциалом энергии структурных связей, который и предопределяет соответствующий уровень сопротивления разрушению и прочность материала. В реальности затраты энергии на разрушение строительных композитов оказываются значительно ниже величины этого потенциала, свидетельством и результатом чего является наблюдаемое несоответствие между значениями теоретической и технической прочности материала. Величина этого "разрыва", как раз, и определяется условиями и механизмом трансформации, диссипации энергии внешнего нагружения структурой строительных композитов.
Заключение. С учетом проанализированных в данной публикации методологических оснований, можно сформулировать ряд положений, обосновывающих возможности управления однородностью (неоднородностью) строения конгломератных строительных композитов в задачах конструирования и синтеза их оптимальных структур:
1)Однородность/неоднородность есть термодинамическая, пространственногеометрическая, вероятностная характеристика энергетического, материального и информационного состояния пространства, постоянно изменяющаяся во времени;
2)В системе роста однородность/неоднородность регламентирует самопроизвольные процессы структурообразования материала;
3)В рабочих системах однородность/неоднородность реализуется в форме скачка состояния занимаемого материалом пространства при переходе из одной его точки в другую (локальная неоднородность);
36
Серия «Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения» Выпуск № 1(10), 2015
4)Скачок состояния в материальном (субстанциальном) поле пространства выражается в виде межкомпонентной границы раздела (распределенная неоднородность);
5)В структуре конгломератных строительных композитов скачок и граница раздела в своей совокупности образуют контактную зону «матрица – включение» на каждом масштабном уровне структуры;
6)В энергетическом поле конгломератных строительных композитов однородность/неоднородность обуславливает условия восприятия материалом энергии внешнего воздействия, которые регламентируются субстанциональными характеристиками скачка и геометрическими характеристиками границы раздела;
7)Формализация и моделирование структуры конгломератных строительных композитов и процессов их деформирования и разрушения возможны через количественную оценку параметров скачка и границы раздела;
8)Управляя мерой однородности/неоднородности композита по параметрам скачка и границы раздела, можно целенаправленно влиять на условия распределения энергии внешнего воздействия по структурным связям материала, обеспечивая максимально полное их вовлечение в работу сопротивления материала.
Список литературы
1.Чернышов Е.М., Дьяченко Е.И. Системные исследования структурных факторов управления сопротивлением силикатных автоклавных материалов разрушению при механическом нагружении // Изв. ВУЗов. Строительство, 1995. № 10. С. 44 - 53.
2.Чернышов Е.М., Макеев А.И. Разрушение конгломератных строительных материалов: основные концепции, механизмы процессов, принципы и закономерности управления // Строительные материалы. № 9, 2007. С. 63-65.
3.Чернышов Е.М., Дьяченко Е.И., Макеев А.И. Неоднородность структуры и сопротивление разрушению конгломератных строительных композитов: вопросы материаловедческого обобщения и развития теории / Под общ. ред. Е.М. Чернышова - Воронеж: Воронежский ГАСУ, 2012. 98 с.
4.Будештский Р. И. Элементы теории прочности зернистых композиционных материалов. - Тбилиси: Мецниереба, 1972. - 82 с.
5.Солодухо Н.М. Гомогенно-гетерогенный подход в структуре гомогетерогеники: Научно-учебное издание. Казань: Изд-во Каз. гос. техн. ун-та, 2006. 99 с.
________________________________________________________________________________
Макеев Алексей Иванович, к.т.н., доц. кафедры технологии строительных материалов, изделий и конструкций Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.
E-mail: makeev@vgasu.vrn.ru. Тел. 8 (473) 271-52-35
37
Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
УДК 539.87
А.А. Лукин, А.К. Тарханов, О.А. Лукин
КОНСТРУКЦИОННЫЕ СВОЙСТВА И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ РАЗРУШЕНИЯ СТАЛИ 20 ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ И СКОРОСТНЫХ РЕЖИМАХ НАГРУЖЕНИЯ
Анализируются конструкционные свойства и энергетические параметры разрушения стали 20 при различных температурных и скоростных режимах нагружения.
Ключевые слова: конструкционные свойства, энергетические параметры, работа разрушения, предел текучести, ударная вязкость, зарождение и распространение трещины
A.A. Lukin, A.K. Tarkhanov, O.A. Lukin
STRUCTURAL PROPERTIES AND ENERGETIC PARAMETERS OF DESTRUCTION OF STEEL 20 AT DIFFERENT TEMPERATURES AND VELOCITY MODES.
Examines the structural properties and energetic parameters of steel 20 at various temperatures and loading speeds.
Keywords: constructional properties, energy parameters, the work of destruction, limit of fluidity, the nucleation and crack
Введение. Несмотря на все более широкое использование композиционных материалов, металлы и сплавы останутся и в ближайшем будущем основным конструкционным и инструментальным материалом.
В настоящей работе исследовалась сталь 20 (ГОСТ 1050 – 74) при различных температурах и скоростях нагружения. Такие исследования позволят более полно определить рабочие характеристики материала и выявить различные дефекты, возникшие в изделии при термообработке, что важно учитывать при разработке реальных конструкций во избежание внезапных разрушений.
Исследуемую cталь используют без термообработки (категория 1) и после нормализации (категория 2) для крюков кранов, патрубков, болтов муфт, вкладышей подшипников и других деталей, работающие при температуре от минус 40 до 450 0С под давлением, а после закалки и отпуска (категория 4): для шестерней, червяков и других деталей.
Виды термообработки и механические свойства, а также рекомендации по применению оговорены в ГОСТ 4041-71 и ГОСТ 1577-81 [1-3].
Теоретическая часть. Для оценки способности низкоуглеродистой стали переносить ударные нагрузки проводились динамические испытания на ударный изгиб образцов с надрезом [4-5].
Основным образцом служил стержень с квадратным сечением 10 х 10 мм и длиной 55 мм. В образцах Шарпи U – образный надрез наносился посредине длины. Он имел ширину и глубину 2 и радиус закругления 1 мм. Образцы с V-образным концентратором имели те же габариты и отличались только геометрией надреза. При испытании образцов с длиной 55 мм расстояние между опорами было 40 мм, изгибающий нож имел сечение в виде треугольника с углом при вершине 30° и радиусом закругления 2 мм. Испытания на изгиб проводили на маятниковом копре с предельной энергией в 300 Дж.
_______________________________________________________________________________
© Лукин А.А., 2015
38
Серия «Физико-химические проблемы и высокие технологии строительного материаловедения» Выпуск № 1(10), 2015
Образец клали горизонтально в специальный шаблон, обеспечивающий установку надреза строго в середине пролета между опорами. Удар наносили со стороны противоположной надрезу, в плоскости, перпендикулярной оси образца. Маятник копра закреплялся в исходном верхнем положении и по шкале фиксировался угол подъема маятника, затем крепящую защелку освобождали, маятник свободно падал под собственной тяжестью, ударял по образцу, изгибал и разрушал его, поднимаясь относительно вертикальной оси копра на угол вылета. Величина работы деформации и величины разрушения образца определялась разностью потенциальных энергий маятника в начальный и конечный моменты испытания.
Часть энергии удара, затрачиваемая на сотрясение копра и фундамента, преодоление сопротивление воздуха, на трение в подшипниках и измерительном устройстве, на смятие образца на опорах и под ножом, на сообщение энергии обломкам образца и на упругую деформацию штанги маятника не учитывалась.
Точность определения работы излома была относительно высока, так как было достигнуто небольшое превышение запаса работы маятника над работой деформации и разрушения образца и угол отклонения маятника после разрушения образца был небольшим. Ударная вязкость (Дж/см²) рассчитывалась путем деления полной работы деформации и разрушения на площадь поперечного сечения образца в месте надреза до испытания.
Ударные испытания проводились и при отрицательных температурах. Динамический изгиб при отрицательных температурах производился с использованием тех же образцов, что и при комнатной. Образец выдерживали в жидком хладогенте (жидкий азот) 15 минут, затем вынимали из ванной, устанавливали на копер и немедленно испытывали. Время от извлечения образца до проведения испытаний не превышало 20 секунд.
Обсуждение результатов. Анализируя конструкционные свойства и энергетические параметры разрушения можно сказать что наибольшие энергетические затраты сталь 20 категории 1 (ГОСТ 1050-74) показала при 20 0С. При 200 0С работа разрушения была в два раза, а при минус 196 0С в три раза меньше чем при 20 0С. Тем не менее, в процентном отношении распределение полной работы разрушения на составляющие затраченные на зарождение и распространение трещины заметно не зависело при данной температуре от скорости деформации, хотя от температуры эксперимента их соотношение зависело. Так минимальное значение (32 % − 40 %) Ар принимало у стали кованой при 20 0С, а максимальное (56 % − 76 %) при минус 196 0С, со средним (56 %) значением при 200 0С (таблицы 15, 16, 17). Возможной причиной такого поведения стали под нагрузкой может служить релаксация напряжений в вершине трещины при 200 0С, что затрудняло ее дальнейшее распространение и трудность зарождения достаточного количества трещин по дислокационному механизму, типа механизма Котрелла, при минус 196 0С [6].
При выбранных температурах испытаний на циклическую стабильность скорость деформации не влияла, в то время как сама температура испытаний переводила сталь из
состояния циклической упрочняемости (σb/σ0,2 > 1,4) при 20 0С в состояние циклической разупрочняемости (σb/σ0,2 < 1,2), делая сталь циклически стабильной при 200 0С
(1,2 < σb/σ0,2 < 1,4). Соответственно вел себя и параметр надежности (σ0,2/σb) имея минимальное значение (67 % − 69 %) при 20 0С и максимальное (91 % − 94 %) при минус 196 0С. Таким образом, можно заключить, что оптимальными эксплуатационными и
энергетическими параметрами сталь категории 1 обладает при температурах эксплуатации
200 0С.
При 20 0С сталь 20 вела себя как циклически упрочняемый материал (σb/σ0,2 > 1,4), но при 200 0С и минус 196 0С вышеупомянутое отношение было < 1,2 вне зависимости от скорости деформации, что свидетельствует о склонности стали к циклическому разупрочнению (таблицы 1, 2, 3).
39
Научный Вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
Эксплуатационные и энергетические параметры кованой стали 20 |
|
|||||||||
при разных скоростях деформации и температуре 20 0С |
|
|||||||||
Скорость |
|
|
|
Параметры |
|
|
|
|
||
деформации, с −¹ |
|
|
σb/σ0,2 |
σ0,2/ σb |
|
Аз,% |
|
|
Ар,% |
|
10-² |
0,69 |
1,45 |
|
|
58 |
|
|
32 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10² |
0,67 |
1,48 |
|
|
60 |
|
|
40 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
Эксплуатационные и энергетические параметры кованой стали 20 |
|
|||||||||
при разных скоростях деформации и температуре минус 196 0С |
|
|||||||||
Скорость |
|
|
|
Параметры |
|
|||||
деформации, с −¹ |
|
|
σb/σ0,2 |
σ0,2/ σb |
|
Аз,% |
|
|
Ар,% |
|
10-² |
|
0,91 |
1,10 |
|
|
24 |
|
|
76 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10² |
|
0,94 |
1,04 |
|
|
36 |
|
|
56 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 3 |
Эксплуатационные и энергетические параметры кованой стали 20 |
|
|||||||||
при разных скоростях деформации и температуре 200 0С |
|
|||||||||
Скорость |
|
|
|
Параметры |
|
|||||
деформации, с −¹ |
|
|
σb/σ0,2 |
σ0,2/ σb |
|
Аз,% |
|
Ар,% |
||
10-² |
|
|
0,87 |
1,15 |
|
|
44 |
|
|
56 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10² |
|
|
0,84 |
1,19 |
|
|
44 |
|
|
56 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Параметры надежности и циклической стабильности менялись неоднозначно от условий эксперимента (таблицы 4, 5, 6). В нормализованном состоянии сталь 20 (категория 2) показала скоростную зависимость составляющих полной работы разрушения. При всех температурах испытаний с ростом скорости деформации доля работы на распространении трещины возрастала тем эффективнее, чем ниже температура эксперимента с 15 % до 30 % и 84 % при температурах 200 0С, 20 0С и минус 196 0С соответственно.
|
|
|
|
|
|
Таблица 4 |
Эксплуатационные и энергетические параметры стали категории 2 |
|
|||||
при разных скоростях деформации и температуре 20 0С |
|
|||||
Скорость |
|
Параметры |
|
|
|
|
деформации, с −¹ |
|
|
|
|
|
|
σb/σ0,2 |
σ0,2/ σb |
|
Аз,% |
|
Ар,% |
|
10-² |
0,59 |
1,65 |
|
66 |
|
34 |
|
|
|
|
|
|
|
10² |
0,47 |
2,10 |
|
56 |
|
44 |
|
|
|
|
|
|
|
40