ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ ПОРОШКОВЫХ JV1ETАЛЛОКОМПОЗИТОВ НА МЕХАНИЗМ РОСТА УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН

Якушина Е.М.

Пермский государственный технический университет

Создаваемые методом порошковой металлургии материалы отличаются, как правило, повышенной прочностью. Особое значение для порошковых материалов приобретает проблема разрушения изделий при действии вибрационных и циклических нагрузок. В тех случаях, когда перегрузки могут привести к образованию магистральных (макроскопических) трещин, необходимо знать о поведении трещин еще на стадии проектирования. Поэтому весьма актуальным является оценка свойств материала, определяющих склонность к хрупкому разрушению и способность сопротивляться распространению трещины. Стремление к более полному использованию несущей способности при соблюдении требований безопасности в условиях длительной эксплуатации приводит к необходимости расширения представлений об особенностях деформирования и разрушения неоднородных материалов.

Основная особенность порошковых металлокомпозитов - четко выраженная структура, представленная в виде пор, включений, интерметаллических и неметаллических соединений. Влияние структурных составляющих на способность материала сопротивляться разрушению, как правило, неоднозначна. Поэтому прогнозирование усталостных свойств и несущей способности материала сопряжено с необходимостью исследования и описания многостадийных процессов деформирования и разрушения систем взаимодействующих между собой элементов. Исследование взаимного влияния технологических, микроструктурных и механических характеристик остается актуальной проблемой для порошкового материаловедения.

Целью работы является изучение закономерностей роста усталостных трещин в порошковых металлокомпозитах на основе современных методов решения стохастических краевых задач квазистатического деформирования и разрушения. Структурно-феноменологический подход, который в данной работе является основой для моделирования процесса роста усталостной трещины, позволяет рассматривать процессы усталостного разрушения как на макроуровне, отражающего поведение материала с однородной структурой, так и на микроуровне, учитывающего особенности структурного строения порошковых сталей. Представленная в работе методика позволяет проводить уточненный анализ усталостной трещиностойкости изделий из порошковых структурно неоднородных материалов. Практическую ценность представляют результаты экспериментальных исследований закономерностей роста усталостной трещины нормального отрыва для спеченных сталей инфильтрованных медью, с концентрационной неоднородностью, ферритно-перлитного типа и порошковых титановых сплавов, приготовленных на основе механизированной титановой губки.

На основе проведенных исследований выяснено, что характер разрушения для всех представленных в работе материалов, в основном транскристаллитный вдоль определенных кристаллографических плоскостей. Количество вскрытых пор на поверхности разрушения, как правило, не превышает остаточной пористости спеченных материалов. На уровне структурных элементов магистральная трещина распространяется прямолинейно, по механизму хрупкого отрыва. Структурные составляющие влияют не только на численные величины характеристик циклической трещиностойкости, но и на механизмы усталостного разрушения. Например, наличие в структуре нестабильного аустенита, включений на основе меди по границам зерен, концентрационной неоднородности способствуют упрочнению поверхности пор. Напротив, для ферритно-перлитных сталей остаточные поры, а также цепочки внутрикристаллитных микропор, образованные в результате сложного движения и взаимодействия дислокаций, являются дополнительными источниками зарождения усталостных трещин. В этих сталей в результате дисперсного накопления повреждений в структуре материала происходит резкое увеличение скорости роста усталостной трещины. Рост трещины в порошковом титане сопровождается ростом микротрещин вблизи дефектов структуры (пор, включений), которые при благоприятных обстоятельствах коалесцируют с фронтом главной трещины. Этим объясняется, например, непрерывное увеличение скорости роста усталостной трещины и коэффициента интенсивности напряжений в процессе всего разрушения.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОБЛЕМ СОВРЕМЕННОЙ МЕТОДОЛОГИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Ярушин С.Г Пермский государственный технический университет

Существенное изменение структуры народного хозяйства, произошедшее за последнее десятилетие в стране по объективным и субъективным причинам, во многом изменило подходы потребителей к заказываемому для производства оборудованию. Значительно возросли требования по качеству и стабильности реализуемых на них технологических операций, по сокращению доли затрат энергии при её эксплуатации и издержек на техническое обслуживание, ремонт. Аналогичная тенденция отмечена и для производителей оборудования, которые начинают испытывать между собой сильную конкуренцию. Эти изменения, к тому же отражающие глобальные явления в мире, не могут не отразиться и на изменениях в технической политике, в том числе и в машиностроении. В этих условиях как никогда ранее возрастает роль и значение проектанта-разработчика нестандартного обслуживающего оборудования, которое с полным основанием можно отнести к сложным техническим системам. Следовательно, проектант должен владеть современной методологией проектирования технических систем. В то же время анализ работы образцов технических систем, созданных во многих отечественных КБ независимо от конкретной отрасли, показывает, что при их разработке по-прежнему используются методы и приемы, бывшие приемлемыми в 40-60-х годах 20 века. Наиболее часто при проектировании продолжают применяться методы проб и ошибок, методы случайного поиска, метод аналогий и, наконец, метод, опирающийся на использование накопленных эмпирических знаний из ранее найденных в данном КБ удачных технических решений. Сравнение образцов оборудования одинакового назначения, разработанных в последнее время в ведущих зарубежных фирмах и отечественных показывает, что по многим показателям оно не в нашу пользу. Одной из основных причин сложившегося положения является продолжение применения в проектировании традиционных методов. И это несмотря на то, что уже с 80-х годов 20 века заложены основы современной методологии проектирования, разработанные как отечественными, так и зарубежными специалистами, например, А.И. Половинкиным, В.П. Быковым, Д. Джонсом, П. Хиллом, Я. Дитрихом и многими другими. Опыт зарубежных фирм, создающих качественное оборудование, убедительно показывает эффективность использования современной методологии проектирования.

Анализ работ по методологии проектирования показал, что для её доведения до широкого круга разработчиков (с последующим восприятием и практическим использованием) необходимо добиться изложения её на более ясном языке с более четкой структурой и логикой построения. Кроме того, ещё требуется совершенствование её некоторых концептуальных положений. Так, некоторыми теоретиками проектирования утверждается, что рост количества технических систем и их сложность происходит в геометрической прогрессии во времени. Следовательно, возрастает поток информации, который обрушивается на проектанта. На самом деле, как показывает собственный опыт автора, коллег из других КБ, НИИ и вузов, профессиональный проектант знает и держит «на контроле» наиболее значимые постоянные источники информации - периодические журналы, каталоги изобретений и патентов. Важная дополнительная информация черпается на НТК и семинарах, на выставках из каталогов, а также через контакты с ведущими фирмами и специалистами в своей области техники. При постоянном мониторинге основных источников, количество которых примерно остается во времени постоянным, шанс пропустить принципиально новую информацию сводится к минимуму. Устарела и посылка, по которой сложность современных изделий по количеству деталей и узлов якобы возрастает в 2 раза через каждые 15 лет. На самом деле прослеживается другая тенденция - применяя интегративные элементы, выполняющие несколько основных функций, употребляя системы автоматизированного управления, и, наконец, опираясь на все более и более глубокие знания о физических эффектах, реализуемых в выбранных технических решениях —изделия становятся структурно и материально все более простыми.

Анализ, проведенный автором для нескольких практически не связанных друг с другом областей техники, позволил выделить некоторые важные современные тенденции.

-переход на агрегатированный принцип создания технических систем,

-компьютеризация управления оборудованием.

Последняя тенденция позволяет существенно уменьшить энергопотребление, массу и габариты, упростить кинематику оборудования за счет использования прямых приводов или приводов с короткой кинематической цепью. Компьютеризация открывает возможность употребления чувствительных элементов, изготовленных с использованием методов микро и нанотехнологий. Минимизация размеров чувствительных элементов позволяет их располагать в любых требуемых зонах и при этом не оказывать отрицательного влияния на регистрируемый процесс.

Лицензия ПД-11-0002 от 15.12.99

Подписано в печать 28.03.2003. Тираж 500 экз. Формат 60X90/16. Уел. печ. л. 23,75. Заказ № 338/2003. Набор компьютерный.

Отпечатано на ризографе в отделе Электронных издательских систем ОЦНИТ

Пермского государственного технического университета 614600, г. Пермь, Комсомольский пр., 29а, к. 113, т.(3422) 198-033