95920

Расчет усталости металла на примере алюминия

Дипломная

Физика

Явление усталости Если металл подвергается действию циклически меняющихся напряжений например чередующихся растяжения и сжатия то после большого числа циклов в конце концов происходит разрушение даже в том случае если максимальное действующее напряжение значительно меньше предела текучести при испытании на растяжение. Считают что 80 90 всех случаев разрушения металла на практике происходит вследствие усталости[3]. Поведение металлов и сплавов при усталости лучше всего изучать методом многократного периодического нагружения стандартных...

Русский

2015-10-01

13.42 MB

9 чел.

1 Усталость металла

1.1 Явление усталости

Если металл подвергается действию циклически меняющихся напряжений (например, чередующихся растяжения и сжатия), то после большого числа циклов в конце концов происходит разрушение, даже в том случае, если максимальное действующее напряжение значительно меньше предела текучести при испытании на растяжение. Это явление, называемое усталостью, имеет большое значение в условиях, когда металлические детали подвергаются воздействию переменных напряжений. Считают, что 80—90% всех случаев разрушения металла на практике происходит вследствие усталости[3].

Поведение металлов и сплавов при усталости лучше всего изучать методом многократного периодического нагружения стандартных образцов одинаковыми напряжениями до момента наступления разрушения. Испытания повторяются для ряда различных максимальных напряжений; по результатам испытаний строят график зависимости уровня максимального напряжения от логарифма количества циклов до разрушения, получая так называемые SW-кривые.

Рисунок 1 – Типичные S-N кривые для металлов

На рисунке 1 представлены два типа подобных кривых. Обе кривые при высоких напряжениях круто идут вниз, а при меньших напряжениях делаются более пологими. Для материалов типа А характерен ярко выраженный горизонтальный участок на кривой усталости; при напряжениях ниже этого уровня разрушение никогда не наступает даже при продолжительных испытаниях; напряжение, соответствующее горизонтальному участку кривой, называют пределом усталости. Такое поведение типично для многих сталей. Напротив, для большинства цветных сплавов характерно поведение, описываемое кривой В, на которой также имеется излом, однако и после него кривая продолжает понижаться с уменьшением уровня максимального напряжения. Такие материалы не обнаруживают предела усталости, а имеют предел выносливости, определяемый как напряжение, которое приводит к разрушению после определенного числа циклов (обычно 108). Тенденция к усталости сильно возрастает при наличии концентраторов напряжений, таких, как острые надрезы, которые при определенном расположении могут приводить к зарождению трещин усталости у их вершины. Рост трещины происходит в течение большей части периода испытания образца на усталость. Поверхность разрушения имеет две основные зоны: первая зона соответствует периоду роста трещины, она покрыта тонкими линиями, представляющими собой следы периодического распространения трещины, продвигающейся от источника возникновения понемногу за каждый цикл; вторая зона имеет более равномерную зернистую поверхность и относится к заключительному периоду быстрого распространения трещины, который начинается с момента, когда здоровое сечение образца становится слишком малым, чтобы выдерживать приложенное напряжение[1].

Усталостное разрушение наблюдается при следующих особенностях нагружений:

1) при многократном нагружении одного знака;

2) при многократном нагружении, периодически изменяющемся не только по величине, но и по знаку (знакопеременное нагружение). При этом разделяют симметричное нагруженные и несимметричное[1].

Механизм образования трещин при повторно-переменном напряжении сложный и не считается полностью изученным и из несомненных положений теории усталости можно отметить[3]:

1) процессы, которые происходят в материале при повторно-переменном нагружении носят резко выраженный местный характер;

2) решающее влияние на явление усталости до образования первой трещины оказывают касательные напряжения, вызывающие пластические сдвиги и разрушение путем среза. Развитие усталостных трещин ускоряется при наличии растягивающих напряжений и у пластичных, и в особенности у хрупких материалов, в которых появление третий отрыва значительно повышается чувствительность к растягивающим напряжениям.

Предел выносливости определяется экспериментально на соответствующих испытательных машинах путем испытания партии образцов из данного материала в количестве не менее 6—12 штук. Предел выносливости зависит от многих факторов, в том числе от формы и размера образца или детали, способа ее обработки, состояния поверхности, вида напряженного состояния (растяжение — сжатие, кручение, изгиб), закона изменения нагрузки во времени при испытании, температуры и т. п.

1.2 Факторы, влияющие на сопротивление усталости

Прогнозирование поведения металлических материалов при циклическом нагружении зависит от множества факторов[2]:

1) структурного состояния, термической обработки (размер зерна; размер, форма и количество выделений или различных фаз; плотность дислокаций и их распределение) и соответственно от его механических свойств;

2) состояния поверхностного слоя (химический состав, механические свойства и структура; остаточные напряжения, зависящие от вида механической или химико-термической обработки);

3) температуры и среды испытания;

4) масштабного фактора;

5) частоты нагружения;

6) концентрации напряжений;

7) асимметрии цикла нагружения;

8) вида напряженного состояния;

9) контактного трения.

Факторы влияют по-разному на циклическую прочность гладких образцов (без концентратора напряжений) и закономерности хода кинетических диаграмм усталостного разрушения, которые строятся с использованием образцов с заранее выращенной исходной усталостной трещиной[2].

1.2.1 Влияние структурного состояния материала

Размер зерна является важнейшим структурным параметром для металлических материалов.

В легких сплавах большое влияние, кроме размера зерна, на сопротивление усталости также оказывает степень рекристаллизации. В высокопрочных металлических материалах часто определяющим структурным фактором является размер субзерна или одной из структурных составляющих[3].

Чаще всего с уменьшением размера зерна предел выносливости возрастает, хотя в ряде работ показано, что при измельчении структуры металла не всегда изменяется долговечность. При анализе влияния структурного фактора на циклическую прочность необходимо иметь в виду, что закономерности разрушения металлических материалов при циклическом и статическом нагружении имеют много общего. Для циклического нагружения зависимость предела усталости σR от размера зерна можно выразить формулой, аналогичной зависимости предела текучести от размера зерна:

  σ = σiR + КRd-1/2,       (1)

где σiR и КR – постоянные[2].

1.2.2 Влияние состояния поверхностного слоя

Усталостное разрушение начинается с поверхности металлических материалов. Это связано с тем, что наиболее интенсивная пластическая деформация при усталости протекает в приповерхностных слоях глубиной порядка размера зерна. Поведение и состояние этого слоя определяет долговечность до зарождения усталостных трещин и во взаимосвязи с деформационными характеристиками всего объема металла обусловливает уровень предела выносливости, а также уровень порогового коэффициента интенсивности напряжений, необходимого для старта усталостной трещины. Наличие концентраторов напряжений (например, от грубой механической обработки) и других дефектов на поверхности, остаточных напряжений растяжения, агрессивной среды и ряда других факторов приводит к снижению предела выносливости. Поверхностное пластическое деформирование и различные виды химико-термических обработок повышают предел выносливости металлических материалов[2].

1.2.3 Влияние температуры и среды испытания

При повышенных температурах испытания на усталость обычно снижаются пределы выносливости в связи с влиянием процессов ползучести, особенно в случае, если среднее напряжение цикла не равно нулю. Снижение температуры испытания ниже комнатной у гладких образцов приводит к повышению прочностных характеристик механических свойств (но к снижению характеристик пластичности) и пределов выносливости.

В углеродистых сталях в интервале температур испытаний 150...300 °С наблюдается аномальное повышение пределов выносливости по сравнению с испытаниями при комнатной температуре, связанное с протеканием процессов динамического деформационного старения. Отмечают пять основных механизмов, способствующих повышению статической и циклической прочности низкоуглеродистой стали при протекании динамического деформационного старения:

– блокирование дислокаций атмосферами Коттрелла (образование дальнего порядка атомов внедрения у дислокаций);

– блокирование дислокаций у препятствий за счет упорядочения атомов внедрения вокруг дислокаций (атмосферы Сноека);

– увеличение сопротивления трения движению дислокаций вследствие упорядочения атомов внедрения вокруг дислокаций;

– ″вязкое″ сопротивление, испытываемое движущимися дислокациями благодаря образованию вокруг дислокаций атмосфер из атомов внедрения;

– блокирование дислокаций, обусловленное выделением мелкодисперсных частиц примесей в процессе деформирования.

Снижение температуры испытания ниже комнатной у гладких образцов приводит к повышению прочностных характеристик механических свойств и пределов выносливости гладких образцов [2].

1.2.4 Масштабный фактор

Под масштабным фактором понимают снижение пределов выносливости образцов или деталей с ростом их абсолютных размеров. Для оценки влияния масштабного фактора вводят коэффициент влияния абсолютных размеров поперечного сечения

εσ = σRd R ,       (2)

где σRd предел выносливости образцов с диаметром большим 7,5 мм; σR – предел выносливости образцов с диаметром меньше d = 7,5 мм.

Было показано, что при циклическом изгибе и кручении пределы выносливости снижаются на 30...50 % с увеличением диаметра до 200 мм. Основные причины, вызывающие снижение пределов выносливости с увеличением размеров детали, следующие:

• металлургический фактор – ухудшение качества металла отливки или поковки;

• технологический фактор – влияние термической и механической обработки при изготовлении деталей различных размеров;

• статистический фактор – увеличение вероятности появления опасных дефектов и перенапряженных зерен, что в связи со статистической природой процесса усталостного разрушения приводит к увеличению вероятности разрушения.

Масштабный фактор не только влияет на предел выносливости гладких образцов, но также изменяет характеристики циклической трещиностойкости, которые оцениваются при построении кинетических диаграмм усталостного разрушения (КДУР). На рис. 2 приведены сравнительные данные по исследованию скорости распространения усталостных трещин (РУТ) в сталях 15Х2МФА и 15х2НМФА, полученные при испытании образцов на внецентренное растяжение толщиной 0,025 и 0,15 м в диапазоне изменения Кmax от Кth до Кfc.

Видно, что увеличение толщины образца существенно влияет на закономерности РУТ во всем указанном диапазоне изменения Кmax. С увеличением толщины образцов Кth для стали 15Х2МФА возрастает с 7,7 до 18 МПа, а для стали 15Х2НМФА – от 8,7 до 14,6 МПа. При этом происходит уменьшение скорости РУТ при значениях Кmax< 28 МПа для стали 15Х2МФА и при Кmax< 20 МПа для стали 15Х2НМФА. Такое поведение материалов с изменением толщины образцов объясняют повышением остаточных напряжений сжатия в устье трещины и увеличением времени, необходимого для выхода трещины, возникшей в центральных областях образца, на его боковые поверхности. При увеличении размеров образца на стадии стабильного роста усталостной трещины, где соблюдается закон Париса, скорости РУТ примерно одинаковы для образцов разной толщины [2].

Рисунок 2 – Влияние толщины образца на закономерности РУТ в сталях 15ХНМФА – 1,2 и 15Х2ММФА – 3,4 при 293 К; 1,3 – толщина образца 0,025 м; 2,4 – толщина 0,15 м

1.2.5 Влияние частоты нагружения

При испытании в условиях комнатной температуры и отсутствия коррозии с ростом частоты испытания несколько возрастают величины пределов выносливости и число циклов до разрушения образцов. Увеличение частоты от 30...50 до 1000 Гц приводит к повышению пределов выносливости на 10...20%. Имеются два фактора, которые могут способствовать этому явлению. Во-первых, долговечность может быть связана с величиной пластической деформации в процессе каждого цикла изменения нагружения, а при высоких частотах это время мало для того, чтобы произошла деформация, так что результирующее повреждение может быть меньше. Этот эффект имеет более важное значение при высоких температурах. Во-вторых, известно, что атмосферная коррозия снижает предел выносливости некоторых материалов; более значительного понижения следует ожидать при низких частотах. Еще одним фактором является повышение температуры материала с увеличением частоты циклического нагружения [2].

1.2.6 Влияние концентрации напряжений

Концентрация напряжений в металлических материалах, связанная с надрезами, канавками, отверстиями или другими дефектами, как правило, приводит к снижению предела выносливости. Необходимо отметить, что усталостная трещина сама по себе является надрезом, вызывающим высокую концентрацию напряжений. В области концентратора повышается локальное напряжение в материале. Фактическое напряжение у вершины концентратора σmax значительно больше номинального σн. Отношение σmax/σн=ασ называется теоретическим коэффициентом концентрации напряжений при их упругом распределении.

Снижение пределов выносливости при наличии концентратора напряжений оценивается эффективными коэффициентами концентрации:

Кσ = σR ,      (3)

где σR – предел выносливости образца без концентратора, σ– предел выносливости с концентратором напряжений.

Эффективные коэффициенты концентрации Кσ обычно имеют меньшие значения, чем коэффициенты концентрации при упругом распределении напряжений ασ. Оценить эту разницу можно с помощью коэффициентов чувствительности материала к концентрации напряжений:

qσ =(Кσ – 1)/(ασ – 1)     (4)

При qσ =0 (Кσ= 1) материал не чувствителен к концентрации напряжений;

при qσ = 1 материал обладает полной чувствительностью к концентрации напряжений[2].

1.2.7 Влияние контактного трения

В практике часто циклической нагрузке подвергаются сопряженные детали машин. В этом случае из-за контактного трения поверхностные слои металла разрушаются. Еще в 1911 году Е. М. Иден и др. описали пример разрушения усталостных образцов не в наиболее напряженном сечении, как этого следовало ожидать, а в более массивном сечении – в местах контакта образца сцангой. Наличие контактного трения при циклическом нагружении в общем случае приводит к снижению циклической прочности изделий; процессы, развивающиеся при этом, названы фреттинг-коррозией или фреттинг усталостью.

Исследования показали, что на участках поверхностей, поврежденных фреттинг-коррозией, наблюдаются схватывание, абразивное разрушение, усталостные процессы, сопровождающиеся окислением и коррозией. В зависимости от условий нагружения, свойств материалов и окружающей среды один из перечисленных процессов является преимущественным и существенно влияет на долговечность работы соединения[2].

1.3 Диаграмма усталостного разрушения (периоды усталости)

Обобщенная диаграмма усталости для области низких амплитуд циклической деформации и больших долговечностей (так называемая чистая или многоцикловая усталость) разработана В. С. Ивановой. С учетом развития этой диаграммы и накопления новых экспериментальных данных ее можно представить в следующем виде (рис. 3). Не будем останавливаться на переходной области (диапазон напряжений между  и σк), так как проведенный выше анализ показал, что и ак в ряде случаев могут совпадать.

В диапазоне напряжений от σк до σw весь процесс усталости в зависимости от числа циклов нагружения можно разбить на ряд периодов и стадий. Процесс усталости в общем случае (для отожженных металлов) состоит из четырех основных периодов (рис.3): I — инкубационного, связанного с накоплением искажений кристаллической решетки; II — разрыхления, связанного с появлением нарушений сплошности металла (т. е. зарождением и развитием субмикроскопических трещин); III — развития микротрещин до макротрещин критического размера; IV — окончательного разрушения или долома. Рассмотрим более подробно процессы накопления повреждаемости в различных периодах усталости.[3]

Инкубационный период усталости

Согласно исследованиям, инкубационный период усталости можно разделить еще на ряд стадий, каждая из которых имеет свои специфические особенности (развитие процесса усталости по стадиям будет рассмотрено в основном на примере железа и малоуглеродистой стали с о. ц. к. решеткой).

Стадия циклической микротекучести (с первого цикла нагружения до линии 1, рисунок 3).

На этой стадии с первых циклов нагружения наблюдается деформация, которую можно обнаружить с помощью высокочувствительного тензометра или электронной аппаратуры. Однако обычные механические свойства (предел текучести, длина площадки текучести, микротвердость и др.) на этой стадии не изменяются.

Как показали электронномикроскопические исследования на просвет, проведенные на образцах из малоуглеродистой стали, на стадии циклической микротекучести, как и на стадии микротекучести при статическом растяжении, по всему объему материала протекает микропластическая деформация, связанная в основном с увеличением плотности дислокаций по границам зерен, генерированием отдельных дислокаций исходными субграницами и образованием дислокаций в перлите на границах раздела феррит— перлит[3].

Наиболее важной особенностью поведения металла на стадии инкубационного периода является то, что в первых циклах нагружения наблюдается более интенсивная пластическая деформация поверхностного слоя металла глубиной порядка размера зерна.

Рисунок 3 – Схема обобщенной диаграммы усталости:

1 – линия начала макроскопического течения; 2 — линия окончания макроскопическога течения; 3 — линия начала образования субмикроскопических трещин; 4 — линия начала образования микроскопических трещин (линия Френча); 5 — линия начала катастрофического разрушения (долома); 6 — кривая усталости;  —напряжение нижнего разрыва; σк—критическое напряжение усталости;  – циклический предел текучести;  – циклический предел упругости; Nk – критическое число циклов; Nω – базовое число циклов.

На основании данных рентгеноструктурного анализа с использованием послойного удаления металла, опытов по изучению влияния поверхностных слоев на эффект Баушингера и результатов по определению плотности дислокаций в области микротекучести следует, что поверхностные слои металла на этой стадии усталости претерпевают пластическую деформацию, большую, чем внутренние объемы. В работе в поверхностных слоях циклически деформированного образца на стадии циклической микротекучести была обнаружена полоса скольжения, длина которой ограничивалась одним размером зерна. В работе было показано, что на отдельных участках поверхностных зерен, в упругой области статического деформирования, может наблюдаться пластическая деформация, достигающая 1%.

Таким образом, к окончанию стадии циклической микротекучести (протяженность стадии от 102 до 104 циклов при напряжении равном пределу усталости) все сечение материала претерпевает небольшую микропластическую деформацию (порядка 10-3—10-4%), а в поверхностном слое зерен образуется слой металла с повышенной плотностью дислокации[3].

Стадия циклической текучести (область между линиями 1 и 2, рисунок 3).

При определенном числе циклов происходит лавинообразное макроскопическое деформирование всего сечения материала. Начало стадии циклической текучести (наиболее четко эта стадия выражена у металлов и сплавов, имеющих физический предел текучести) связано с макроскопическим разупрочнением, т. е. с резким увеличением интенсивности «раскрытия» петли гистерезиса. Однако уже в процессе макроскопического разупрочнения элементарные объемы упрочняются, и это уменьшает скорость разупрочнения. Своеобразный характер изменения механических свойств малоуглеродистой стали (разупрочнение, сопровождающееся упрочнением) в процессе циклического деформирования на этой стадии вызван прохождением деформации Чернова — Людерса, т. е. процесса распространения пластически деформированных зон с подвижными дислокациями. Клеснилом и Лукашом для описания макроскопических процессов разупрочнения и упрочнения на стадии циклической текучести предложена аналитическая зависимость, которая хорошо согласуется с экспериментальными результатами.

В малоуглеродистой стали стадия циклического течения связана с протеканием по всему объему материала макроскопической пластической деформации, которая характеризуется резким увеличением плотности дислокаций по границам зерен в перлите и вокруг включений, протеканием поперечного скольжения и началом формирования ячеистой дислокационной структуры с размером ячеек 0,8—1,5 мкм. На этой стадии может наблюдаться и разрушение цементитных пластинок в перлитных колониях и по границам зерен. В поверхностных слоях металла на стадии циклического течения образуются прямолинейные скопления дислокаций, которые при дальнейшем нагружении, по-видимому, способствуют образованию усталостных полос скольжения. После прохождения этой стадии в поверхностных слоях металла сохраняется более высокая плотность дислокаций [3].

Циклическое деформирование на стадии циклической текучести ведет к изменению некоторых физико-механических свойств: повышается микротвердость, уменьшается и затем полностью исчезают зуб и площадка текучести на кривых статического растяжения; снижается предел пропорциональности (который, однако, к концу этой стадии начинает вновь возрастать); происходит изменение характеристик внутреннего трения, магнитных свойств и др. Следует отметить, что в зависимости от структурного состояния материала, вида нагружения и температурно-силовых условий деформирования может наблюдаться самое разнообразное изменение физико-механических свойств с началом макроскопической пластической деформации в условиях циклического нагружения. Кроме того, для материалов, не имеющих физического предела текучести в условиях статического деформирования, трудно отделить стадию циклического течения от последующей стадии циклического упрочнения.

Стадия циклического упрочнения (область между линиями 2 и 3, рисунок 3).

На стадии циклического упрочнения у отожженных материалов происходит дальнейшее повышение плотности дислокаций и формируется развитая дислокационная ячеистая структура. В поверхностном слое металла развиваются отдельные устойчивые полосы скольжения, в которых к окончанию этой стадии развиваются экструзии, интрузии и первые субмикроскопические усталостные трещины. На этой стадии продолжает возрастать твердость, условный предел текучести и мгновенный модуль упругости, а пластичность материала несколько снижается. Накопленная на этой стадии повреждаемость может быть устранена промежуточным отжигом. Стадией циклического упрочнения завершается инкубационный период усталостного процесса, связанный с существенными изменениями дислокационной структуры металла и его физико-механических свойств и зарождением первых поверхностных субмикроскопических трещин[3].

Период зарождения и развития субмикроскопических трещин до микроскопических размеров (область между линиями <3 и 4, рисунок 3)

В этом периоде усталости происходит постепенно увеличение числа поверхностных устойчивых поле скольжения, расширение этих полос и слияние отдельны субмикротрещин, находящихся в полосах скольжение в микротрещины, не превышающие размера зерна. Последующее циклирование практически не сказывается на их развитии, по-видимому, из-за процессов упрочнения и динамического деформационного старения зон металла, непосредственно примыкающих к этим полосам скольжения[3].

Во II периоде усталости происходит постепенное вовлечение новых объемов материала в интенсивное пластическое течение, пока вся поверхность материала не покроется большим числом (относительно равномерно распределенных) грубых полос скольжения, фактически являющихся микротрещинами длиной, равной размеру зерна. Окончание этого периода усталости связано с накоплением в материале необратимой повреждаемости и достижением линии Френча (кривая 4, рис. 3).

Период зарождения и развития субмикроскопических трещин связан с незначительным изменением физико-механических интегральных свойств материала, хотя в нем происходит перестройка дислокационной структуры в устойчивых полосах скольжения (за счет расширения полос скольжения и развития в них системы субмикроскопических трещин) и возникновения новых полос скольжения. К концу II периода усталости материал подготовлен к началу распространения магистральной усталостной трещины (или нескольких трещин[3]).

Период развития микротрещин до макротрещин критического размера (область между линиями 4 и 5, рисунок 3)

Начало этого периода усталости связано с переходом микротрещины через границу зерна и ее распространением в плоскости, перпендикулярной направлению приложенной нагрузки в условиях реализации плоскодеформированного напряженного состояния у вершины трещины. На этой стадии распространения трещины на поверхности разрушения наблюдается образование характерной полосчатости (бороздчатости), и трещина распространяется при низких значениях коэффициента интенсивности напряжения у ее вершины, соответствующей условиям плоской деформации.

В работе, проведенной на образцах из малоуглеродистой стали (0,04% С), показано, что условия плоской деформации у вершины усталостной трещины сохраняются до тех пор, пока угол между плоскостью разрушения и направлением приложенной нагрузки составляет 90—70 град. В этой области наблюдается образование только усталостной полосчатости; при угле 70-50 град, наблюдается смешанный вид разрушения (полосчатость чередуется с «ямочным» рельефом), а при угле 55—45 град. — лишь «ямочный» излом. Такая трансформация характера усталостного разрушения связана с переходом от плоскодеформированного к плоскому напряженному состоянию у вершины распространяющейся трещины. Эта смена напряженного состояния сказывается и на характере пластически деформированной зоны впереди трещины. В III периоде происходит прогрессивное снижение прочности и пластичности, электропроводности, магнитной проницаемости [3].

Период окончательного разрушения или долома (область между линиями 5 и 6, рисунок 3)

Начало этого периода связано с нестабильным ростом усталостной трещины. В работе показано, что на стадии окончательного разрушения напряжение долома является специфической характеристикой, которая в области многоцикловой усталости не зависит от уровня напряжений и исходной концентрации напряжений. Прочность при доломе близка к истинному напряжению отрыва. Следует отметить, что вплоть до разрушения плотность дислокаций в поверхностном слое остается выше. Непосредственное разрушение возникает тогда, когда раскрытие трещины достигает критического значения (при достижении критической длины и критической интенсивности напряжений). Эту характеристику вязкости разрушения широко применяют для оценки склонности к хрупкому разрушению пластических материалов. Разработаны методы определения вязкости разрушения по раскрытию трещины.

Выше были рассмотрены основные периоды и стадии усталостного разрушения в области многоцикловой усталости при напряжениях выше предела усталости.

Область циклического деформирования ниже предела усталости (так же как и область микротекучести при статическом нагружении) изучена недостаточно. Здесь можно выделить напряжение циклического предела текучести , при котором появляются полосы скольжения и наблюдается продвижение фронта Чернова — Людерса в условиях повторного растяжения. По-видимому, можно отождествить с «пределом чувствительности к циклическим напряжениям» — σL, ниже которого не наблюдается изменение энергии рассеяния с ростом числа циклов нагружения[3].

1.4 Структурные изменении в процессе усталости

На ранних стадиях усталостного испытания сетка полос скольжения очень похожа на ту, которая возникает в результате статического испытания. Томпсон и др, используя технику электролитического полирования для удаления обычных следов скольжения с поверхности поликристаллических образцов меди на различных стадиях испытания на усталость, показали, что после примерно 5% полной продолжительности испытания до разрушения образца появляется несколько полос, которые не удается удалить описанным способом. Они назвали их «устойчивыми полосами скольжения» [7].

Контролируемое последовательное удаление слоев с поверхности образцов показало, что на ранних стадиях устойчивые полосы скольжения имеют глубину не более 10 мкм и достигают глубины 30 мкм по прошествии 25% полной продолжительности испытания до разрушения образца. Как показали наблюдения, трещины в конце концов появляются в устойчивых полосах скольжения, которые, таким образом, можно рассматривать как зародыши трещин; отсюда ясно, что распространение трещин имеет место в течение почти всего периода испытания на усталость. Полное удаление полос приводило к заметному увеличению стойкости образцов против усталости, а металлографические исследования внутренних слоев образцов показали отсутствие вновь образовавшихся трещин. Таким образом, ясно, что зарождение усталостных трещин является процессом, протекающим на поверхности. Аналогичные результаты были получены при исследовании алюминия.

Практически любая физическая или химическая обработка, в результате которой тормозится процесс зарождения усталостных трещин или удаляются поверхностные зародыши трещин, способствует увеличению срока службы детали, подвергнутой усталостным нагрузкам.

Рисунок 4 – Экскрузии на полос скольжения в сплаве кадмий →3% Zn, ×1300.

В области металлографических исследований процессов усталости один из наиболее эффектных результатов получил Форсит, которому удалось наблюдать образование очень тонких ленточек металла на поверхности образцов из алюминиевых сплавов. Микроскопическое наблюдение показало, что эти ленточки экструдированы из четких полос скольжения. Экструзии не являются нормальным регулярным явлением, они имеют места на отдельных участках через некоторые интервалы вдоль полосы скольжения (рисунок 4). К настоящему времени экструзии удалось наблюдать в целом ряде металлов и сплавов, в том числе в меди и алюминии, а также в хлористом серебре.

На поверхности образцов, обнаруживающих экструзию, наблюдался также и обратный эффект, а именно образование интрузий (глубоких узких расселин) (рисунок 5). Хотя большинство наблюдений этого явления относится к комнатной температуре, однако экструзии и интрузии были обнаружены также у меди, подвергнутой усталостным испытаниям при низких температурах вплоть до 2,4 К; таким образом, механизм этого явления, по-видимому не основывается на термически активируемых процессах [7].

Рисунок 5 – Усталостная бороздчатость в нержавеющей стали; видны интрузии и экструзии. Электрономикроскопическая фотография тонкой фольги.

Как показывают эксперименты, для возникновения экструзий и интрузий необходимо, чтобы имело место достаточно развитое поперечное скольжение или скольжение по одной из вспомогательных систем. С точки зрения трудности достижения усталостного разрушения в монокристаллах цинка особое значение имеет тот факт, что экструзии и интрузии в этом металле не наблюдаются. Это согласуется с результатами изучения пластической деформации цинка, которые показывают, что при комнатной температуре доминирует процесс базисного скольжения, а скольжение по небазисным плоскостям реализуется значительно труднее. В противоположность этому Партридж обнаружил экструзии у магния и кадмия. Позднейшие электронномикроскопические исследования тонких фольг магния и кадмия обнаружили наличие небазисного скольжения, что согласуется с наблюдением диполей в этих металлах. С другой стороны, в цинке диполи не обнаружены.

По-видимому, легкость протекания поперечного скольжения не является основным критерием образования экструзий. Например, в металлах с низкой энергией дефекта упаковки, таких, как медь, поперечное скольжение в которых затруднено, при усталостных испытаниях легко развиваются интрузии; более того, их можно обнаружить и в твердых растворах на основе меди, имеющих очень низкую энергию дефекта упаковки например, Си — 7,5 ат. % Al (γ ≈ 2 эрг/см2) и α-латунь 70/30 (γ ≈ 15 эрг/см2). С другой стороны, в чистом алюминии, поперечное скольжение в котором происходит крайне легко, экструзии в процессе усталостных испытаний не появляются в отличие от многих алюминиевых сплавов.

Рисунок 6 – Чистый магний после 1,3-106 циклов нагружения (80% полной стойкости) напряжением ±2,03 кгс/мм2 при комнатной температуре, ×60. Слева — сразу после испытания; справа — после электрополировки для удаления полос скольжения и более четкого выявления трещины.

Эти данные заставляют пересмотреть вопрос о значении процесса поперечного скольжения, который во всяком случае чувствителен к температуре и, по-видимому, не может обусловливать экструзий, наблюдаемых в меди при 2,4 К. Таким образом, наряду с поперечным скольжением при объяснении явлений экструзии и интрузии следует учитывать и скольжение во вторичных системах.

Хотя экструзии обнаруживаются не при любых условиях в процессе усталостных испытаний, но процесс приводит к возникновению на поверхности образца неровностей более сложного характера, чем ступеньки скольжения, образующиеся при статической деформации. Вуд и др. применили метод сечений на клин, чтобы увеличить неровности, расположенные перпендикулярно поверхности. Угол наклона 2-3° позволяет достичь увеличения по вертикали в 20—30 раз. Результаты исследования меди и латуни показывают, что уже после 10% продолжительности усталостного испытания до разрушения образца многие устойчивые полосы скольжения сопровождаются царапинами (интрузиями) или выступами (экструзиями). Затем в вершинах интрузиоиных впадин возникают усталостные трещины, которые начинают распространяться вдоль полос скольжения (рисунок 5); в дальнейшем, на более поздней стадии, они имеют тенденцию развиваться и в поперечном направлении от одной полосы скольжения к другой и В на рисунке 6). Таким образом, трещины имеют типичный транскристаллитный характер (рисунок 6), и большинство данных указывают на то, что они зарождаются в поверхностных бороздах, образующихся в результате движения большого количества дислокаций в полосах скольжения. Кроме того, трещины появляются на ранних стадиях испытаний, вероятно, но истечении 5—10% полного времени испытаний образца до усталостного разрушения.

Рисунок 7 – Борозды, возникшие на второй стадии распространения усталостной трещины[7]. Стрелкой показано направление распространения трещины.

Исследование поверхностей усталостного разрушения позволяет непосредственно получить дальнейшую информацию о стадии распространения трещин. Форсит указывает, что трещины образуются в полосах скольжения внутри интрузий на первой стадии усталостных испытаний, когда направление трещин совпадает с плоскостями скольжения, т. е. с плоскостью максимального напряжения сдвига. Вторую стадию он считает периодом распространения трещины в направлении, которое в основном перпендикулярно направлению оси растяжения образца (в усталостных испытаниях на растяжение — сжатие). Детальное металлографическое исследование этих двух стадий показывает их существенное различие. Поверхность разрушения, соответствующая первой стадии, обычно не имеет борозд; на поверхности же, относящейся ко второй стадии, ясно видны четкие полосы (рисунок 7.) которые во многих случаях могут быть непосредственно связаны с цикличностью нагрузки, поскольку они представляют последовательные положения распространяющейся трещины. Например, случайное увеличение пикового напряжения приводит к образованию более широкой полосы. Распространение трещины на этой стадии происходит по типу вязкого разрушения, так как во время каждого цикла у вершины трещины имеет место пластическая деформация; кроме того, каждая полоса лежит не в плоскости, а образует изогнутую поверхность, что является отличительным признаком распространения трещины на этой стадии в сравнении с первой стадией.

Электронномикроскопическое исследование тонких фольг монокристаллов меди, подвергнутых усталостным нагрузкам, показывает, что доминирующим признаком даже на ранних стадиях усталости является наличие дислокационных петель; этот признак сохраняет свое значение даже тогда, когда амплитуда напряжения превосходит значение тш.

Рисунок 8 – Вытянутые петли дислокаций и ступеньки, образованные на препятствиях(А) в сплаве Al – 3% Mg, подвергнутом усталостному испытанию. Электронномикроскопическая фотография тонкой фольги

Аналогичные результаты были получены при исследовании алюминия и сплавов алюминий — магний, подвергнутых усталостным испытаниям при весьма низких напряжениях; при этом было обнаружено постепенное развитие скоплений ступенек и петель дислокаций (рисунок 8). На более поздних стадиях в алюминиевых сплавах образуются размытые малоугловые границы путем объединения скоплений дислокаций; эти границы затем постепенно становятся более четкими по мере того, как в них вливаются новые движущиеся дислокации.

При анализе такой дислокационной структуры в связи с усталостным упрочнением возникают некоторые трудности. Например, дислокационные петли можно удалить из меди, подвергнутой усталостному испытанию, путем отжига при температурах 300—400° С, соответствующих интервалу температур, в котором освобождается энергия, накопленная металлом в процессе усталостного испытания. Однако усталостное упрочнение не снимается полностью даже при 600° С. Очевидно, описанная выше общая дислокационная структура, хотя и является типичной для усталостной деформации, однако не отражает локальной картины в зоне бороздок скольжения, где возникают трещины. Детальная информация относительно дислокационной структуры этих областей пока отсутствует[7].

1.5 Дислокационный механизм циклической деформации

При циклическом деформировании металлов зависимости между напряжениями и деформациями носят нелинейный характер, при этом кривые деформирования при нагружении и разгрузке не совпадают, что ведет к образованию петли гистерезиса. Последняя свидетельствует о рассеянии энергии при циклическом нагружении, что получило название механического гистерезиса, или циклической вязкости. [9]. Гистерезисные потери при циклическом нагружении отражают демпфирующую способность, или внутреннее трение металлов [8].

При напряжении существенно ниже предела усталости проявляется так называемый упругий гистерезис – следствие релаксационных процессов на различных дефектах кристаллической решетки, термо-, магнитоупругих и других эффектов и металлах. При напряжении, близких и превышающих предел выносливости, основным фактором гистерезисных потерь становится пластическая деформация металла в пределах каждого цикла.

Циклическое деформирование металла приводит к изменениям в его тонкой структуре, что сказывается на магнитных, электрических, механических и других свойствах. Как правило, вначале деформирования эти изменения весьма интенсивны, затем в меру увеличения количества циклов происходит стабилизация («насыщение») свойств.

Изменение механических свойств при повторном нагружении находит непосредственное отражение в изменении параметров петли гистерезиса. Наиболее распространены два способа циклического нагружения – с постоянной амплитудой деформации εа (жесткое нагружение) и с постоянной амплитудой напряжений σа (мягкое нагружение) [8].

  1.   Роль поверхности в развитии циклической деформации

Роль циклической деформации при этом сводится к разрушению пассивирующей пленки в устье трещины и облегчению контактирования коррозионной среды с металлической поверхностью, а также к повышению химической активности металла [5].

При циклической деформации образец в итоге разрушается, поэтому прогнозирование усталостной долговечности, установление факторов, которые оказывают влияние на долговечность и разработка способов улучшения долговечности являются важной проблемой с точки зрения практического применения сплавов. При циклической деформации из условия совместной деформации торцевых шпангоутов и полубезмоментной оболочки получаем связи между коэффициентами Фурье осевых перемещений шпангоутов Utn и действующих нагрузок qtn . Исследование циклических деформаций для установления деформационных критериев усталостного разрушения металлов особенно эффективно в области малоцикловой усталости, когда в материале наблюдаются большие циклические пластические деформации. 

При циклических деформациях образцы не успевают упрочниться вследствие межмолекулярной ориентации, как при однократном растяжении. Это также является причиной снижения динамической долговечности по сравнению со статической. При больших циклических деформациях за цикл фронт Людерса-Чернова в условиях циклического деформирования происходит как в полуцикле растяжения, так и в полуцикле сжатия. При этом на поверхности металла образуется волнистый рельеф. У металлических материалов, у которых нет физического предела текучести при статическом деформировании, стадия циклической текучести отсутствует.

Очевидно, циклические деформации, которые определяются размерами и числом микротрещин, возникающие в процессе циклического нагружения, могут быть использованы в качестве меры усталостного повреждения на стадии зарождения усталостной трещины. Эта стадия завершается возникновением магистральной трещины, которая при дальнейшем развитии приведет к окончательному усталостному разрушению.

В начале циклической деформации наноструктурные материалы проявляют значительно менее короткую стадию быстрого упрочнения по сравнению с обычными поликристаллами.

При приложении циклической деформации наблюдается обратный по сравнению со статическим нагружением и ненапряженным состоянием характер соотношения скоростей окисления вулканизатов с преимущественным содержанием моносульфидных и полисульфидных связей. При одинаковом напряжении в температурном диапазоне 20 - 70 С, при преимущественном содержании моносульфидных связей в вулканизате скорость окисления возрастает в статическом режиме в 19 и в циклическом в 45 раза, тогда как при преобладании в сетке полисульфидных связей - в 16 и 26 раза соответственно [5].

Известно, что циклическая деформация приводит к охрупчиванииг металла. Это обусловлено тем, что с ростом числа циклов нагружения происходит изменение сопротивления распространению трещины и в тот момент, когда в металле образуются микротрещины, распространение магистральной трещины облегчается.

1.7 Закономерности и микромеханизмы зарождения и распространения усталостных трещин

Распространение усталостных трещин в любом материале происходит последовательно на разных масштабных уровнях. Принято разделять масштаб реализуемых процессов роста трещины, вводя представления о коротких, малых и длинных трещинах. Короткие трещины изучают при постоянной циклической нагрузке образца, тогда как малые трещины, как правило, изучают в области малоцикловой усталости при постоянной деформации (рисунок 9). Важно подчеркнуть, что различие коротких и малых трещин состоит в первую очередь в том, что они относятся к разным процессам разрушения материала [9].

Рисунок 9 – Схемы расположения различных по размерам трещин в материале по отношению к параметрам структуры (МНЦУ – многоцикловая усталость)

Короткие трещины развиваются от поверхности при возможно самых низких уровнях коэффициента интенсивности напряжения, тогда как малые трещины развиваются в области малоцикловой усталости при высоком уровне номинального (или эквивалентного) напряжения. Существует предельная граница для уровня номинального напряжения, ниже которой возникающие усталостные (короткие) трещины не распространяются. Переход от коротких к длинным трещинам при увеличении уровня номинальных напряжений сопровождается постепенным уменьшением скорости роста трещин, а далее происходит вновь увеличение скорости. При малых размерах начальные трещины могут останавливаться и не распространяться в материале. После некоторого нарушения монотонности в изменении скорости коротких трещин по мере возрастания длины трещины происходит присоединение рассматриваемой кинетической кривой для коротких трещин к известной зависимости скорости роста больших трещин от коэффициента интенсивности напряжения. Классификация трех видов трещин (рисунок 9) указывает на связь размеров трещин с особенностями влияния (или не влияния) структурных параметров материала. Причем для малых трещин корректно использовать упругопластическую механику разрушения (УПМР), тогда как для длинных трещин используется линейная механика разрушения (ЛMP). 

Рассмотрим некоторые механизмы.

Механизм слияния трещин  рассматривает скопление группы краевых дислокаций у границы зерна или другого прочного препятствия. В таком случае трещина зарождается в результате слияния нескольких головных дислокаций скопления. При этом в плоскости, перпендикулярной плоскости скольжения, действует растягивающее напряжение.

Механизм зарождения микротрещин. Модель основана на движении скоплений дислокаций в двух пересекающихся плоскостях в металлах с ОЦК-решеткой, в которых две дислокации могут взаимодействовать с образованием дислокационной поры. Трещина зарождается, когда присоединяются следующие дислокации и, вливаясь в пору, увеличивают ее.

В процессе усталости образуется значительное число вакансий при пересечении дислокаций и при скольжении дислокаций с порогами. Расчет  показал, что концентрация вакансий при усталости в зернах армко-железа, достаточна для образования микропор. Применение вакансионного механизма вызывает затруднение в области низких температур вследствие подавления в этих условиях процессов диффузии точечных дефектов.

Зарождение трещин по границам ячеек и субзерен. Некоторые исследователи полагают, что зарождение усталостных трещин происходит по границам субзерен при достижении критической разориентации между соседними объемами ячеек.

Период зарождения усталостных трещин, так же, как и в случае статического деформирования, можно разделить на три основные стадии.

1. Стадия циклической микротекучести;

2. Стадия циклической текучести;

3. Стадия циклического упрочнения (разупрочнение). Стадия циклического упрочнения бывает у пластичных металлов и сплавов, а стадия циклического разупрочнения – у высокопрочных металлических материалов. На этой стадии наряду с процессами деформационного упрочнения наблюдается развитие образования субмикротрещин[9].

Эти стадии хорошо наблюдаются в условиях нагружения с постоянной общей амплитудой деформации за цикл. В случае испытаний с постоянной амплитудой пластической деформации за цикл, не имеющих физического предела текучести, период зарождения усталостных трещин может сразу начинаться со стадии деформационного упрочнения или разупрочнения.


  1.  Материалы и методики исследования

2.1 Материалы исследования

В качестве одного из материалов взят алюминий технической марки А7 и особой чистоты марки А999.

Алюминий был открыт в 1808г. английским ученым Дэви и со временем его исследования все больше расширяются, особенно как основы многих промышленных сплавов. По прочности алюминиевые сплавы уступают сталям, но значительно превосходят их по удельной прочности (отношению временного сопротивления к плотности). Если сравнительно низкая жаропрочность алюминиевых сплавов ограничивает области их применения в условиях повышенных температур, то низкотемпературное хрупкое разрушение, свойственное многим металлам, у алюминиевых сплавов не встречается.

Алюминий является химически активным металлом, поэтому он очень легко покрывается оксидной пленкой, которая в дальнейшем защищает его от взаимодействия с окружающей средой. При комнатной температуре толщина ее составляет 5-10 нм, но при увеличении температуры до 200ºС, она возрастает до 200нм. Оксидная пленка является плотной и малопроницаемой для газов. Пленка позволяет декорировать детали поверхностной картины деформации мезомасштабного уровня.

Алюминий мономорфный металл с ГЦК-решеткой, легкоплавкий и высокопластичный металл. В физической мезомеханике пластическая деформация рассматривается как локальная потеря сдвиговой устойчивости исходной кристаллической решетки в результате локального структурного фазового перехода. Вследствие этого необходимо оценивать сдвиговую устойчивость материала величиной энергии дефекта упаковки γ, так как чем меньше величина энергии дефекта упаковки, тем выше степень диссоциации дислокаций и больше локальное образование новой фазы. С этих позиций алюминий характеризуется как металл с высокой энергией дефекта упаковки.

Высокочистый алюминий А999

Наиболее чистый алюминий (алюминий особой частоты) содержит 99,999% Аl, а сумма всех примесей составляет не более 0,001%[10].

Чистый алюминий используется главным образом в химическом машиностроении для изготовления аппаратуры, трубопроводов и применяют для лабораторных опытов. Физические свойства алюминия: удельный вес 2 7 г / см3, температура плавления 658, температура кипения 1800, временное сопротивление разрыву 8 - 10 кгс / мм2, относительное удлинение 32 - 40 %, теплопроводность алюминия в три раза больше, а коэффициент линейного расширения в два раза больше, чем у железа.

Технический алюминий А7

Таблица 1 – Химический состав в % материала А7 (ГОСТ 11069 – 2001)

Fe

Si

Mn

Ti

Al

Cu

Mg

Zn

Ga

Примесей

До 0.16

До 0.15

До 0.03

До 0.01

Min 99.7

До 0.01

До 0.02

До 0.04

До 0.03

Прочие, каждая 0.02

В своем химическом составе сплав А7 содержит химические элементы в %: Fe до 0,16 Si до 0,16 Ti до 0,02 Al 99,7 Cu до 0,01 Zn до 0,04. Физические, технологические и механические свойства сплава А7: твердость материала: HB 10 -1 = 20 МПа А7 – первичный алюминий с незначительным содержанием железа, кремния, цинка, титана и меди[11]. Цифра 7 после буквенной маркировки обозначает процентную чистоту основного металла. Эта марка обладает высокой коррозионной стойкостью и прочностью, легкостью обработки и формовки. Для повышения пластичности металла используется различные методы термической обработки. Отожженный полуфабрикат алюминия маркируется А7М, нагартованный материал – А7Н. Из данного металла изготавливают детали и конструкции для многих отраслей промышленности и строительства. Первичный алюминий А7 используется в транспортной, строительной, электротехнической и упаковочной отраслях промышленности. Применение сплава А7 в промышленности: для производства чушек, слитков, катанки; плоских слитков, отлитых методом полунепрерывного или непрерывного литья и предназначенных для прокатки на листы, ленты и другие полуфабрикаты; прессованных труб с контролем внутреннего диаметра от 14 до 42 мм для теплообменных аппаратов; теплообменников испарителей и конденсаторов с двухсторонним раздувом каналом, применяемых в бытовых холодильниках и морозильниках; рулонной фольги, применяемой для термо-, гидро- и звукоизоляции; алюминиевой комкованной пудры марок АПС-1А, АПС-1Б, АПС-2, АПС-3, предназначенной для изготовления теплопрочного деформируемого материала типа САП. Примечание: Алюминий технической чистоты. Марка алюминия А7 соответствует по химическому составу марке алюминия EN AW-1070А, установленной в Европейском стандарте EN 573-3-94 и маркам 1070 и 1170А, зарегистрированных Американской алюминиевой ассоциацией[11].


  1.  Методики исследования

В работе использовали образцы (одинаковые для всех материалов) в виде двойной лопатки с длиной рабочей части 40 мм и поперечным сечением 8х1 мм2 (рисунок 10). 

Образцы алюминия готовили многоступенчатой (5 ступеней) прокаткой с промежуточными отжигами для снятия наклепа 240ºС 150 минут и 470ºС 30минут до толщины 1,2мм. Из прокатанной ленты вырубали штампом образцы для исследования, которые затем отжигали для получения однородного зерна (для алюминия особой чистоты – 100º С 30минут (средний размер зерна 800мкм), для технического алюминия - предварительная деформация 2-3%, отжиг 500ºС 8ч. (средний размер зерна 70 мкм)).

Поверхность всех образцов для структурных исследований готовили методом электролитической полировки. На полированную поверхность образцов перед испытанием наносили координатную сетку. Это позволяет анализировать развитие сдвиговых и поворотных составляющих деформации, а также распределение деформации на поверхности поликристалла. Для изучения кинетики самосогласованного взаимодействия деформирующихся зерен на большом участке образца применяли метод фотомонтажей. Структурные исследования выполняли методами световой микроскопии на различных этапах усталости. Трехмерную картину формирующейся на поверхности образца мезоскопической субструктуры получали с использованием микроскопа Axiovert-25 CA, снабженного устройством DIC для получения дифференциально-интерференционного контраста.

Для аттестации условий испытания на изгиб при постоянной общей амплитуде деформации а=const и определения области прилагаемых нагрузок проведен расчет максимальных нормальных напряжений max, и максимальных касательных напряжений max на поверхности плоского образца при изгибе в представлениях механики сплошной среды.

3.1 Методы электролитического полирования

Электрополирование – процесс анодного растворения металлов, в результате которого исчезают неровности и, как следствие, возникает блеск.

Химическое полирование мелких деталей из алюминия получило широкое применение благодаря своей простоте, кратковременности и высокой экономичности.

Существует много теорий электролитической полировки. Одна из них принадлежит Жаке (рисунок 11). При прохождении тока через электролит у поверхности анода образуется жидкий слой из продуктов анодного растворения, имеющий повышенную вязкость и большое электрическое сопротивление. Толщина этой вязкой жидкой пленки неодинакова на разных участках шероховатой поверхности h1 больше h2 (рисунок 11). Из-за неравномерной изоляции поверхности анода происходит и неравномерное распределение электрического тока на ней. На выступах устанавливается более высокая плотность тока, чем во впадинах. Поэтому выступы растворяются более интенсивно, что в итоге ведет к выравниванию шероховатой поверхности.

В работе исследовались образцы алюминия технической (А7) и особой чистоты (А999). Режим электролитической полировки для алюминия: серная кислота (H2SO4) – 74мл, фосфорная кислота (Н3РО4) – 74 мл; оксид хрома (CrO3) - 16 г, вода – 56 мл. В качестве катода использовали пластины из нержавеющей стали.

3.2 Метод нанесения координатной сетки

Для нанесения координатной сетки было сконструировано и изготовлено специальное приспособление. Его основной частью является заостренное перо, вырезанное из стального лезвия. Для штриховки рисок перо опускается на полированную поверхность образца и передвигается. Проведя горизонтальные риски, предметный столик поворачивается на 90о и операция штрихования повторяется. В результате получаются квадратные ячейки. Размер ячейки задается смещением микроскопического винта. Точность нанесения сетки определяется точностью работы микрометрического винта. Наряду с этим использовали метод прицельных наблюдений и съемок, изучая развитие картины следов деформации на разных стадиях усталости путем наблюдения за одним и тем же местом. Для изучения картины деформации на максимально высоком структурном уровне исследовали кинетику структурных изменений большого участка образца, включающего до нескольких сотен зерен. Для этого фотографировали небольшие смежные области и из полученных фотографий оформляли панораму всего участка.

3.3 Механические испытания на знакопеременный изгиб

Усталость обычно характеризуют либо пределом выносливости, либо усталостной долговечностью. В данной работе в качестве количественной характеристики вибрационной стойкости взято число циклов до разрушения при постоянной частоте 7 Гц. Для технического алюминия амплитуда изгиба была ±1,5мм, для алюминия особой чистоты - ±1мм.

Рисунок 12 – Установка для испытаний на знакопеременный изгиб

3.4 Металлографические исследования

В работе был использован микроскоп металлографический лабораторный инвертированный ЛабоМет – И (рисунок 13). Он предназначен для наблюдения и исследования изображения структуры металлов, сплавов и других непрозрачных объектов (в виде шлифов и срезов) при прямом освещении в отражённом свете в светлом поле.

Микроскоп может использоваться для научных, исследовательских целей, а также для рутинных лабораторных исследований и учебных работ.

Микроскоп может применяться в различных областях науки, техники и жизнедеятельности: металлургическая, электронная и полупроводниковая промышленности, металлография, петрография, минералогия, геология, криминалистика, стоматология и др.

Рисунок 13 – Металлографический микроскоп ЛабоМет

Предусмотрена возможность расширения технических характеристик микроскопа за счет свободной комплектации узлами и принадлежностями, такими, как объективы, окуляры, визуальные насадки, устройства контрастирования, светофильтры и др.

Трехмерную картину формирующейся на поверхности образца мезоскопической субструктуры получали с использованием микроскопа Zeiss Axiovert-25CA (рисунок 14), снабженного устройством DIC для получения дифференциально-интерференционного контраста. Микроскоп содержит: ICS оптику, встроенный осветитель отраженного света со стабилизированным блоком питания; источник света – галогенную лампу 6В 30Вт или 12В 100Вт, светлое и темное поле, поляризованный свет, дифференциально - интерференционный контраст, объективы (1,25×;2,5×;5×;10×;20×;50×;100×), встроенную систему для документирования (установка фото или видеокамеры).

Рисунок 14 – Микроскоп «Zeiss Axiovert-25CA», снабженного

устройством DIC

3.5 Измерение микротвердости

Микротвердость образцов измеряли с помощью микротвердомера ПМТ-3 (рисунок 15) с механической нагрузкой Р=20г.

Рисунок 15 – Микротвердомер ПМТ-3: а) установка; б) схема: 1 – образец, 2 – алмазная пирамида, 3 – объектив, 4 – центрировка, 5 – тубус, 6 – окулярный микрометр, 7 – макропадача, 8 – микропадача, 9 – стойка, 10 –механическая нагрузка, 11 – станица, 12 – столик

Образец для испытания помещали на столик прибора ПМТ-3 так, чтобы испытуемая поверхность была строго перпендикулярна к направлению перемещения пирамиды при вдавливании. Установив необходимую нагрузку, столик с образцом поворачивали под пирамиду. Нагружали образец медленно в течение 5 секунд. По окончанию выдержки столик с образцом плавно поворачивали под микроскоп, для измерения отпечатка. Диагональ отпечатка (z) измеряли ценой деления окуляр-микрометра, затем эту величину вычисляли в микронах по формулам, где g=0,32мкм: d=zg (мкм).

Значение микротвердости (H) вычисляли по ниже приведенной формуле, где Р – нагрузка выражено в граммах, d в микрометрах;

Для того чтобы перевести значение микротвердости в МПа, можно воспользоваться соотношением; 1МПа = 9,81кГ/мм2.

  1.  Исследование усталостной деформации

4.1 Расчет максимальных нормальных (σmax) и касательных (τmax) напряжений на поверхности плоского образца при изгибе

Для вычисления напряжений и деформаций при испытании на усталость методом изгиба использовали представления механики сплошной среды [12]. Проведение расчета вызвано необходимостью оценки условий испытания на усталость при изгибе.

При испытании на усталость методом знакопеременного изгиба нижний конец образца закреплен в неподвижном захвате, а верхний захват совершает колебания с постоянной частотой и амплитудой. Можно рассматривать образец как балку с защемленным концом Балкой называется стержень, работающий на изгиб. На балку действуют силы и реакции.

Схема расчета следующая. Зная максимальную амплитуду изгиба – максимальный прогиб образца fb, можно определить силу Р, которая действует на образец. Это значение используется для определения max в разных поперечных сечениях образца. По закону Гука определяем максимальную относительную деформацию, соответствующую напряжению. Считаем, что усталостные испытания проводили с постоянной суммарной амплитудой деформации а = const. Используя максимальные нормальные напряжения max, которые действуют в каждой точке на поверхности образца, оцениваем по критериям Мизеса и Треска максимальные касательные напряжения max, действующие на поверхности образца.

Рассматриваем образец как балку с защемленным концом (рисунок 16), на которую действует сосредоточенная сила Р.

Нормальные и касательные напряжения в поперечных сечениях балки являются функциями суммарного момента сил М и суммарной поперечной силы Q, действующих в этой плоскости. В предположении чистого изгиба, который фактически имеет место в нашем случае, относительное удлинение волокна, находящегося на расстоянии z от нейтрального слоя, равно:

=  =       (3),

где - радиус кривизны нейтрального слоя.

По закону Гука = Е    или

  =        (4)

Совместное решение уравнений (3) и (4) приводит к получению зависимостей:

 или ,     (5)

где Jy =  является осевым или экваториальным моментом инерции площади сечения относительно нейтральной оси y.

Подставляя (5) в (4) получаем:

  =       (6)

нормальное напряжение в любой точке сечения, находящегося на расстоянии z от нейтральной оси. Максимальное нормальное напряжение для данного сечения достигается при z = zmax:

 max = ,      (7)

где величина W= является осевым моментом сопротивления сечения.

Вычисление моментов инерции сечения Jy для поперечного сечения балки шириной b и высотой h дает величину:

 Jy=,       (8)

а момента сопротивления сечения W относительно нейтральной оси Oy при zmax = h/2 – величину:

 W=Jy/zmax=      (9)

Касательные напряжения в поперечных сечениях при изгибе вычисляются по формуле Журавского. Величина касательного напряжения  меняется по высоте прямоугольного сечения по закону параболы. При z = 0    = max = , при z = h/2   =0. При изгибе поперечная сила Q постоянна по длине образца и равна приложенной силе Р.

Деформацию балки в поперечном сечении при изгибе определяют через прогиб центра тяжести сечения y и угол поворота сечения . Оба параметра (y,) являются функциями расстояния х сечения от начала координат (точки защемления балки). Уравнение y = f(x) представляет уравнение изогнутой оси балки. Для получения зависимости y = f(x) используют установленную связь (5):

1/(х) = ,      (10)

где (х) – радиус кривизны участка изогнутой балки между смежными сечениями на расстоянии х от начала координат, М(х) – изгибающий момент в том же сечении, ЕJy – жесткость балки. Используя зависимость кривизны балки от координат точек:

1/(х) =,                                  (11)

подставляют значение для кривизны в (4) 

=                                       (12)

и получают дифференциальное уравнение изогнутой оси или упругой линии. Для малых углов получают приближенное дифференциальное уравнение:

 EJy                                                  (13).

Интегрирование уравнения (12) дает значение: y= и

максимальное значение прогиба fb при х=l:

 y = fb = -                                                       (14)

Из выражения (14) находится значение силы Р, которое используем для определения максимальных значений нормального и касательно напряжений в поперечных сечениях образца. Определяем М = -Рх2 , где величиной х2 обозначили расстояние рассматриваемого сечения от верхнего захвата. По критерию Мизеса (y=) и по критерию Треска (y =y/2) определяем касательные напряжения на поверхности образца при y= max.

В работе исследовали и сравнивали разные материалы, поэтому для каждого из них были посчитаны свои напряжения (таблица 2.3, 2.4, 2.5). В таблице приведены расчетные значения максимальных нормальных напряжений max и касательные напряжения max в в поперечных сечениях образца. Определяем М=-Р·х, где величина х обозначили расстояние от верхнего захвата до рассматриваемого сечения. По критериям Мизеса () и Треска ()определенные касательные напряжения на поверхности. В таблицах 2.3-2.5 приведены расчетные значения максимальных нормальных напряжений max в поперечных сечениях образца и соответствующие касательные напряжения max на плоской поверхности образца, определенные по критериям Мезеса и Треска в зависимости от положения образца в нижнем захвате. Здесь же представлены максимальные относительные деформации max, соответствующее max. Расчет проводили для комнатной температуры. Размеры образца: длина l=37мм, высота h=1мм, ширина b=8мм, ширина головки bг= 16мм (рисунок 10).

1. Алюминий особой чистоты. Модуль упругости Е=81000МПа [14], максимальный прогиб образца fb=0,9мм (таблица 2).

Для особо чистого алюминия при комнатной температуре предел прочности составляет в=110,8МПа, предел текучести 0,2=28,2МПа, а предел выносливости -1=26,5Мпа[13].

2. Технический алюминий. Модуль упругости Е=84900Мпа, максимальный прогиб образца fb=1,5мм (таблица 3).

Для технического алюминия при комнатной температуре предел прочности составляет в=118,0МПа, предел текучести 0,2=29,4МПа, а предел выносливости -1=78,5Мпа[13].

Таблица 2 – Расчет напряжений для алюминия особой чистоты

Сечение образца А-А

max, МПа

·104

max, MПа

(по Мизесу)

max, MПа

(по Треска)

8,60

11

5,00

4,30

6,58

8

3,80

3,29

6,81

8

3,93

3,40

5,48

7

3,16

2,74

Таблица 3 – Расчет напряжений для технического алюминия

Сечение образца А-А

max, МПа

·104

max, MПа

(по Мизесу)

max, MПа

(по Треска)

15,03

18

8,68

7,51

11,50

13

6,64

5,74

11,89

14

6,87

5,95

9,57

11

5,53

4,79

Проведенный расчет показал, что в зависимости от положения образца в нижнем захвате в поперечных сечениях вблизи захвата значения max составляют: для о.ч. алюминия 5,48 8,60МПа, для технического алюминия – 9,57 15,03МПа, соответствующие им относительная деформация max равны: для о.ч. алюминия 7 11, для технического алюминия – 11 18; значения max рассчитанные по критерию Мезеса равны: для о.ч. алюминия 3,16 5,00МПа, для технического алюминия – 4,79 8,68МПа; а по критерию Треска: для о.ч. алюминия 2,74 4,30МПа, для технического алюминия – 5,53 7,51МПа. В работе использовали положение 3 в таблицах 2-3.

Таким образом, сравнивая с известными данными [13] (таблица 2), полученные значения напряжений достаточно корректны и могут использоваться для характеристики максимальной постоянной относительной деформации при знакопеременном изгибе.

4.2 Исследования особо чистого алюминия А999

Как уже отмечалось, вопросам деформации и разрушения алюминия и алюминиевых сплавов при циклическом нагружении посвящено довольно много исследований, выполненных в рамках традиционного подхода на микромасштабном уровне. Однако таких исследований недостаточно для получения полной картины пластического течения материала, определяющей его свойства.

Исследования формирующейся мезосубструктуры выполняли на разных этапах усталости от начала нагружения и до разрушения образца [152-154]. Учитывая, что в мезомеханике базовым механизмом деформации является первичное одиночное скольжение, а все остальные механизмы, в том числе и образование трещин, являются его аккомодационными поворотными модами, необходимо было изучить наряду с характером первичного скольжения динамику включения и развития каждого из имеющих место аккомодационных поворотных механизмов и их связи со свойствами поликристалла.

Известно, что процесс любой деформации имеет стадийный характер. Каждая стадия, ограниченная точками бифуркации на кривой динамики этого процесса, связана с определенным его механизмом. В связи с этим, прежде всего, необходимо было установить стадийность развития процесса усталости в исследуемом алюминии.

Обычно процесс усталости разделяют на три, а иногда на четыре стадии (периода). При выборе начала той или иной стадии базируются, как правило, на изменении лишь отдельных физико-механических свойств. Однако наибольший интерес представляет комплексный анализ изменения свойств и структуры материала в процессе его деформации.

При знакопеременном нагружении металла уже при первых циклах нагружения в деформацию вовлекается мезоскопический структурный уровень. Поэтому можно было предполагать, что каждая стадия процесса усталости должна быть связана с качественными изменениями мезосубструктуры поверхностных слоев материала.

В качестве механической характеристики в работе используется микротвердость. Такой выбор обоснован тем, что в настоящих испытаниях на усталость путем знакопеременного изгиба пластическая деформация образцов сосредоточена преимущественно в их поверхностных слоях. Поэтому и влияние циклического нагружения (числа циклов нагружения) на исходную прочность образцов нужно было определять в их поверхностных слоях.

Алюминий особой чистоты марки А999 содержит 0,001 естественных примесей. Данные исследования имеют также важное прикладное значение, так как алюминий А999 широко используется в промышленности, в частности, для изготовления высокочувствительных датчиков для мониторинга состояния поверхности конструкций, работающих в условиях циклических нагрузок.

Исходная структура образцов алюминия А999, отожженных при 240˚С 30 минут с последующим охлаждением на воздухе, представлена на рисунке 17. 

На рисунке 15 зерна алюминия А999 имеют сравнительно равноосную форму. Границы зерен, в основном, прямолинейные. К сожалению, вследствие необходимости выявить все границы зерен, часть из них (наиболее благоприятно ориентированных к травлению) оказались перетравленными, но это было сделано для того, чтобы показать исходную поверхность образца. В эксперименте использовались образцы с нетравленой поверхностью, границы выявлялись в процессе деформации. Поверхность зерен абсолютно плоская по всей ее протяженности, в том числе и вблизи границ.

Для классификации структурных изменений при циклической деформации была исследована зависимость микротвердости от числа циклов нагружения. На рисунке 18 представлена зависимость Hµ(N) для высокочистого алюминия. Она отражает изменение величины микротвердости по мере нагружения образца. I стадия, самая короткая по протяженности нагружения, характеризуется резким возрастанием микротвердости. Затем, при переходе ко II стадии, скорость этого возрастания сильно уменьшается. С переходом же к III стадии происходит заметное снижение величины микротвердости, скорость которого увеличивается на IV стадии усталости.

В настоящих исследованиях методом оптической микроскопии показано, что исходная структура высокочистого алюминия до нагружения (рисунок 17) характеризуется умеренной однородностью по величине зерна, которая в среднем составляет 200 мкм.

Рассмотрим структурные изменения на каждой конкретной стадии усталости алюминия А999.

I стадия усталости высокочистого алюминия характеризуется резким увеличением микротвердости в самом начале нагружения. Это связано с увеличением плотности дислокаций до критической величины в пластически деформирующихся зернах поверхностного слоя и возрастанием упругих полей внутренних напряжений во всем поверхностном слое. Однако стесненность материальных поворотов одиночного скольжения в отдельных зернах в окружении упруго нагруженных зерен вызывает резкий рост микротвердости во всем поверхностном слое.

На I стадии в отдельных зернах развиваются тонкие линии одиночного скольжения (рисунок 19), что сопровождается резким

повышением микротвердости по мере нагружения образца (рисунок 18). С точки зрения дислокационной картины на этой стадии рост микротвердости связывается с увеличением плотности дислокаций до критической величины. На мезоуровне указанная структурная картина соответствует первичному одиночному скольжению. Кристаллографические сдвиги в пределах структурного элемента вызывают появление на его границах поля поворотных моментов, действующих на данный элемент со

стороны окружающих его зерен. Степень этих двух факторов резко возрастает по мере нагружения, что сопровождается сильным увеличением микротвердости.

На границе I и II стадий наблюдается формирование тонкого "клеточного" деформационного профиля (рисунок 20а, б). На II стадии усталости к первичным сдвигам подключается вторичное скольжение (рисунок 20в,г). Эти механизмы в определенной степени компенсируют материальный поворот кристалла от первичного скольжения. Множественное скольжение является поворотным аккомодационным механизмом, аккомодирующим материальный поворот первичного скольжения. Включение в деформацию вторичных систем скольжения – это результат реакции материала на сформировавшийся поворотный момент от мощного первичного скольжения.

Если интенсивности первичных и вторичных сдвигов близки, то форма кристалла существенно не изменится, что сопровождается низким уровнем поворотных моментов на его границах с соседними зернами. В противном случае материальный поворот приводит к формированию на границах зерен мощных мезоконцентраторов напряжений. Их релаксация будет реализовываться самым опасным поворотным механизмом трещинообразования, но этого не происходит, так как реализуются другие аккомодационные механизмы, не связанные с нарушением сплошности материала.

В высокочистом алюминии границы зерен свободны от малорастворимых примесей, поэтому в нем интенсивно развивается зернограничное проскальзывание, а конкретно его вертикальная составляющая (рисунок 21а, б). Зернограничное проскальзывание сопровождается аккомодационными механизмами поворотного типа (миграция границ (рисунок 22), фрагментация(рисунок 23)) в приграничных зонах.

Рисунок 22 – Алюминий А999. II стадия усталости, зернограничные процессы, DIC: а, б) миграция границ зерен: а) N = 16·103ц., ×200, б) N = 16·103ц., ×500

На рисунке 22в, г показана миграция границ зерен, это исключительно эффективный процесс приспособления смежных деформирующихся зерен. Движущей силой миграции границ зерен является существенное различие в степени деформации и напряжениях смежных зерен, особенно приграничных зон, разделенных данной границей. Под действием разности напряжений граница перемещается в сторону одного из зерен, а отсеченный ею участок принимает ориентацию своего соседа.

На III стадии усталости понижается микротвердость особо чистого алюминия (рисунок 18). Новым качеством в структурных изменениях на этой стадии является сильное огрубление клеточного деформационного гофра, что является мелкомасштабной фрагментацией (рисунок 23), которая обычно развивается как аккомодационный поворотный механизм по отношению к сдвиговому механизму зернограничного проскальзывания. Так же заметный вклад в аккомодацию материального поворота от первичного скольжения вносят экструзия приграничных зон, аккомодационное скольжение и образование полос сброса.

И, наконец, при исчерпании действия внутризеренных аккомодационных механизмов, в действие вступает поворотный механизм трещинообразования, завершающийся разрушением материала (четвертая стадия (рисунок 18)). 

В алюминии особой чистоты разрушение, имеет исключительно интеркристаллитный характер: все усталостные трещины зарождаются и распространяются по границам зерен (рисунок 24). Этот факт свидетельствует о том, что прочность границ зерен меньше прочности объема зерен.

Рисунок 25 – алюминий А999 N=20

На рисунке23 изображена магистральная трещина, по которой пройдет разрушение. Средняя усталостная долговечность алюминия А999 составила 1,3·105ц.

4.3 Технический алюминий

Типичная кривая зависимости микротвердости от числа циклов нагружения технического алюминия приведена на рисунке 26. Она состоит из трех участков, отличающихся друг от друга скоростью и знаком изменения величины микротвердости.

Рассмотрим структурные изменения на каждой конкретной стадии усталости алюминия А7.

В настоящих исследованиях методом оптической микроскопии показано, что исходная структура технического алюминия до нагружения (рисунок 27) характеризуется умеренной однородностью по величине зерна, которая в среднем составляет 70 мкм. По форме зёрна представляют собой классические полиэдры, разделенные тонкими границами.

I стадия усталости характеризуется сильным повышением микротвердости в самом начале нагружения в течение сравнительно небольшого числа циклов N=0÷2·104. Это связано с увеличением плотности дислокаций до критической величины в пластически деформирующихся зернах поверхностного слоя и возрастанием упругих полей внутренних напряжений во всем поверхностном слое. Однако стесненность материальных поворотов одиночного скольжения в отдельных зернах в окружении упруго нагруженных зерен вызывает резкий рост микротвердости во всем поверхностном слое.

Структурные изменения на первой стадии выражены еще слабо и сводятся к следующему. Первые видимые в оптическом микроскопе следы деформации на полированной поверхности образца после N=0,7 · 104 циклов нагружения (рисунок 28), представлены сравнительно тонкими линиями скольжения одной системы в небольшом количестве зерен в зоне максимального изгиба (вблизи неподвижного захвата).

Линии скольжения и состоящие из них зоны скольжения являются визуальным признаком пластической деформации. Появляются они, прежде всего, в наиболее благоприятно ориентированных по отношению к приложенному напряжению зернах. Известно, что при циклическом нагружении скольжение происходит по тем же атомным плоскостям и в тех же направлениях, что и при действии статических нагрузок.

Однако при циклическом нагружении число действующих в зерне систем скольжения весьма ограничено. Первые следы скольжения появились в наиболее крупных зернах, расположенных у боковой поверхности образца (рисунок 26). Эта область является более напряженной, так как получена при вырубке образца из прокатанной ленты.

Распространение трещины, приводит к качественным изменениям картины в пластической зоне перед ее вершиной, что проявляется в более резком изменении направления трещины, ее ветвлении и сильно выраженной фрагментации материала (рисунок 29в,г). Все это свидетельствует о непрерывной подпитке концентратора моментных напряжений в вершине трещины по мере циклического нагружения образца.  

Рисунок 28 – Алюминий А7 на I стадии усталости, DIC:

а) N=0,7· 104 ц., ×200, б) N=1,4 · 104 ц., ×200

На II стадии резко снижается скорость роста микротвердости в результате циклического нагружения. В алюминии А7 многие зерна поверхностного слоя остаются недеформированными (рисунок 28). Одиночные сдвиги в активных зернах сопровождаются их материальным поворотом. Как следствие реакции смежных с ними зерен на их границах возникают концентраторы напряжений. Взаимодействие которых приводит к самосогласованной подстройке активных смежных зерен в деформационные конгломераты.

 

IIІ стадия процесса усталости по протяженности составляет основную его часть. В литературе ее связывают с развитием микротрещин до их слияния в макротрещины и при этом понижается микротвердость. Новым качеством в структурных изменениях в алюминии А7 является начало процесса замыкания отдельных групп самосогласованно деформирующихся зерен в деформационные конгломераты петли (рисунок 29а,б). Для алюминия А7 началось формирование новых структурных элементов деформации значительно большего масштаба по сравнению с исходными зернами. Аккомодация поворота таких крупных структурных элементов деформации сначала осуществляется фрагментацией зерен, составляющих конгломерат (рисунок 29в,г). Когда же возможность фрагментации как аккомодационного процесса поворотного типа исчерпывается, вступает в действие релаксационный механизм трещинообразования.

Известно, что трещины зарождаются в зоне концентраторов напряжений критической мощности. Трещины зарождаются, как правило, на границах конгломератов самосогласованно деформирующихся зерен. Это вполне логично, так как, при повороте такого крупно масштабного элемента структур, как конгломерат зерен, на его границе формируются самые мощные концентраторы напряжений. Это отчетливо видно на рисунке 30. Этот процес завершается разрушением образца.


Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение

3.1 Предпроектный анализ

3.1.1 Практическая значимость

К настоящему времени методология исследования усталости металлов получила широкое развитие, как в теории усталостного разрушения, так и в технологии получения, обработки и эксплуатации металлических материалов для изделий, работающих в условиях переменного нагружения. Вместе с тем, многими исследователями усталостного разрушения отмечается, что круг проблем усталостного разрушения остается шире современных представлений. Это, прежде всего, касается изучения механизмов пластической деформации и разрушения в условиях переменного нагружения, а также интеграции научных представлений об элементарных усталостных явлениях и интегральных усталостных характеристиках. Существует необходимость в совершенствовании и самой методологии исследования усталостного разрушения металлических материалов.

В нашем исследовании используется микроскопический метод исследования. Этим методом можно получить больше характеристик(свойств) материала.

Алюминий – самый распространенный металл на Земле, его доля в земной коре составляет до 8,8%. Однако вопреки распространенному мнению, алюминиевых рудников в природе не существует. Благодаря своей химической активности алюминий практически не встречается в свободном виде – для промышленного производства подходит лишь многие их содержащих его минералов и горных пород.

Алюминий остается очень востребованным на рынке металлом, и спрос на него ежегодно растет, так же, как и его объемы производства. По итогам 2014 года, мировой объем производства алюминия составил 53 млн. тонн, что на 4,8% больше показателей 2013 года. Лидером на рынке является Китай, чья доля в общем объеме составляет 52%.

3.1.2 Потенциальные потребители результатов исследования

Благодаря своим уникальным характеристикам алюминий находит все большее применение во многих сферах человеческой деятельности. На протяжении последних тридцати лет потребление алюминия росло самыми быстрыми темпами по сравнению с остальными металлами.

Мировым лидером потребления алюминия является Китай. Ключевыми отраслями алюминия являются строительство и транспорт.

В странах с развитой экономикой основной объем потребления приходится на транспортную индустрию. Развитые страны активно используют алюминий в автомобилестроении – за счет своей легкости он позволяет создавать энергоэффективный транспорт, что отвечает экологической политике США, Японии и стран Евросоюза, стремящихся минимизировать выбросы вредных веществ в атмосферу. В тоже время основной объем потребления алюминия в странах с развивающей экономикой обеспечивает строительная отрасль.

Алюминиевые заводы в России находятся в настоящее время под управлением объединенной компании РУСАЛ, которая в 2007 году являлась крупнейшим в мире производителем алюминия и глинозема.

Исследуя рынок потенциальных потребителей, можно выделит ряд предприятий, которым потенциально интересны результаты исследований:

  •  Богучанский алюминиевый завод, Богучаны
  •  Братский алюминиевый завод, Братск
  •  Волгоградский алюминиевый завод, Волгоград
  •  Волховский алюминиевый завод, Волхов
  •  Всеволожский завод алюминиевых сплавов, Санкт-Петербург
  •  Иркутский алюминиевый завод, Шелехов
  •  Красноярский алюминиевый завод, Красноярск
  •  Новокузнецкий алюминиевый завод, Новокузнецк
  •  Саяногорский алюминиевый завод, Саяногорск
  •  Уральский алюминиевый завод, Каменск-Уральский
  •  Хакасский алюминиевый завод, Саяногорск.

3.1.3 Анализ конкурентных технических решений с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения

В качестве конкурентных разработок рассмотрим технологию исследования алюминия марок А999 и А7 на циклическую деформацию с помощью прочностной характеристики микротвердости. Так как деформация происходит в поверхностном слое образца. И если исследовать только с оптическими способами, то выявляется вся картина деформации образца.

3.1.4 SWOT-анализ

Мировой рост спроса на алюминий поддержан прежде всего быстрым экономическим развитием и урбанизацией Китая, доля которого в общем объеме мирового потребления составляет 40%. Активными потребителями алюминия на сегодняшний день является также Япония, страны Европы и США.

Таблица 1 – Матрица SWOT

Сильные стороны научно-исследовательского проекта:

С1.Развитая производственная, научная, энергетическая, транспортная, социальная инфраструктура.

С2.Большой объем и доступность сырья;

С3.Обширная база потребителей.

С4.Низкая стоимость  исходного сырья.

Слабые стороны научно-исследовательского проекта:

Сл1.Отсутствие у  потенциальных потребителей

квалифицированных кадров по работе с научной

разработкой.

Возможности:

В1.Использование  инновационной инфраструктуры ТПУ. Nano Indenter G200 для определения свойств образцов.

В2. Освоение новых сегментов рынка алюминия.

Результаты анализа интерактивной матрицы проекта полей «Сильные стороны и возможности»

1.Обширная база потребителей.

2.Устойчивые финансовые показатели.

 Результаты анализа интерактивной матрицы проекта полей «Слабые стороны и возможности»

1.Кадровый дефицит может быть компенсирован за счет использования инфраструктуры ТПУ, как мощной базы квалифицированных специалистов.

2.Использование инфраструктуры ТПУ позволит избежать перебоев и снизить финансирование научной разработки к минимуму.

3.Помехой для повышения стоимости  конкурентных разработок могут послужить отсутствие  необходимого оборудования  для проведения испытания

опытного образца.

Угрозы:

У1.Появлений новых конкурентов.

У2.Несвоевременное финансовое обеспечение

научного исследования со стороны государства.

У3.Введения дополнительных государственных

требований к  сертификации продукции.

У4. Отсутствия спроса на

новые технологии  производства.

Результаты анализа интерактивной матрицы проекта полей «Сильные стороны и угрозы»

1.Развитой конкурентной

технологии производства может не так сильно отразиться на проекте, благодаря  тому, что более низкая  стоимость производства по сравнению с другими  технологиями.

2.Отсутствие спроса на новые  технологии производства

может оказать не сильно негативное влияние на наш проект.

Результаты анализа интерактивной матрицы проекта полей «Слабые стороны и угрозы»

1.При отсутствии спроса на новые  технологии  производства может послужить то, что у  потенциальных потребителей не имеется

квалифицированных кадров по работе с  научной

разработкой.

Результаты научно – исследовательской работы могут быть устаревшими, если на рынке появятся материалы с высокими свойствами и стоимостью.

Таблица 2 - Интерактивная матрица проекта. Сильные стороны и возможности проекта

Сильные стороны проекта

Возможности проекта

С1

С2

С3

С4

B1

+

-

-

+

B2

+

+

+

+

В1С1С4; В2С1С2С3С4.

Таблица 3 - Интерактивная матрица проекта. Сильные стороны и угрозы проекта

Сильные стороны

Угрозы проекта

C1

C2

C3

C4

У1

-

+

+

+

У2

+

0

+

+

У3

+

-

-

-

У4

+

+

+

+

У1С2С3С4; У2С1С3С4; У3С1; У4С1С2С3С4.

Таблица 4 - Интерактивная матрица проекта. Слабые стороны и возможности проекта

Слабые стороны проекта

Возможности проекта

Сл1

B1

+

B2

-

В1Сл1

Таблица 5 - Интерактивная матрица проекта. Слабые стороны и угрозы проекта

Слабые стороны проекта

Угрозы проекта

Сл1

У1

+

У2

-

У3

+

У4

+

У1Сл1; У3Сл1; У4Сл1

3.1.5 Оценка готовности проекта к коммерциализации

В таблице 6 показаны оценки степени готовности научного проекта к коммерциализации.

Таблица 6 – Оценки степени готовности научного проекта к коммерциализации

№ п/п

Наименование

Степень проработанности научного проекта

Уровень имеющихся знаний у разработчика

  1.  

Определен имеющийся научно-технический задел

4

4

  1.  

Определены перспективные направления коммерциализации научно-технического

задела

4

4

  1.  

Определены отрасли и технологии (товары, услуги) для предложения на рынке

3

3

  1.  

Определена товарная форма научно-технического задела для представления на рынок

2

2

  1.  

Определены авторы и осуществлена охрана их прав

2

3

  1.  

Проведена оценка стоимости интеллектуальной собственности

4

4

  1.  

Проведены маркетинговые исследования рынков сбыта

1

1

  1.  

Разработан бизнес-план коммерциализации научной разработки

2

3

  1.  

Определены пути продвижения научной разработки на рынок

2

3

  1.  

Разработана стратегия (форма) реализации научной разработки

2

1

  1.  

Проработаны вопросы использования услуг инфраструктуры поддержки, получения льгот

1

3

  1.  

Проработаны вопросы финансирования коммерциализации научной разработки

1

2

  1.  

Имеется команда для коммерциализации научной разработки

1

2

  1.  

Проработан механизм реализации научного проекта

3

4

ИТОГО БАЛЛОВ

32

39

По полученным данным видно, что степень проработанности научного проекта на среднем уровне, что в первую очередь обусловлено достаточно большим научно-исследовательским заделом разработки и возможностями финансирования за счет большой актуальности продукции исследования. Уровень знаний у разработчика находится в диапазоне выше среднего, что говорит в достаточно высокой компетенции, но необходимости изучения финансовой стороны рынка - возможностей конкуренции и сбыта продукции. Только в этом случае можно говорить об успешных результатах коммерциализации разработки.

3.2 Инициация проекта

а. Цели и результат проекта.

Таблица 7 - Заинтересованные стороны проекта

Заинтересованные стороны проекта

Ожидания заинтересованных сторон

НИ ТПУ

Новые исследования образцов, публикации и заявки в ведущих журналах мира.

ИФПМ СО РАН

Результаты исследование образцов

Компания РУСАЛ

Результаты исследования образцов

Таблица 8 - Цели и результат проекта

Цели проекта:

Разработка и получение принципиально нового метода увеличения долговечности титана

Ожидаемые результаты проекта:

Различия марок алюминия

Критерии приемки результата проекта:

сроки сдачи проекта – 25.06.2015

форма представления результатов в виде полученных графиков закономерностей микротвердости от циклов нагружения, а также структуры материалов

б. Организационная структура проекта

Таблица 9 - Рабочая группа проекта

п/п

ФИО,

основное место работы,

должность

Роль в проекте

Функции

Трудозатраты, дни

1

Ваулина О. Ю., к.т.н. доцент ММС НИ ТПУ

Научный руководитель

Теоретическая помощь в выполнении проекта, анализ полученных данных о эксперименте

28

2

Дурновцева А.Н.

Инженер-Технолог

Подготовка и проведение экспериментов, анализ полученных данных о эксперименте

92

в. Ограничения и допущения проекта.

Таблица 10 - Ограничения проекта

Фактор

Ограничения / допущения

3.1. Бюджет проекта

-

3.1.1. Источник финансирования

НИ ТПУ

3.2. Сроки проекта:

Май 2015

3.2.1. Дата утверждения плана управления проектом

Март 2015

3.2.2. Дата завершения проекта

Май 2015

3.3. Прочие ограничения и допущения

Ограничения по времени  использования научного  оборудования, а также времени работы участников проекта.

3.3 Планирование управления научно-техническим проектом.

3.3.1 Иерархическая структура работ проекта

Иерархическая структура работ (ИСР) – детализация укрупненной структуры работ. В процессе создания ИСР структурируется и определяется содержание всего проекта.

3.3.2 Контрольные события проекта

Таблица 11 - Контрольные события проекта

п/п

Контрольное

событие

Дата

Результат (подтверждающий документ)

1

Утверждение ТЗ

Март

ТЗ

2

Получение образцов алюминия А999 и А7

Март

14 образов

3

Проведение необходимых исследований (структурные исследования определение свойства материала)

Апрель

Отчет об экспериментах

4

Составление отчетной документации, текстовых материалов проекта и графиков с рисунками

Май

Итоговые выводы о исследованиях

3.3.3 План проекта

Таблица 12 - Календарный план проекта

Код

работы

(из

ИСР)

Название

Длительность,

дни

Дата

начала

работ

Дата

окончания

работ

Состав

участников

(ФИО ответственных исполнителей)

1.1

Постановка задачи (выбор объекта исследования)

1

март

март

Ваулина О.Ю.

1.2

Анализ условий проведения работ (цель, назначение, область использования, изучение литературы)

4

март

март

Ваулина О.Ю., Дурновцева А.Н.

1.3

Анализ технических требований технологии (материалы, оборудование)

5

март

март

Ваулина О.Ю., Дурновцева А.Н.

2.1

Разработка и утверждение технического задания (ТЗ)

3

март

март

Ваулина О.Ю., Дурновцева А.Н.

2.2

Проведение консультаций с научным руководителем о проведении эксперимента

12

март

март

Ваулина О.Ю., Дурновцева А.Н.

3.1

Получение экспериментальных образцов алюминия (штамповка)

17

март

март

Ваулина О.Ю., Дурновцева А.Н.

3.2

Элетрохимичес-кая полировка

6

март

апрель

Дурновцева А.Н.

3.3

структурные исследования, исследование микротвердости поверхностного слоя образца

21

апрель

май

Дурновцева А.Н.

4.1

Обработка полученных экспериментальных данных

7

май

май

Дурновцева А.Н.

4.2

Составление отчетной документации, текстовых материалов проекта

14

май

июнь

Дурновцева А.Н.

4.3

Сдача проекта

1

июнь

июнь

Ваулина О.Ю., Дурновцева А.Н.

ИТОГО:

92

3.3.4 Бюджет научного исследования

При планировании бюджета научного исследования должно быть обеспечено полное и достоверное отражение всех видов планируемых расходов, необходимых для его выполнения. В процессе формирования бюджета, планируемые затраты группируются по статьям, представленным в таблице (табл. 13).

Таблица 13 - Группировка затрат по статьям

Вид работ

Сырье, материалы,

покупные

изделия и

полуфабрикаты

Основная заработная

плата

Дополнительная заработная

плата

Отчисления

на социальные

нужды

Наклад

ные

расходы

Затраты на электроэнергию

Итого

плановая

себестоимость

1625,3

106398

12767,8

35749,6

107249

87,9

263877,6

Таблица 14 - Сырье, материалы, комплектующие изделия и покупные полуфабрикаты

Наименование

Кол-во

Цена за единицу, руб.

Сумма, руб.

Алюминий А999

0,07 кг.

3040

212,8

Алюминий А7

0,07кг.

2550

178,5

Алмазные пасты для полировки образцов

4 шт.

73

292

Канцелярские пакеты

1 уп.

240

240

Канцелярские принадлежности (бумага)

2 пачки

200

400

Канцелярские принадлежности (ручки)

4шт

40

160

Всего за материалы

1483,3

Транспортно-заготовительные расходы (5%)

142

Итого по статье См

1625,3

Таблица 15 - Перечень необходимого спецоборудование для научных работ

Наименование оборудования

Цена ед.,

(руб.)

Количество

Сумма,

(руб.)

Микроскоп ЛабоМет - И

98 000

1

98 000

Микротвердомер ПМТ-3

290 000

1

290 000

Машина для испытания материалов на знакопеременный изгиб

630 000

1

630 000

Микроскоп Zeiss Axiovert-25CA

670 000

1

670 000

Итого (c учетом затрат на спец. оборудование)

1688000

Расчет основной заработной платы.

Зосн = Здн · Тр,

где  Зосн – основная заработная плата одного работника;

      Тр – продолжительность работ, выполняемых научно-техническим работником, раб. дн.;

       Здн – среднедневная заработная плата работника, руб.

Зосн =1 348,15 · 28=37748,2 руб;

Зосн =746,19 · 92=68649,48 руб.

Среднедневная заработная плата рассчитывается по формуле:

Здн = (Зм М) / Fд,

где     Зм  – месячный должностной оклад работника, руб.;

М – количество месяцев работы без отпуска в течение года:

при отпуске в 24 раб. дня М =11,2 месяца, 5-дневная неделя;

при отпуске в 48 раб. дней М=10,4 месяца, 6-дневная неделя;

Fд – действительный годовой фонд рабочего времени научно-технического персонала, раб. дн. (табл. 55).

Здн = (26 000 · 11,2)/216 = 1 348,15 руб;

Здн = (16 000 · 10,4)/223 = 746,19 руб.

Таблица 16 - Баланс рабочего времени

Показатели рабочего времени

Научный руководитель

Инженер-технолог

Календарное число дней

365

365

Количество нерабочих дней

- выходные дни

- праздничные дни

118

118

Потери рабочего времени

- отпуск

- невыходы по болезни

- 24

- 7

-24

Действительный годовой фонд рабочего времени

216

223

Месячный должностной оклад работника:

                                 Зм = Зб (kпр + Kд)kр,

где     Зб  – базовый оклад, руб.;

kпр – премиальный коэффициент, (определяется Положением об

оплате труда);

kд – коэффициент доплат и надбавок (в НИИ и на промышленных предприятиях – за расширение сфер обслуживания, за профессиональное мастерство, за вредные условия: определяется Положением об оплате труда);

kр – районный коэффициент, равный 1,3 (для Томска).

Расчёт основной заработной платы приведён в табл. 56.

Зм = 26 000 (1+0,4) · 1,3= 47 320 руб;

Зм = 16 000 (1+0,4) · 1,3= 29 120 руб.

Таблица 17 - Расчёт основной заработной платы

Исполнители

Зб,руб

kпр

kд

kр

Зм, руб

Здн,руб

Тр

Зосн, руб

Научный руководитель

2000

0,4

1

1,3

47 320

1 348,15

28

37748,2

Инженер-технолог

1000

0,4

1

1,3

29 120

746,19

92

68649,48

Дополнительная заработная плата научно-производственного персонала.

В данную статью включается сумма выплат, предусмотренных законодательством о труде, например, оплата очередных и дополнительных отпусков; оплата времени, связанного с выполнением государственных и общественных обязанностей; выплата вознаграждения за выслугу лет и т.п. (в среднем – 12  % от суммы основной заработной платы).

Дополнительная заработная плата рассчитывается исходя из 10-15% от основной заработной платы, работников, непосредственно участвующих в выполнение темы:

                                                    Здоп.з/п= Kдоп Зосн,

где Здоп – дополнительная заработная плата, руб.;

     Kдоп – коэффициент дополнительной зарплаты;

      Зосн –  основная заработная плата, руб.

Здоп.з/п = 0,12 · 37748,2= 4529,8 руб

Здоп.з/п = 0,12 · 68649,48= 8238 руб

В таблице 22 приведена форма расчёта основной и дополнительной  заработной платы.

Таблица 18 - Заработная плата исполнителей НТИ

Заработная плата

Научный руководитель

Инженер-технолог

Основная зарплата

37748,2

68649,48

Дополнительная зарплата

4529,8

8238

Зарплата исполнителя

42278

76887,48

Итого по статье Сзп

119165,48

Отчисления на социальные нужды.

Статья включает в себя отчисления во внебюджетные фонды.

                                                  Свнеб = Квнеб · (Зосн + Здоп),

где Квнеб - коэффициент отчислений на уплату во внебюджетные фонды (пенсионный фонд, фонд обязательного медицинского страхования и пр.).

Свнеб = 0,3 · 119165,48=35749,6 руб.

Накладные расходы.

В эту статью включаются затраты на управление и хозяйственное обслуживание, которые могут быть отнесены непосредственно на конкретную тему. Кроме того, сюда относятся расходы по содержанию, эксплуатации и ремонту оборудования, производственного инструмента и инвентаря, зданий, сооружений и др. В расчетах эти расходы принимаются в размере 70 - 90 % от суммы основной заработной платы научно- производственного персонала данной научно-технической организации.

Накладные расходы составляют 80-100 % от суммы основной и дополнительной заработной платы, работников, непосредственно участвующих в выполнение темы.

Расчет накладных расходов ведется по следующей формуле:

Снакл. = kнакл ( Зоснз/п + Здопз/п ),

где kнакл – коэффициент накладных расходов.

Снакл. = 90 % · 119165,48 = 107249

Расчет затрат на электроэнергию.

Затраты на электроэнергию из затрат на электроэнергию при работе оборудования во время разработки проекта, и из затрат на электроэнергию, потраченную на освещение.

Затраты на электроэнергию при работе оборудования для технологических целей рассчитывают по формуле:

Эобоб·Цэ·tоб, (21)

где Эоб – затраты на электроэнергию, потребляемую оборудованием, руб.;

     Роб – мощность, потребляемая оборудованием, кВт;

     Цэ – тарифная цена за 1кВт·час, Цэ = 4,36 руб.;

     tоб – время работы оборудованья, час.

Мощность, потребляемая оборудованием, определяется по формуле:

Робуст. об·Кс, (22)

где Роб – мощность, потребляемая оборудованием, кВт;

     Руст. об – установленная мощность оборудования, кВт;

     Кс – коэффициент спроса, зависит от количества загрузки групп электроприемников, для технологического оборудования малой мощности, Кс =1

Затраты на электроэнергию для технологических целей приведены в таблице 19.

Таблица 19 - Затраты на электроэнергию для технологических целей.

Наименование оборудования

Время работы оборудования, час, tоб

Потребляемая мощность,

Роб, кВт

Затраты,

Эоб, руб.

Микроскоп ЛабоМет - И

9

0,22

8,63

Микротвердомер ПМТ-3

9

0.02

0,79

Машина для испытания материалов на знакопеременный изгиб

25

0,3

32,7

Микроскоп Zeiss Axiovert-25CA

7

1,5

45,78

Итог                                                                                               87,9

3.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования

3.4.1 Оценка сравнительной эффективности исследования

Интегральный показатель финансовой эффективности научного исследования получают в ходе оценки бюджета затрат трех (или более) вариантов исполнения научного исследования (таблица 20).

Таблица 20 - Сравнительная оценка характеристик вариантов исполнения проекта

                            ПО

Весовой коэффициент параметра

Текущий проект

Аналог 1

Аналог 2

1. Сложность технологии

0,15

3

3

3

2. Исследование алюминия

0,35

5

5

4

4. Энергосбережение

0,25

5

5

5

5. Материалоемкость

0,25

5

2

2

ИТОГО

1

Iтп = 3 · 0,15 + 5 · 0,35 + 5 · 0,25 + 5·0,25 = 4,7

Аналог 1 = 3 · 0,15 + 5 · 0,35 +5 · 0,25 + 2 · 0,25 = 3,95

Аналог 2 = 3 · 0,15 + 4 · 0,35 + 5 · 0,25 + 2 · 0,25 = 3,6

В целом, данный проект является перспективным с точки зрения ресурсопотребления, так как в отличии от аналогов в проекте предусмотрены меньшие затраты на себестоимость будущей продукции за счет использования местных недорогих сырьевых материалов и возможное достижение требуемых исследований образцов на циклическую деформацию.

Социальная ответственность

Введение

Целью данной части магистерской диссертации является обеспечение безопасности жизнедеятельности при выполнении экспериментальной части научно-исследовательской работы, а также и на производстве, заключающееся в создании безопасных, безвредных, благоприятных и комфортных условий труда. В ней представлены: анализ опасных и вредных производственных факторов, которые проявляются при проведении дипломной работы; оценка планировки, устройства и оборудования научно-исследовательской лаборатории; разработка и расчет наиболее эффективных средств защиты от опасных и вредных факторов.

  1.  Анализ вредных факторов

1.1. Шум на рабочем месте

В результате гигиенических исследований установлено, что шум и вибрация ухудшают условия труда, оказывая вредное воздействие на организм человека.  При длительном воздействии шума на организм человека происходят не желательные явления:

снижается острота зрения, слуха;

повышается кровяное давление;

снижается внимание.

Сильно продолжительный шум может быть причиной функциональных изменений сердечно сосудистой и нервной систем. Измерение шума проводят с целью оценки его на рабочих местах или рабочих зонах для сопоставления с требованиями санитарных норм, а также для оценки шумовых характеристик машин и оборудования, с целью разработки мероприятий по борьбе с шумом.          Для оценки шума используют частотный спектр измеренного уровня звукового давления, выраженного в децибелах в активных полосах частот, который сравнивают с предельным спектром.

При работе в данной лаборатории шум возникает при воздействии внешних факторов – пресс.

Уровни  шума в помещениях не должны превышать значений установленных СН 2.2.4/2.1.8.562-92 , замер шума проводится не реже двух раз в год.

Общие требования безопасности для некоторых мест приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Допустимые уровни звукового давления и эквивалентного уровня звука. [8]

Рабочие места

Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц

Уровни звука и эквивалентные уровни звука, дБА

31,5

63

125

250

500

1000

2000

4000

8000

Помещения лабораторий для проведения экспериментов

103

91

83

77

73

70

68

66

64

75

Шумовая нагрузка пресса, не более, 75дБ

Согласно ГОСТ 12.1.003-83 уровень шума в помещениях лабораторий для проведения экспериментов должен составлять 75 дБА.

Снижение шума, создаваемого на рабочем месте прессом, а также шума, проникающего извне, осуществляется следующими методами: рациональная  планировка помещения и уменьшением шума по пути его распространения, акустическая обработка помещения, при повышении шума выше допустимых норм работникам следует надевать шлемофоны. Общие требования безопасности шума предусматриваются ГОСТ 12.1.003-83 [8].

1.2.Микроклимат

Большое значение для охраны здоровья и труда человека имеет качество воздуха в производственных помещениях, в частности в рабочих зонах. Рабочей зоной называется пространство, высотой до 2-х метров над уровнем пола или площадки, на которых находятся места постоянного или временного пребывания работающих (более 2-х часов непрерывно).

Согласно ГОСТ 12.1.005 - 88 (1999, с изм. 1 2000) «ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху санитарной зоны»[1], устанавливают оптимальные и допустимые метеорологические условия для рабочей зоны помещения, нормируемые следующими параметрами: температура, оптимальная влажность, скорость движения воздушного потока.

Очистка от вредных примесей в воздухе, осуществляется с помощью фильтров, установленных в вентиляции.

Значения перечисленных параметров непосредственно на рабочем месте приведены в таблице 2.

Температура в рабочей зоне поддерживается отоплением  в холодный период года и вентиляцией в теплый период.

Таблица 2 – Метеорологические условия для рабочей зоны на участке лаборатории электрохимической обработки.

Период года

Катего-рия работ

Температура воздуха, оС

Температура поверхнос-тей, tоС

Относитель-ная влаж-ность возду-ха, φ%

Скорость движе-ния воздуха, м/с

Диапазон ниже опти-мальных ве-личин tоопт

Диапазон выше опти-мальных ве-личин tоопт

Если tо< tоопт

Если tо> tоопт

"**"

Холодный

Iб

19,0 - 20,9

 

23,1 - 24,0

 

18,0 - 25,0

 

15 – 75

0,1

0,2

Теплый

Iб

20,0 - 21,9

24,1 - 28,0

19,0 - 29,0

15 – 75

0,1

0,3

1.3.Освещение

Правильно спроектированное и выполненное освещение в лабораториях, обеспечивает возможность нормальной производственной деятельности.

При выборе расположения светильников необходимо руководствоваться двумя критериями:

• Обеспечение высокого качества освещения, ограничение ослеплённости и необходимой направленности света на рабочие места.

• Наиболее экономичное создание нормированной освещенности.

На первом этапе проводится размещение осветительных приборов.

При выборе расположения светильников необходимо руководствоваться двумя критериями:

  1.  обеспечение высокого качества освещения, ограничение ослепленности и необходимой направленности света на рабочее место;
  2.  наиболее экономичное создание нормированной освещенности.

Для равномерного общего освещения светильники расположим параллельно стенам (для люминесцентных ламп).

В зависимости от типа светильников существует наивыгоднейшее относительное расстояние между светильниками, определяемое по формуле:

λ = L/h

где L – расстояние между светильниками, м

H = 3м – высота помещения.

hc = 0,2 м

hn = 3 – 0,2 = 2,8 м

hp.n. = 1,1 м

h = 2,8 – 1,1 = 1,7 м  

h – высота подвеса светильника над рабочей поверхностью, м.

Находим λ = 1,3

Отсюда следует, что L = λ /h = 1,3∙1,7 = 2,2 м => L = 2 м.

Расстояние от стен помещения до крайних светильников 1/3 L.

Выбираем светильник: ШОД – 2 – 40 1228 x 284 мм.

Изобразим в соответствии с исходными данными план помещения, укажем на нем расположение светильников и определим их число (рисунок 1).

Произведем расчет светильной установки методом коэффициента использования. Этот метод является наиболее точным и распространенным методом расчета. Применяя этот метод, можно определить световой поток ламп, необходимый для создания заданной освещенности горизонтальной поверхности с учетом света, отраженного стенами и потолком или, наоборот, найти освещенность при заданном потоке.

По ширине: 2 светильника.

По длине: 4 светильника.

Итого: 8 светильников => 16 лампы.

Рисунок 1– Схема расположения светильников

Величина светового потока лампы определяется по формуле:

                                           

где F – световой поток одной лампы, лм;

Е – минимальная освещенность, лк, Е = 400 лк; [5]

S – площадь помещения, м2, S = 24 м2;

z – поправочный коэффициент, z = 1,1;

k – коэффициент запаса, k = 2,0;

η – коэффициент использования светового потока, %;

n – число ламп, 16 шт.

Коэффициент использования светового потока – это отношение полезного светового потока, достигающего освещенной поверхности, к полезному световому потоку в помещении. Для определения коэффициента η необходимо знать индекс помещения i, значение коэффициентов отражения стен , тип светильника.

Индекс помещения определяется по формуле:

I = S/h ∙ (A+B),                                               

где  S – площадь помещения, м2

h – высота подвеса светильников над рабочей поверхностью, м2

A, B – длина, ширина помещения, м.

I = 24/1,7∙(6+4) =1,4

Коэффициенты отражения стен и потолка  и  оцениваются субъективно и определяются по таблице для свежепобеленного потолка и со свежепобеленными окнами без штор: = 50 % и = 70 %.

Находим коэффициент использования светового потока светильников с люминесцентными лампами:  η = 45 %.

Теперь определим F:

ШОД – 2 – 40.

Fрасч. =

Выбираем лампу ЛД:

Fстан. = 2300 лм

– 10 % ≤  ≤ + 20 %

– 10 % 14,9 % ≤ + 20 %

Мощность осветительной установки:

Росв. = 16 ∙ 40 = 640 Вт.

2. Анализ опасных факторов

2.1. Электрическая безопасность

Одной из особенностей поражения электрическим током является отсутствие внешних признаков грозящей опасности, которые человек мог бы заблаговременно обнаружить с помощью органов чувств.

Ток приводит к серьезным повреждениям центральной нервной системы и таких жизненно важных органов как сердце и легкие. Поэтому второй особенностью воздействия тока на человека является тяжесть поражения.

Третья особенность поражения человека электрическим током заключается в том, что токи промышленной частоты силой в 10-15 мА способны вызвать резкую интенсивные судороги мышц.

Окружающая среда (влажность и температура воздуха, наличие заземленных металлических конструкций и полов, токопроводящей пыли и др.) оказывает дополнительное влияние на условия электробезопасности. Степень поражения электрическим током во многом зависит от плотности и площади контакта человека с токоведущими частями.

По условиям электробезопасности установки, используемые при выполнении магистерской диссертации, относятся к категории установок, работающих с напряжением до 1000 В. Устройства относятся к 1 классу, так как имеет рабочую изоляцию и место для заземления. В системе, в соответствии с ГОСТ 12.1 009-76, применяется рабочая изоляция.[2]

Безопасность эксплуатации при нормальном режиме работы установок обеспечивается следующими защитными мерами:

1. применение изоляции;

2. недоступность токоведущих частей;

3. применение малых напряжений;

4. изоляция электрических частей от земли.

Зануление электрооборудования произведено медным проводом сечением 1,5 мм, покрытым изоляционным слоем лака для защиты от окисления.

Согласно ГОСТ 12.1.038-82 предельно допустимые уровни напряжения прикосновения и токов, воздействию которых человек может подвергаться в процессе работы с электрооборудованием, составляют для установок в нормативном режиме: для постоянного тока - не более 0,8 В и 1 мА соответственно, для переменного тока (частота 50 Гц) - не более 2,0 В и 0,3 мА соответственно [3].

2.2.Пожаробезопасность

Здание по [Технический регламент о требованиях пожарной безопасности] относится к первой степени огнестойкости. Корпус здания железобетонный, внутренние перегородки выполнены из кирпича. В лабораторном помещении имеются горючие материалы (оконные рамы,  мебель, покрытие пола,  бумага и прочее). Категория лабораторного помещения по пожаро-взрывоопасности определяется как «В». К этой категории относятся пожароопасные помещения, характеризующиеся наличием горючих материалов и веществ, которые могут гореть при взаимодействии с кислородом воздуха, с водой или друг с другом. В комплекс противопожарных мероприятий входит предупреждение возникновения пожара, создание условий эвакуации, обеспечение условий быстрой локализации и тушения пожара.

Основной причиной возгорания в лаборатории может явиться неисправность электрооборудования. В соответствии с требованиями  противопожарной безопасности в помещении установлены огнетушители марки ОУ-2, резервуары с песком и противопожарная сигнализация.

Лица, не прошедшие противопожарный инструктаж к работе не допускаются. Каждый работающий на объединении, не зависимо, от занимаемой должности должен знать и строго соблюдать установленные правила пожарной безопасности не допускать действий, могущих привести к пожару или загоранию.

Лица, виновные в нарушении настоящих правил, в зависимости от характера нарушений и их последствий, несут ответственность в установленном законом порядке - в дисциплинарном, административном или судебном порядке.

Проходы, тамбуры, выхода, коридоры, лестничные клетки не разрешается загромождать. Все выхода должны открываться по направлению из здания, помещения. Хранение в цехах сырья, полуфабрикатов, горючих жидкостей разрешается только не более суточной, сменной потребности. Использовать горючесмазочную жидкость и легковоспламеняющаяся жидкость для мойки деталей и узлов запрещается. Для использованных обтирочных материалов должны быть установлены металлические ящики с крышкой. По окончании смены они должны очищаться. Спец. одежду следует хранить в специальных кабинках, изолированных от складских помещений и производственных помещений. В карманах не должны храниться промасленная ветошь. Специальная одежда должна своевременно стираться.

На территории объединения и в помещениях запрещается:

  •  загромождать различными предметами и оборудованием, готовой продукцией и заготовками проходы, выхода, коридоры, лестничные проемы и подходы;
  •  хранить специальную одежду и другие сгораемые материалы на радиаторах, вешать на производственное оборудование, электроприборы;
  •  Курить, пользоваться открытым огнем, не предусмотренным спец. технологией разводить костры;
  •  производить уборку помещений, оборудования с применением ЛВЖ и ГЖ;
  •  скапливать на рабочем месте мусор, промасленную ветошь;
  •  использовать не по назначению противопожарный инвентарь;
  •  загромождать различными предметами проходы, выхода;
  •  самовольно подключать в электросеть электронагревательные приборы, пользоваться неисправными, кустарного производства электроприборами;
  •  при работе с огнеопасными жидкостями использовать инструмент могущий вызвать искрообразование;
  •  соприкосновение промасленной одежды, масел и др. жиров с арматурой кислородных баллонов.

Каждый работающий в лаборатории должен знать:

  •  при обнаружении пожара или загорания вызвать пожарную помощь по тел.: 01 и принять меры по ликвидации очага пожара или действовать по указанию старшего начальника или начальника ДПД.
  •  знать пути эвакуации из помещения;
  •  знать и уметь пользоваться первичными средствами пожаротушения.
  •  

       Рисунок 2. План эвакуации

3.Охрана окружающей среды

Защита окружающей среды – это комплексная проблема, требующая усилия    учёных многих специальностей. Наиболее активной формой защиты окружающей среды от вредного воздействия выбросов промышленных предприятий, является полный переход к безотходным и малоотходным технологиям и производствам. Это требует решения целого комплекса сложных технологических и конструктивных задач, основанных на исследовании новейших научно–технологических достижений.

Важными направлениями следует считать совершенствование технологических процессов и разработку нового оборудования с меньшим уровнем выбросов в окружающую среду, замену и по возможности широкое применение дополнительных методов и средств защиты окружающей среды.

В качестве дополнительных средств защиты применяют аппараты и системы для очистки газовых выбросов, сточных вод от примесей, глушителей шума, виброизоляторы технологического оборудования. Важную роль в защите окружающей среды отводится мероприятиям по рациональному размещению источников загрязнения: оптимальное расположение промышленных предприятий с учетом местности; установление санитарно-защитных норм вокруг промышленных предприятий.

В лаборатории в процессе работы образуются такие вещества как пыль, и аэрозоли. Для их удаления применяют вытяжную вентиляцию, для снижения выбросов этих веществ в атмосферу применяют фильтры.

Вследствие использования работниками душевых и туалетов образуются жидкие отходы для удаления, которых применяют канализационную систему.

Также из-за использования обтирочных материалов образуются твердые отходы, для которых предусмотрены места хранения, и в конце смены они очищаются. При удалении отходов с территории предприятия им присваиваются категории опасности и вывозятся на соответствующие полигоны (промышленных отходов, токсичных отходов и т.д.).

Неуклонный рост поступлений токсичных веществ в окружающую среду, прежде всего, отражается на здоровье населения, ухудшает качество продукции сельского хозяйства, снижает урожайность, преждевременно ухудшает жилища, металлоконструкции промышленных и гражданских сооружений, оказывает влияние на климат отдельных регионов и состояния озонового слоя Земли, приводит к гибели флоры и фауны.

С целью охраны окружающей среды от загрязнений предусматривается   внедрение:

  •  системы оборотного водоснабжения;
  •  системы очистки дождевой канализации;
  •  пыле и газоулавливания.

4. Защита в чрезвычайных ситуациях

Чрезвычайная ситуация – это совокупность обстоятельств, возникающих в результате стихийных бедствий, аварий, катастроф, факторов военного, политического и социального характера, которые заключаются в отклонении от норм протекания явлений или процессов, оказывающие при этом отрицательное воздействие на жизнедеятельность человека, социальную или природную среду.

Чрезвычайные ситуации возникают:

– в результате стихийных бедствий и особо опасных факторов;

– при воздействии технологических процессов промышленного производства на материалы сооружений;

– при проектно-производственных дефектах сооружения.

Помещение лаборатории находится в восьмом учебном корпусе ТПУ. Здание корпуса находится в черте города Томска. Стены здания сложены из керамического кирпича и обладают большой прочностью. Здание устойчиво к воздействию природных опасностей – ураганов, наводнений и способно обеспечить защиту находящихся в нем людей от природных опасностей. Во избежание затопления подвальных помещений талыми водами своевременно производится отчистка прилегающей территории от снега. В здании предусмотрено несколько аварийных выходов.

В лаборатории кафедры «ММС» наиболее вероятно возникновение чрезвычайных ситуаций (ЧС) техногенного характера.

На случай возникновения чрезвычайной ситуации (землетрясение, наводнение, пожары, химическое либо радиоактивное заражение и т.п.) должен быть предусмотрен следующий комплекс мероприятий:

- рассредоточение и эвакуация;

- укрытие людей в защитных сооружениях;

- обеспечение индивидуальными средствами защиты;

- организация медицинской помощи пострадавшим.

В чрезвычайной обстановке особенно важное значение имеют сроки эвакуации людей за пределы зон возможного поражения или разрушений. В наиболее короткие сроки эвакуацию можно провести комбинированным способом, который заключается в том, что при его применении массовый вывод населения пешим порядком сочетается с вывозом некоторых категорий населения (пенсионеры, инвалиды, больные и т.д.) всеми видами имеющегося транспорта. 

Рассредоточение и эвакуация населения комбинированным способом осуществляется по территориально-производственному принципу. Это значит, что вывод населения организуется через предприятия, учреждения, учебные заведения и домоуправление по месту жительства.

Ведение спасательных работ в районах производственных аварий существенно различаются в зависимости от размеров и опасности аварий и катастроф. Однако, ряд требований к организации спасательных работ является общим.

Работы надо начинать немедленно, чтобы не дать возможности аварии разрастись до катастрофических размеров. Очень важно обеспечить общественный порядок, что даст возможность свободному прибытию формирований гражданской обороны (ГО) к месту аварий. Формирования охраны общественного порядка должны приступить к работе в первую очередь.

Очень важны действия аварийно-технических формирований, которые немедленно должны отключить еще не поврежденные энергетические и коммунально-технические сети для локализации аварии.

Спасательные формирования ГО должны как можно быстрее приступить к работам по спасению людей, действуя совместно с формированиями ГО медицинской службы.

При недостатке сил своего объекта для спасательных работ распоряжением старшего начальника могут привлекаться территориальные формирования ГО и другие силы. Чем организованней, быстрее сработают все подразделения различных служб, тем меньше материального ущерба и человеческих жизней унесет авария. [6].

Неотъемлемой частью комплекса защитных мероприятий на рабочем месте является мероприятия, направленные на обеспечение противопожарной безопасности. Используемый технологический процесс в условиях лаборатории кафедры «ММС» согласно СНиП 11-2-80 относится к категории Д, так как использует негорючие вещества в холодном состоянии. В данном случае источником возгорания может оказаться неисправность и неправильная эксплуатация электроустановок.

Помещение лаборатории по степени пожарной опасности (ППБ-03) относится к категории Д (производства связанные с обработкой несгораемых веществ и материалов в холодном состоянии) [4]. Взрывопожароопасность лаборатории по ПЭУ  относится к категории помещения без повышенной опасности [10].

Предусмотренные средства пожаротушения (согласно требованиям противопожарной безопасности СНиП 2.01.02-85): огнетушитель ручной углекислотный ОУ-5, пожарный кран с рукавом и ящик с песком (в коридоре). Кроме того, каждое помещение оборудовано системой противопожарной сигнализации.

Основными мероприятиями, обеспечивающими успешную эвакуацию людей и имущества из горящего здания, являются:

составление планов эвакуации;

назначение лица, ответственного за эвакуацию, которое должно следить за исправностью дверных проемов, окон, проходов и лестниц;

ознакомление работающих в лаборатории сотрудников с планом эвакуации, который должен висеть на видном месте [6].

5. Организационные мероприятия

Рабочая зона – пространство высотой до 2 м от уровня пола или площадки, на котором находятся места постоянного или временного пребывания работников.

Находясь на своем рабочем месте, т.е. в производственной среде, человек может подвергаться действию целого ряда опасных и (или) вредных производственных факторов, от действия которых он должен быть максимально защищен. В соответствии с ГОСТ 12.2.061-81 «Оборудование производственное.

Одним из факторов комфортности рабочей среды является организация рабочего места. Рабочее место должно соответствовать требованиям ГОСТ 12.2.032-78.[7]

Среди технических требований к рабочему месту инженера - исследователя особенно важным является требование к освещенности, которая значительно влияет на эффектность трудового процесса. Поэтому необходимо обеспечить оптимальное сочетание общего и местного освещения. Естественное освещение должно удовлетворять СНиП 23-05-95.

В соответствии с характером выполняемых работ, освещенность рабочего места СНиП 23-05-95 должна быть 200 лк – общая освещенность и 300 лк – комбинированное освещение.

Серьезное влияние на работоспособность инженера-исследователя оказывает шум в рабочем помещении, источниками которого могут быть вентиляторы охлаждения приборов, двигатели вытяжной вентиляции и т. п. В соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.003-83 для удовлетворительной работы допускается уровень звукового давления <99 дБ (для частоты 63Гц) и <74 дБ (для 8 кГц).

В соответствии с СН-245-71 в помещении должен быть организован воздухообмен. Это осуществляется с помощью вентиляции.

С точки зрения электробезопасности (ГОСТ 12.1.030-81), оборудование, запитываемое напряжением выше 42В, должно быть заземлено или занулено. Кроме того, обязательно должна быть предусмотрена возможность быстрого отключения напряжения с распределительного щита [3].

Заключение

Важной особенностью настоящих экспериментов является использование в качестве вида нагружения знакопеременного изгиба, обеспечивающего преимущественную пластическую деформацию только поверхностных слоев образца.

Полученные закономерности свидетельствуют о необходимости рассматривать деформируемое твердое тело при знакопеременном изгибе как многоуровневую систему, в которой условие совместности деформации пластически деформируемого поверхностного слоя и упруго нагруженной подложки играет важную роль в зарождении и развитии усталостного разрушения материала.

Методом измерения микротвердости проведено определение стадийности развития процесса усталости и выполнены исследования характера формирования мезосубструктуры на разных этапах усталости высокочистого и технического алюминия. Показано, что зависимость микротвердости от числа циклов нагружения состоит из трех (четырех) стадий, отличающихся друг от друга скоростью и знаком изменения величины микротвердости. Качественно кривые усталости для высокочистого и технического алюминия подобны, но протяженность их отдельных стадий и соответствующие механизмы деформации существенно различаются.

На I стадии усталости для технического и чистого алюминия величина микротвердости резко повышается по мере нагружения, картина деформации представлена отдельными тонкими линиями скольжения в небольшом количестве зерен.

II стадия усталости характеризуется резким снижением скорости роста микротвердости. На этой стадии механизмы деформации для чистого и техничесого алюминия различны. В чистом алюминии развиваются в большом количестве различные приграничные эффекты: зернограничное проскальзывание и миграция границ зерен. Эти механизмы легко проходят, так как границы зерен  свободны от естественных примесей. В техническом алюминии границы зерен заблокированы примесями и описанные механизмы не наблюдаются. В алюминии А7 в благоприятно ориентированных зернах накапливаются полосы скольжения, которые по мере возрастания числа циклов нагружения группируются в пары, тройки зерен с самосогласованной деформацией.

На III стадии усталости, составляющей по протяженности основную его часть, происходит снижение микротвердости. Фрагментация наблюдается в обоих случаях, но в чистом алюминии она более мелкая. Новым качеством в характере мезоструктуры на этой стадии является формирование конгломератов самосогласованно деформирующихся зерен, имеющих вид петель с центрами из недеформированных зерен в техническом алюминии.

IV стадия усталости алюминия связана с развитием серии усталостных трещин и формированием магистральной трещины.

Усталостная долговечность алюминия особой чистоты значительно меньше (N=1,3·105ц.), чем технического алюминия (N = 5,6·105 ц.). В алюминии особой чистоты разрушение имеет исключительно интеркристаллитный характер: все усталостные трещины зарождаются и распространяются по границам. Этот факт свидетельствует о том, что прочность границ зерен меньше прочности объема зерен.

Усталостное разрушение технического алюминия при знакопеременном изгибе носит смешанный характер: на одних участках своего пути трещина распространяется исключительно по границе зерен или их конгломератов, на других по телу зерна вдоль направления одиночного скольжения. Этот экспериментальный факт свидетельствует о том, что в данных условиях нагружения в алюминии А7 значение прочности объемов и границ зерен соизмеримы.

Список литературы

  1.  Шанявский А.А. Безопасное усталостное разрушение элементов авиаконструкций: синергетика в инженерных приложениях. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2003. – 802 с.
  2.  Терентьев В.Ф. Усталость металлических материалов. – М.: Наука. – 2003. – 253с.
  3.  .Иванова В.С., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. – М.: Металлургия, 1975.-454с.
  4.  Одинг И.А. Прочность металлов. - Л., М.: Главная редакция машиностроительной и автотракгорной литературы - 1937.-565с.
  5.  Терентьев В.Ф., Махутов Н.А., Пойда В.Г., Щербак А.М. Влияние поверхностных слоев и старения на эффект Баушингера при малоцикловом нагружении // Усталость металлов и сплавов. – М.: Наука. – 1971. – С. 41-48.
  6.  Одинг И.А., Гордиенко Л.К., Фридман З.Г. Сб.: Исследование сплавов железа // Изв. АН СССР ОТН. Металлургия и топливо.-1964.-№1.-С. 11-13.
  7.  Горицкий В.М., Терентьев В.Ф. Структура и усталостное разрушение металлов. - М.: Металлургия. - 1980. - 207с.
  8.  Терентьев В.Ф. Модель физического предела усталости металлов и сплавов // ДАН СССР. – 1969. – Т. 185. - №2. – С. 324-326.
  9.  Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. – М.: Мир. – 1972. – 408с.
  10.   http://metallicheckiy-portal.ru/marki_metallov/alu/A999 (25.09.2014)
  11.  http://nfmetall.ru/articles/40.html (25.09.2014)
  12.   Сопротивление материалов / Александрова А. В., Потапова В. Д., Державин Б. П. – М.: Высшая школа. – 2000. – 560 с.
  13.   Свойства элементов. В двух частях. Ч. I. Физические свойства. Справочник. 2 – е. издание М.: Металлургия, 1976 - 600с.
  14.  Панин В.Е., Панин С.В., Мамаев А.И. Деформационные домены на мезоуровне в деформируемом твердом теле // ДАН. – 1996. – Т.350. - №1. –С. 35-38. 

Список литературы

 

  1.  ГОСТ 12.1.005 - 88 (1999, с изм. 1 2000) «ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху санитарной зоны»
  2.  ГОСТ 12.1 009-76 «Международный стандарт. Система стандартов безопасности труда»
  3.  ГОСТ 12.1.038-82. ССБТ. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов
  4.  Правила эксплуатации электроустановок. – СПб.: ДЕАН,1999. – 320 с.
  5.  СНиП 2.01.02-85. Противопожарные нормы
  6.  Лабораторный практикум по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности». Ю.А. Амелькович, Ю.В. Анищенко, М.В. Гуляев и др. // Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2010. – 236 с.
  7.  12. СН 245-71. Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий (взамен СН 245-63, СН 106-60 и СН 172-61).- М.: ИПК Издательство стандартов, 1972. - 52с.
  8.  СН 2.2.4/2.1.8.562 – 96. Шум на рабочих местах, в помещениях   жилых, общественных зданий и на территории застройки

PAGE   \* MERGEFORMAT 1

Этот раздел перенесите в экспериментальную частьЭто же не все первая стадия, разбейте на разные рисунки или напишите правильно подпись
R3,5

8

  37

   74

  16

Рисунок 10 – Исследуемый образец

Ме

h1

h2

Рисунок 11 – Схема профиля поверхности медного А. с жидкой, вязкой пленкой, образующейся при электрополированиии в растворе H3PO4

ж. пленка

h1

h2

а)

б)

Рисунок 16 – Балка с защемленным концом [148]

А

А

А

А

А

А

А

А

А

А

А

А

А

А

А

а

б

Рисунок 17 – Исходная структура алюминия А999 после травления

(разные места), N=0 ц., ×200, DIC.

Время, ч.ц.н.

Рисунок 18 – А999: Зависимость микротвердости (H) от времени нагружения

а

б

Рисунок 19 – А999. I стадия. Тонкие линии скольжения, ×200. а) N=2·103ц., DIC; б) N = 3,2·103ц.

в

а

б

Рисунок 20 – А999. II стадия: а, б) деформационный клеточный профиль, DIC, N = 6 · 103ц., ×300; в, г) вторичное скольжение, ×200: в) N = 8,6 · 103ц.; г) N = 9,8 · 103ц.

г

а

б

Рисунок 21 – Алюминий А999. II стадия усталости, зернограничные процессы, DIC: а, б) зернограничное проскальзывание: ×150: а) N = 6·103ц., б) N = 6,2·103ц

а

б

а

б

Рисунок 23 – Алюминий А999. III стадия усталости, фрагментация, ×350: а) N = 71·104ц., б) N = 81,3·104ц.

исунок 24 –Усталостная трещина в алюминии особой чистоты, ×50, N=1,3·105ц.

Рисунок 26 – Алюминий А7. Зависимость микротвердости (H) от времени нагружения (N)

Время, ч.ц.н.

Рисунок 27 – Зеренная структура алюминия в исходном состоянии:

а) ×50, б) ×350, DIC

а

б

б

а

Рисунок 29 – Технический алюминий на II стадии усталости, DIC: деформационные конгломераты – петли – а) N=20 · 104 ц., ×350, б) N=25 · 104 ц., ×200; фрагментация – в,г) N=35 · 104 ц., ×200

 

 

 

б

а

г

в

А

В

б

в

А

В

С

а

Рисунок 30 – Технический алюминий А7. а-в) Вершина усталостной трещины: а, б) N= 5,3 · 106 ц., ×400 (а), б) увеличенная ветвь АВ трещины АВС (а), ×900; в) N= 3,2 · 106 ц., ×500; г) блочный мезообъем в зоне перемычки (ступеньки), N= 3,2 · 106 ц., ×800 (РЭМ)

г

Образец А999 и А7

1.Управление проектом

2.Требование к образцу

3.Разработка технологии получения

4.Определение свойств образцов

1.1 Постановка задачи (выбор объекта исследования)

2.1 Разработка и утверждение ТЗ

3.1 Изготовление материалов- штамповка

4.1 Обработка полученных экспериментальных данных

1.2 Анализ условий проведения работ (цель, назначение, область использования, изучение литературы)

2.2 Проведение консультации с научным руководителем о проведении эксперимента

3.2 Электрохимичес-кая полировка образцов

4.2 Составление отчетной документации, исследуемых материалов проекта

1.3 Анализ технических требований технологии (материалы, оборудование)

3.3 Структурные исследования, исследование микротвердости поверхностного слоя образца

4.3 Сдача проекта

Критерии


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

78418. Строение вспомогательных электрических машин 324.26 KB
  Стартергенератор ПСГУ2 2ТЭ четырехполюсных электрическая машина постоянного тока которая предназначена для работы в двух режимах: стартерные как электродвигатель последовательно возбуждения с питанием от аккумуляторной батареи при пуске дизеля и в генераторном как вспомогательный генератор с независимым возбуждением осуществляет питание электрических цепей управления и электродвигателей постоянного тока собственных нужд освещение и заряда аккумуляторной батареи тепловоза при напряжении 110 3 В. Этим достигается увеличение маховой...
78419. Способы управления электроприводами. Схемы ручного управления электроприводами. Контакторные, контроллерные и командно-контроллерные схемы управления 927.72 KB
  Контроллерные системы управления применяют преимущественно в ЭП мощностью до 20 кВт (в отдельных случаях и большей мощности). Управление ЭП при данной системе осуществляется силовым кулачковым контроллером серии КВ, контакты которого включены в силовую цепь ЭД
78420. Элементы и схемы автоматизированных систем управления судовыми электроприводами 317.94 KB
  Системы релейно-контакторного управления состоят из двигателя постоянного или переменного тока магнитного пускателя или контроллера командоконтроллера и ящиков сопротивлений в схемах на постоянном токе. Систему генератор двигатель Г Д применяют в электродвигателях большой и средней мощности с плавным регулированием скорости в широких пределах. Систему частотного регулирования асинхронного двигателя с использованием машинного преобразователя частоты система Д СГ АД применяют в многодвига тельных приводах с одинаковым режимом работы...
78421. Электроприводы по системе генератор – двигатель 192.88 KB
  Здесь ДПТ двигатель переменного тока обычно асинхронный; Г генератор постоянного тока независимого возбуждения получающий ток возбуждения от небольшого генератора с параллельным возбуждением В; Д регулируемый двигатель и РМ рабочий механизм например рулевая машина. Регулирование скорости вращения двигателя получается достаточно экономичным так как здесь изменение напряжения U на зажимах двигателя достигается путем изменения относительно небольшого тока в обмотке возбуждения генератора. В этом случае изменяют направление тока в...
78422. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В СУДОВОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ 179.22 KB
  Преобразователи для управления приводом постоянного или переменного тока. Принципы построения схем преобразователей для управления приводом постоянного тока Тиристорный привод постоянного тока применяется прежде всего для замены системы генератор двигатель. В реверсивных выпрямителях схемы усложняются в зависимости от способа изменения направления вращения: изменением направления тока возбуждения без изменения направления тока в цепи якоря электродвигателя; изменением направления тока в цепи якоря с помощью двух вентильных групп...
78423. Защита судовых электроприводов. Требования , предъявляемые к защитным устройствам. Виды защиты систем управления ЭП 110.76 KB
  Например в рулевых электроприводах применяется защита от токов короткого замыкания при перегрузке включается сигнализация при снижении напряжения срабатывает не нулевая а минимальная защита обеспечивающая автоматическое повторное включение электропривода после восстановления напряжения более подробно см. При подаче напряжения на выводы А и В начинает протекать ток через параллельную обмотку возбуждения L. Защиты по снижению напряжения Причины и последствия снижения напряжения...
78426. ГЭУ двойного рода тока 40.27 KB
  Основные сведения Гребными установками двойного рода тока называются такие установки в которых в качестве источников электроэнергии используются синхронные генераторы переменного тока а в качестве гребных электродвигателей – электродвигатели постоянного тока. Появление мощных на сотни кВт выпрямителей позволило объединить высокие маневренные качества ГЭУ постоянного тока с достоинствами ГЭУ переменного тока возможность применения высокооборотных первичных двигателей малые массогабаритные показатели.