НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут проблем міцності

Новогрудський Леонід Самуїлович

УДК 539.37: 620.172.251.1

ГРАНИЧНИЙ СТАН КОНСТРУКЦІЙНИХ СПЛАВІВ

ДЛЯ НАДПРОВІДНИХ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ СИСТЕМ

05.02.09 – динаміка та міцність машин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана а Інституті проблем міцності Національної академії наук України.

Науковий консультант - | доктор технічних наук, професор

Стрижало Володимир Олександрович

Інститут проблем міцності НАН України,

зав. відділу

Офіційні опоненти:

член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор

Красовський Арнольд Янович, Інститут проблем міцності НАН України, зав. відділу

член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук

Іщенко Анатолій Якович, Інститут електрозварювання НАН України ім Є.О.Патона, зав. відділу

доктор технічних наук, професор

Ясній Петро Володимирович, Тернопільський державний технічний університет

ім. І.Пулюя Міністерства освіти і науки України, проректор з наукової роботи

Провідна установа –

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”

Міністерства освіти і науки України, м.Київ

Захист відбудеться 15.11.2001 р. о 9-30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.241.04 при Інституті проблем міцності НАН України

за адресою: 01014, м.Київ, вул Тімірязєвська, 2.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту проблем міцності НАН України (01014, м.Київ, вул. Тімірязєвська, 2)

Автореферат розісланий 14.10.2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 26.241.01

доктор технічних наук, професор Карпінос Б.С.

1

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Застосування надпровідності на практиці є одним з найбільш перспективних напрямів вирішення завдань сучасної енергетики. Створення енергетичного обладнання з надпровідними електромагнітними системами (НЕМС) буде визначати в найближчі роки розвиток світової енергетики (термоядерні реактори, стелларатори, кріотурбогенератори та інші) і прогрес досліджень в галузі фізики високих енергій (прискорювачі елементарних часток, спектрометри). Умови експлуатації високонапружених елементів конструкції таких систем характеризуються особливою екстремальністю, а саме: високим рівнем механічних напружень, кріогенними температурами, дією імпульсів електричного струму значної густини та магнітних полів високої напруженості.

Теоретичні та експериментальні дослідження, що виконані в останні десятиріччя в галузі фізики твердого тіла, дозволили виявити суттєвий вплив електромагнітної дії на поведінку дислокаційних ансамблів навантажених металів і, як наслідок цього, зміни їх опору деформуванню, що особливо значне за температур, близьких до абсолютного нуля. Фізична основа цього явища ще однозначно не визначена, але умови роботи конструкційних сплавів в тримальних елементах НЕМС такі, що нехтування цим впливом на етапі розробки може призвести в подальшому до суттєвого зниження надійності систем та безпеки їх експлуатації. Проблемність урахування впливу електромагнітної дії на механічний стан конструкційних елементів НЕМС на часі пов’язана з відсутністю науково обгрунтованих критеріїв граничного стану металевих матеріалів при дії, зокрема, імпульсів електричного струму (ІЕС), надійних методів його визначення за кріогенних температур та методів вибору допустимих напружень, які враховували б альтернативний вплив на міцність металів кріогенної температури та ІЕС. Створення ґрунтовної методології оцінення граничного стану конструкційних сплавів при дії ІЕС і кріогенних температур також неможливе без вивчення закономірностей впливу такої дії на їх опір деформуванню та руйнуванню, характеристики міцності, пластичності і тріщиностійкості за умов лінійного, складного та неоднорідного напружених станів.

Розв’язання таких проблем дозволить на інженерному рівні при розрахунках на міцність конструктивних елементів НЕМС враховувати вплив ІЕС на граничний стан металевих матеріалів, забезпечуючи тим самим підвищення надійності та безпечну експлуатацію відповідальних вузлів енергетичного обладнання, що і визначає актуальність цієї роботи.

Зв’язок з науковими програмами, планами, темами. Робота була виконана в Інституті проблем міцності НАН України, відповідає напрямку його діяльності “Граничний стан і критерії міцності в екстремальних умовах”, в межах державних програм “Наукоємні технології” (проект

2

5.042.04/92 – 1992-1993 р.р.– автор та відповідальний виконавець), “Нові матеріали” (проект 7.2.5/079-92 –1992-1995 р.р. – автор та відповідальний виконавець), програм Державного фонду фундаментальних досліджень “Розробка моделей деформування і руйнування металів в умовах їх нестабільної течії при глибокому охолодженні” (реєстраційний № 1.04/0241 – 1997-1999 р.р. – автор та відповідальний виконавець) та Міжнародного наукового фонду і Уряду України: проекти UBW000 і UBW200 “Investigations into peculiarities of elastic-plastic deformation of structural materials taking into account the influence of the stress state type under the action of electric pulses and cryogenic temperatures” (1994-1995 р.р. – автор та відповідальний виконавець) і безпосередньо пов’язана з виконанням відомчих науково-дослідних тем “Обоснование возможности использования экономно-легированных сталей для создания сосудов высокого давления криогенной техники” (№ Держреєстрації 01870015493 - виконавець), “Влияние электромагнитных воздействий на прочность и трещиностойкость конструкционных материалов, перспективных для использования в сверхпроводящих устройствах” (№ Держреєстрації 01890020791 – відповідальний виконавець), “Исследование трещиностойкости металлов и сварных соединений конструкций криогенной техники при глубоком охлаждении с учетом характера нагружения и воздействия електромагнитных полей” (№ Держреєстрації 0193U022066 – відповідальний виконавець), “Критериальная оценка процесса упругопластического деформирования металлических материалов в условиях прерывистой текучести при криогенных температурах” (№ Держреєстрації 0196U009160 – відповідальний виконавець).

Мета роботи полягає в розробленні методології визначення граничного стану конструкційних сплавів при дії імпульсів електричного струму, яка дозволила б враховувати особливості їх впливу на деформування та руйнування металів за кріогенних температур, і створенні на основі такої методології інженерного методу вибору допустимих напружень при розрахунках на міцність надпровідних електромагнітних систем.

Для досягнення вказаної мети необхідно було вирішити такі задачі:–

оцінити ступінь впливу ІЕС на опір деформуванню та руйнуванню, а також на величину характеристик міцності, пластичності і тріщиностійкості металевих матеріалів шляхом порівняльного аналізу кінетики їх змінювання в інтервалі кріогенних температур при різних режимах навантажування за умов лінійного однорідного і неоднорідного напружених станів;–

для прийнятої фізичної моделі експериментально обґрунтувати вибір параметрів, що адекватно відображають вплив ІЕС на опір деформуванню металів за температури рідкого гелію, і визначити частку енергії імпульсу електричного струму, відповідальну за цей вплив;–

визначити критерій граничного стану металевих матеріалів при дії ІЕС за умов охолоджування до температури 4,2 К, перевірити правомірність його використання для оцінки граничного стану

3

та небезпечних значень характеристик міцності і руйнування конструкційних сплавів щодо елементів конструкцій надпровідних електромагнітних пристроїв;–

з використанням запропонованого критерію розробити інженерний метод визначення допустимих напружень для розрахунків на міцність конструктивних елементів надпровідних електромагнітних систем, що максимально враховує здатність конструкційних сплавів підвищувати свою міцність при зниженні температури;–

розробити нові і удосконалити відомі методики досліджень і експериментальні пристрої.

Об’єктом досліджень є механічна поведінка металевих матеріалів за кріогенних температур, а предметом дослідження - граничний стан і головні закономірності впливу імпульсів електричного струму на опір деформуванню і руйнуванню, характеристики міцності, пластичності і тріщиностійкості конструкційних сплавів за температури рідкого гелію.

Методологія роботи передбачає використання системного підходу до досліджень особливостей впливу електричного струму на механічну поведінку конструкційних сплавів при температурі 4,2 К, що дозволяє поєднати експериментальні та теоретичні дослідження, аналіз та узагальнення отриманих результатів, експериментальну перевірку запропонованих підходів та рішень, розробку рекомендацій щодо їх використання в інженерній практиці.

При виконанні роботи використовувались класичні підходи механіки руйнування; регламентовані нормативними документами, стандартами і розроблені при виконанні цієї роботи методики визначення силових, деформаційних, енергетичних характеристик і параметрів. Це дозволило в комплексі з використанням метрологічно захищених засобів вимірювання, значної вибірки досліджуваних в однакових умовах зразків, а також сертифікованих програмних продуктів забезпечити високу точність і достовірність результатів, що підтверджується повторюваністю встановлених експериментальних закономірностей і відповідністю результатів розрахунків результатам дослідів.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше обґрунтовано наукові засади методології визначення граничного стану конструкційних сплавів при дії імпульсу електричного струму та кріогенних температур, що базуються на експериментально підтвердженій концепції, згідно якій певна частина енергії імпульсу, що спричиняє досягнення граничного стану металу за таких умов, визначається за його здатністю опиратися дії електричного струму.

2. Вперше запропоновано і обґрунтовано параметр, що визначає здатність металу опиратися дії імпульсу електричного струму.

3. На підставі запропонованої концепції розроблено методологію визначення напруження, перевищення якого при дії імпульсу електричного струму спричиняє при температурі 4,2 К

4

залишкову деформацію регламентованої величини. Це напруження і визначає граничний стан металевих матеріалів за таких умов. Отримано аналітичну залежність значення цього напруження від характеристик пружності конструкційних сплавів і параметрів імпульсу.

4. Удосконалено розрахункову схему визначення допустимих напружень, яка дозволяє максимально використовувати низькотемпературне зміцнення металів при температурі 4,2 К, забезпечуючи при цьому резервування певного запасу міцності щодо настання граничного стану при дії імпульсів електричного струму.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблено інженерний метод визначення допустимих напружень при дії імпульсів електричного струму і показано його перевагу над відомими методами. Отримано комплекс характеристик міцності, пластичності і тріщиностійкості конструкційних сплавів різних класів при кріогенних температурах і встановлено закономірності змінювання цих характеристик при дії ІЕС за умов однорідного й неоднорідного напружених станів.

Результати досліджень використано при розробленні нормативного документу “Временные нормы расчета на прочность силовых элементов магнитных систем ИТЭР” та проекту Міждержавного стандарту. “Металлы. Метод испытаний на растяжение при температурах от 273 до 4,2 К”.

Особистий внесок здобувача. Автором запропоновано й обґрунтовано нову концепцію оцінення граничного стану металевих матеріалів при дії ІЕС за кріогенних температур та розроблено на засадах цієї концепції методи визначення граничних напружень і розрахункову схему визначення допустимих напружень, що забезпечують максимально можливе при дії ІЕС використання низькотемпературного зміцнення; розроблено методики досліджень й отримано унікальні експериментальні дані про кінетику деформування й руйнування, механічні характеристики й характеристики тріщиностійкості конструкційних сплавів без і при дії ІЕС в зазначених температурних умовах, аналіз і узагальнення яких дозволили підтвердити правомірність запропонованих підходів. У колективних публікаціях, що наведені в дисертаційній роботі, внесок здобувача у результати є визначальним.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи були представлені на Международной конференции “Криогенные материалы и их сварка” (Киев, 1984 г.), III и IV Всесоюзном симпозиуме “Стали и сплавы криогенной техники” (Батуми, 1986 г., 1990 г.), I и II Всесоюзной конференции “Действие электромагнитных полей на пластичность и прочность металлов и сплавов” (Юрмала, 1987 г., 1990 г.), I Всесоюзной конференции “Механика разрушения металлов” (Львов, 1987 г.), IV Всесоюзной конференции “Научно-технический прогресс и достижения в криогенной технике” (Москва, 1987 г.), I Всесоюзной конференции по

5

высокоазотистым сталям (Киев, 1990), Сибирской школе по современным проблемам механики деформируемого твердого тела (Якутск, 1990), Всесоюзной школе-семинаре “Электрофизические методы и технологии воздействия на структуру и свойства металлических материалов” (Николаев, 1990 г.), VII Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Москва, 1991 г.), III Всесоюзной конференции “Прочность материалов и конструкций при низких температурах” (Винница, 1991 г.), Fourteenth International Cryogenic Engeneering Conference and International Cryogenic Materials Conference (Киев, 1992 г.), III школе-семинаре “Физика и технология электромагнитных воздействий на структуру и механические свойства кристаллов” (Воронеж, 1992 г.), III Международной конференции “Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий” (Новокузнецк, 1993 г.), Международном семинаре “Механические свойства и разрушение сталей при низких температурах” (Санкт-Петербург, 1996 г.), III научно-техническом семинаре “Актуальные проблемы прочности материалов и конструкций при низких и криогенных температурах” (Санкт-Петербург, 1997 г.), IV научно-техническом семинаре “Актуальные проблемы механики прочности и теплопроводности при низких температурах” (Санкт-Петербург, 1998 г.), Міжнародній науково-технічній конференції “Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва” (Киев, 1998 г.), Международной школе “Современные проблемы механики и прикладной математики” (Воронеж, 1998 г.), II Международной конференции по физике радиационных явлений и радиационному материаловедению (г. Алушта, 1998 г.), 2-nd International Conference “Strength, Durability and Stability of Materials and Structures. SDSMS’99” (Каунас, 1999 г.), Международной конференции “Оценка и обоснование продления ресурса элементов конструкций” (Киев, 2000 г.).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковано у двох монографіях (у співавторстві); дев'ятнадцяти статтях у наукових журналах, п’яти статтях у збірниках наукових праць, двадцяти шести тезах доповідей і доповідях наукових конференцій, авторському свідоцтві, патенті, двох препринтах.

Структура роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку літератури з 270 найменувань; додатків; містить _____ рисунків, _____ таблиць. Загальний обсяг дисертації складає _____ сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано загальну характеристику дисертації, розкрито суть і стан наукової проблеми; визначено актуальність роботи й обґрунтовано необхідність проведення досліджень; сформульовано мету роботи і задачі, які необхідно вирішити для досягнення цієї мети; відмічено наукову новизну і практичну значимість отриманих результатів; наведено дані щодо апробації

6

матеріалів дисертації та визначено особистий внесок здобувача у наукових працях, які опубліковані з співавторами.

У першому розділі наведено огляд літератури з питань впливу електричного струму на опір деформуванню та механічні властивості металів та сплавів. На базі ретроспективного аналізу показано, що існуючі роботи з цього питання можна умовно класифікувати, як: 1) визначення механізмів впливу електричного струму, зокрема імпульсного, на пластичну деформацію металів і дослідження цих механізмів; 2) встановлення закономірностей власне такого впливу на опір деформуванню, руйнуванню та механічні характеристики металевих матеріалів; 3) новітні технології, що використовують пластифікувальну дію електричного струму при обробці металів (виходять за межі даного дослідження і тому не розглядалися).

Головний напрямок викладених у сучасній літературі результатів досліджень зорієнтовано на виявлення фізичної суті явища підвищення пластичності металів при дії електричного струму. На цей час такі дослідження виконано для металів різних класів, за різних режимів і видів навантажування в інтервалі температур від 4,2 К до 0,5 Тпл.. При цьому, як правило, дуже ретельно враховано побічні ефекти дії струму (пінч, скін, магнітострикційний, дилатометричний), які також можуть обумовлювати підвищення пластичності матеріалу. Практично у всіх роботах встановлено, що при дії струму має місце інтенсифікація пластичного деформування металевих матеріалів, але єдиної думки щодо механізму такого впливу немає. Існує два головні погляди на механізми такого впливу. Значна група дослідників вважає, що головним чинником впливу на пластичну деформацію при дії ІЕС є термічний. При цьому вважають, що підвищення пластичності відбувається внаслідок як інтегрального розігріву матеріалу, так і локального; як внаслідок градієнтного підвищення температури, що призводить до підвищення густини дислокаційних та вакансійних потоків і по цьому до різкого зниження опору деформуванню, так і концентрації теплових полів в зонах мікродефектів, що спричиняє активізацію дифузійних процесів і покращення характеристик пластичності. Підвищення температури навіть може викликати зміну структурного стану поверхневих шарів деяких металів, а за цим - і зміну його характеристик. Але у найбільш значній кількості робіт стверджується, що зниження опору деформуванню металів при дії ІЕС відбувається внаслідок взаємодії направленого потоку електронів з дислокаціями, тобто по механізму так званої електропластичної деформації. Згідно з класичним трактуванням механізму такої деформації визначальним в її реалізації є електронно-дислокаційна взаємодія, що призводить до відривання дислокацій від стопорів й захоплення їх електронами провідності. Необхідною умовою цієї взаємодії є перевищення швидкості дрейфу електронів над фазовою швидкістю пружніх хвиль дислокацій, а для нерухомих дислокацій – перевищення довжини вільного пробігу електронів над відстанню між дислокаціями. В розділі

7

також детально проаналізовано інші описані в літературі механізми цієї взаємодії: пряму силову дію електричного струму на дислокаційну лінію; вплив на структуру дислокації; “дробову модель”, “електронний вітер” та інші.

При аналізі робіт, присвячених дослідженню впливу ІЕС на механічні властивості металів і сплавів, встановлено, що внаслідок підсилення електроннодислокаційної взаємодії цей вплив є найбільш суттєвим саме за кріогенних температур (< 10 К).

В огляді літератури також показано, що явище концентрації електромагнітного поля в зоні концентрації механічних напружень може суттєво впливати на міцність та опір руйнуванню металевих матеріалів. Відмічено, що вперше дослідження впливу ІЕС на міцність та руйнування матеріалів з непровідними дефектами за кріогенних температур були проведені в Інституті проблем міцності НАН України.

Підкреслено, що в сучасній літературі відсутня інформація про науково обґрунтовані критерії граничного стану конструкційних матеріалів при дії ІЕС та методи його визначення, а також систематизовані дані про закономірності впливу ІЕС на опір деформуванню, руйнуванню та характеристики тріщиностійкості металевих матеріалів за кріогенних температур.

Проаналізовано вплив глибокого охолодження на механічні характеристики і особливості деформування металів і сплавів і показано, що на процес деформування, руйнування і відповідні характеристики може суттєво впливати режим навантажування, який є визначальним чинником у розвитку пружнопластичної переривчастої течії. Тому без проведення експериментальних досліджень за умов, максимально близьких до реальних умов експлуатації матеріалів, неможливо спрогнозувати їх поведінку в конструкціях за температур, при яких має місце переривчаста течія. Розглянуто особливості експлуатації сплавів в елементах конструкцій надпровідних електромагнітних систем кріотурбогенераторів, термоядерних реакторів, прискорювачів елементарних часток та сформульовано вимоги до їх механічних характеристик. Підкреслено, що конструкційні сплави повинні мати дуже високі міцністні властивості, стабільність фазового складу при охолодженні й низьку чутливість до дії ІЕС. Відомі підходи до врахування низькотемпературного зміцнення при виборі допустимих напружень за дії ІЕС не дозволяють встановлювати їх значення з забезпеченням при цьому необхідного коефіцієнту запасу міцності.

У другому розділі наведено критичний аналіз експериментальних методів та засобів випробувань металевих матеріалів при статичному одновісному навантаженні за кріогенних температур, подано опис модернізованих і створених установок та пристроїв, наведено їх параметри, похибки вимірювань.

Дослідження температурних залежностей характеристик міцності, пластичності та тріщиностійкості, а також зміни їх характеру при дії імпульсів електричного струму, в інтервалі

8

температур 293 К – 4,2 К для одновісного та позацентрового розтягу, статичного згину і всебічного розтягу в площині було проведено за допомогою дослідницької установки УТН-10, яка має такі технічні характеристики: максимальне навантаження – 105 Н; межі регулювання температури від 293 К до 4,2 К, амплітуди імпульсного електричного струму від 1,0.103 до 3,2.103 А, тривалості імпульсу від с, кількості імпульсів в серії від 1 до 6. Відносні граничні похибки вимірювань становили щодо навантаження – 2,1 %; щодо видовження – 2,0 %; щодо температури – 3,6 %; щодо амплітуди імпульсу – 2,9 %.

Для визначення характеристик статичної міцності за температури рідкого гелію на зразках натурних (до 20 мм) товщин було розроблено універсальну низькотемпературну приставку до машин “Instron” та УЕ 50, що дозволило проводити випробування металевих матеріалів при максимальному навантаженні до 300 кН. В роботі наведено опис конструкції приставки і зазначено, що використання при її проектуванні й виготовленні ряду оригінальних рішень та традиційної схеми кріостату з однобічним коаксіальним розташуванням силових тяг дозволило забезпечити високу економічність системи. Витрати рідкого гелію на випробування одного зразка складають близько 10 л, при цьому температура зразка на рівні 4,2 К підтримується протягом 20 хв. За допомогою цього пристрою на машині “Instron” було випробувано зразки натурних товщин алюмінієвих сплавів АМг5, АМг6, АМцС та сталей 03Х20Н16АГ6 і ОН9 за температур 293, 77 та 4,2 К.

Можливість реалізації в пластині при всебічному її розтягуванні плоского напруженого стану і зорієнтованої відносно напрямку розтягувальних напружень дії ІЕС було покладено в основу досліджень опору деформуванню металевих матеріалів за цих умов при кріогенних температурах. Такий підхід дозволив на базі відомого технічного рішення створити пристрій, за допомогою якого в обмеженому об’ємі камери з рідким гелієм зразок особливої форми, робоча частина якого являє собою круг діаметром 50 мм, товщиною 1 мм, навантажується за умов рівновісного розтягу, а ІЕС діють лише в одному напрямку вздовж його діаметра. Для вимірювання деформації на контурі робочої частини зразка встановлюють два електромеханічні тензометри. Один з них реєструє зміну діаметра робочої частини зразка в напрямку дії ІЕС, а інший – в ортогональному. Чутливість таких тензометрів при температурі 4,2 К не гірша ніж 8,3.10-3 .

Критичний огляд властивостей конструкційних металевих матеріалів вітчизняного та зарубіжного виробництва з позицій їх використання в кріогенній техніці в цілому і, зокрема, у надпровідних електромагнітних системах визначив вибір сталей та сплавів для досліджень. Це матеріали з ГЦК- та ГПУ- ґратками, які поряд зі зростанням міцністних властивостей при охолодженні до кріогенних температур відзначаються достатньо високим рівнем пластичності та

9

в’язкості руйнування, що зумовило їх придатність для роботи в цій температурній області. А саме, це зміцнені азотом аустенітні сталі 03Х20Н16АГ6, 03Х20Н16АГ6Ш, 03Х13Н9Г19АМ2, 07Х13Н4АГ20; аустенітно-мартенситні сталі – 12Х18Н10Т (найбільш вживана в кріогенній техніці), 03Х13АГ19, 03Х19АГ3Н10, та економнолегована сталь феритного класу ОН9, алюмінієві сплави АМг5, АМг6 та АМцС , а також сплави титану 3М, ПТ3В та Спл.19.

Для визначення характеристик статичної міцності без і при дії ІЕС використовували п’ятикратні циліндричні ( d0 = 4 мм) та плоскі [9х20 (мм); 10х20 (мм); 12х20 (мм)] зразки, а також циліндричні зразки з кільцевим надрізом глибиною 1 мм (діаметр у нетто-перерізі dн = 4 мм). Теоретичні коефіцієнти концентрації напружень (), розраховані за допомогою інтерполяційних формул Нейбера для відповідних радіусів у вершині надрізів 0,02 мм; 0,10 мм; 0,25 мм, були такими: 9,16; 4,32; 2,88. ІЕС пропускали так, що вони проходили вздовж вісі зразка лише через його робочу частину або зону концентрації напружень.

Для визначення характеристик тріщиностійкості використовували прямокутні компактні зразки з краєвою тріщиною для випробувань на відцентровий розтяг, а також плоскі прямокутні зразки з краєвою тріщиною – для випробувань на триточковий згин. Напрямок дії ІЕС складав 450, 900 відносно до напрямку розвитку тріщини, або був таким, що електричний струм обтікав вершину тріщини.

Параметри ІЕС було вибрано такими, щоб задовольнити умови електронно-дислокаційної взаємодії, а також, щоб їх значення були максимально наближеними до реально діючих в конструктивних елементах надпровідних електромагнітних систем. Тому як базовий було вибрано імпульс електричного струму амплітудою 2800 А та тривалістю –10-2 с. Для отримання порівняльних результатів ІЕС пропускали при певних рівнях навантаження. В однакових умовах випробували не менше п’яти зразків. Характеристики міцності, пластичності, тріщиностійкості визначали згідно з вимогами нормативних документів.

У третьому розділі роботи розглянуто особливості та витоки зміни опору деформуванню сталей та сплавів при дії ІЕС та вплив апаратурних чинників на кінетику стрибкоподібного деформування, що виникає як при дії ІЕС, так і при деформуванні металевих матеріалів за температур рідкого гелію.

ІЕС, проходячи через навантажений до певного рівня металевий матеріал, викликають зниження його опору деформуванню, що на діаграмі деформування фіксується як стрибок навантаження (). За кріогенних температур такий стрибок може бути дуже суттєвим, причому, як випливає з огляду літератури, неможливо достовірно оцінити його значення, використовуючи традиційні підходи. Тому щоб з’ясувати значущість виявленого специфічного впливу ІЕС на механічні характеристики сталей та сплавів в досліджуваному температурному інтервалі,

10

розглянуто закономірності зміни їх опору деформуванню з позицій фізики твердого тіла з використанням експериментальних підходів механіки матеріалів. Порівняльний аналіз отриманих за допомогою теплофізичних розрахунків та прецизійних вимірювань приростів температури за час дії імпульсу показав, що відмінність між їх значеннями зростає зі зниженням температури дослідів, досягаючи при 4,2 К майже порядку. Ця відмінність пояснюється тим, що частина енергії електронів провідності передається дислокаціям, стимулюючи пластичне деформування металу, а інша частина енергії – кристалічній гратці, збуджуючи теплові коливання. До того ж зі зниженням температури (<< 293 K) підсилюється взаємодія електронів з дислокаціями, тому що за кріогенних температур електронна в'язкість є найбільшим чинником енергетичних втрат дислокацій, а головний внесок у розсіяння енергії рухомого електрону вносить його взаємодія з дефектами гратки (дислокаціями). Згідно з умовою електропластичності, якщо швидкість електронів (Ve) перевищує швидкість дислокацій (Vд), то збуджується сила, що прискорює рух дислокацій. Такий підхід дозволяє пояснити і встановлену раніше залежність величини стрибка напруження при дії ІЕС від його густини (І) та тривалості (): . Почергово змінюючи та І з дотриманням при цьому умови рівності теплової енергії імпульсу , встановили, що варіації І при кріогенних температурах завжди в більшій мірі (до 30 %) викликають зміну величину , ніж варіації . Оскільки швидкість електронів провідності визначається густиною струму, то Ve = І/еn (де е – заряд, n - кількість електронів), а тому, як і показав дослід, густина струму є більш дієвим чинником ніж тривалість імпульсу. Про підсилення при охолодженні до температури 4,2 К ролі електронно-дислокаційної взаємодії у змінюванні опору металів деформуванню при дії ІЕС свідчать встановлені для метастабільних сталей та підтверджені для сталі зі стабільною аустенітною структурою залежності від модуля зміцнення (), який як величина, залежна від довжини вільного пробігу й густини дислокацій, об’єктивно характеризує дислокаційні процеси, що відбуваються в матеріалі при деформуванні.

Залежності задовільно можна описати степеневою функцією

, | (1)

де знак при показнику степеня залежить від температури виконання дослідів.

Так, для аустенітно-мартенситної сталі 12Х18Н10Т n - додатне при температурах 77 К та 4,2 К () і від’ємне при 293 К, а для стабільно-аустенітної сталі 03Х20Н16АГ6 n - додатне лише при температурі рідкого гелію (). Отже для сталі 12Х18Н10Т при температурах 77 К і 4,2 К зростанню модуля зміцнення відповідає зростання реакції сталей на дію ІЕС. Як відомо, рух дислокацій зумовлюється двома якісно різними

11

чинниками: флуктуаційним подоланням бар’єрів і динамічним гальмуванням, що спричинене розсіюванням їх енергії на елементарних збудженнях. У сталі 12Х1Н10Т деформування вже при температурі 77 К призводить до утворення - фази, яка має феромагнітні властивості. Для феромагнітних матеріалів в інтервалі температур від 0 до 100 К переважають електронний та магнонний канали розсіювання рухомих дислокацій, а саме вони виводяться з рівноваги при дії ІЕС. У сталі 03Х20Н16АГ6 мартенситна фаза не утворюється навіть при температурі 4,2 К. Для цієї сталі підвищення з ростом має місце лише при температурі 4,2 К. Тобто, саме в тих температурних умовах, за яких головним чинником динамічних втрат дислокацій є електрони провідності.

Необхідно звернути увагу ще на одну особливість впливу ІЕС, яку вдалося встановити лише при кріогенній температурі, – вибірковість його дії за умов неодновісного навантажування. При всебічному рівновісному навантажуванні дискової пластини радіальні зміщення її контуру будуть однаковими. Під час навантажування такого зразка, виготовленого зі сталі 07Х13Н4АГ20, при температурі 77 К при певному рівні навантаження в одному з напрямків (вздовж або поперек напрямку прокатування) пропускали серію з 3-х імпульсів електричного струму. Після чого зразок розвантажували. Схема навантажування, рівні напружень, напрямки дії ІЕС, значення розрахованих та виміряних радіальних зміщень контуру зразка (), а також залежності зображені на рис. 1. Як видно, приріст деформації зразка при дії ІЕС має місце лише в напрямку його дії. Така вибірковість впливу ІЕС також вказує на специфічність дії імпульсів струму, яку неможливо пояснити тривіальним розігрівом, тому що температурне поле, яке формується при проходженні ІЕС, як показали розрахунки, практично неградієнтне вздовж зразка і спричиняє однакові радіальні зміщення його контуру у всіх напрямках. Аналогічний дослід, реалізований за такою ж схемою при температурі 293 К, не дозволив виявити переважного щодо напрямків впливу ІЕС.

Наведені результати свідчать про суттєвість специфічного впливу ІЕС на опір деформуванню металевих матеріалів при кріогенних температурах.

Далі в розділі показано, як впливає жорсткість випробувального обладнання та умови навантажування на значення механічних характеристик та кінетику пластичної течії при стрибкоподібному розвитку деформування. В загальному випадку для непіднавантаженої системи кінетика навантажування залежить від співвідношення між запасом пружної енергії системи зразок-машина й незворотним енергопоглинанням матеріалу при його пластичному деформуванні і руйнуванні. Зміна здатності матеріалу поглинати енергію, обумовлена зниженням температури або зміною напруженого стану при незмінному запасі пружної енергії системи, призводить до

12

значного збільшення швидкостей деформування й руйнування. Особливо критичність такого процесу проявляється при різкому зниженні опору матеріалу деформуванню.

Показано, що найбільш консервативним режимом навантажування є режим автоматичного підтримування постійності швидкості навантажування, який при стрибкоподібному зниженні опору металів деформуванню, що виникає під дією ІЕС або при його охолодженні до певної температури, значно погіршує здатність матеріалів опиратися деформуванню й руйнуванню. При цьому єдиною характеристикою міцності, що не залежить від режиму навантажування і податливості дослідницького обладнання є умовна границя плинності – цей висновок обґрунтовується результатами порівняльних досліджень десяти конструкційних сплавів різних класів.

Наведений в розділі аналіз кінетики стрибків навантаження при переривчастій течії сталей 03Х20Н16АГ6 та 07Х13Н4АГ20 й стрибків, обумовлених дією ІЕС, дозволив виявити ряд суттєвих відмінностей як в характері змінювання навантаження під час стрибків, так і в характері змінювання їх швидкості. А саме, для стрибків, спричинених дією ІЕС, навантаження спадає з постійною швидкістю, яка зростає з підвищенням модуля зміцнення: ; для стрибків переривчастої течії виявлено дві швидкісні зони, швидкість в яких може відрізнятися на два порядки, а середня швидкість стрибка зростає відповідно до збільшення деформації. Це певним чином вказує на відмінність механізмів, які спричиняють зниження опору деформуванню сталей при дії розглянутих чинників.

Встановлено, що значення стрибка навантаження, який реалізується при дії імпульсу електричного струму і фактично характеризує здатність матеріалу опиратися його дії, суттєво залежить від режиму навантажування. Тому значення , що реєструються під час досліджень, необхідно приводити до еталонних, в якості яких приймаються значення максимальної величини . Вони відповідають значенням, зареєстрованим під час навантажування зразка з постійною, досить малою, швидкістю переміщення одного його кінця й жорстким закріпленням іншого. Для розв’язання цієї задачі в роботі зазначений режим порівняно з контрастним, в якому навантажування здійснюється постійним навантаженням.

В результаті порівняльного аналізу для умов дії постійного навантаження отримано рівняння виду:

, | (2)

де – значення постійного напруження, при якому діє ІЕС;

Е – модуль пружності матеріалу;

13

14

– значення приросту деформації, що реєструють при дії ІЕС в другому режимі .

Аналогічним чином було отримано рівняння для визначення еталонного значення при змішаному режимі навантажування, який найчастіше реалізується в практиці досліджень впливу ІЕС на механічні властивості металевих матеріалів: |

(3)

Тут – значення стрибка напружень, що реєструється при дії ІЕС у змішаному режимі;

– значення приросту деформації, що реєструється при дії ІЕС у змішаному режимі.

Режими, близькі до змішаного, можуть реалізуватися в оболонкових конструкціях, наповнених кріогенними рідинами, наприклад, в роторі КТГ, що обертається, або кріостаті надпровідної магнітної системи термоядерного реактора при аварійних режимах, і взагалі в конструкціях, в яких можливе неконтрольоване зростання швидкостей навантажування й деформування.

В четвертому розділі дисертації представлено результати досліджень впливу охолодження до 4,2 К на механічні характеристики та характеристики руйнування конструкційних матеріалів різних класів: сталей, алюмінієвих та титанових сплавів. Встановлено головні закономірності впливу розмірів зразків, попереднього деформування, неоднорідності напруженого стану, режиму навантажування на характеристики міцності та пластичності цих матеріалів в вихідному стані та за умов дії імпульсів електричного струму. Також розглянуто особливості розвитку руйнування сталей при температурі 4,2 К за таких умов.

Температурні залежності характеристик міцності та пластичності, які отримані за постійної швидкості деформування для сталей 12Х18Н10Т, 03Х13АГ19, 07Х13Н4АГ20, 03Х19АГ3Н10, 03Х13Н9Г19АМ2, ОН9 в інтервалі температур від 293 К до 4,2 К відповідають типовій для холодопластичних матеріалів закономірності. Границя міцності й границя плинності для досліджених сплавів поступово зростають на 80 - 190 % та 50 - 210 % відповідно, а характеристики пластичності зменшуються на 12 - 38 %. Механічні характеристики металевих матеріалів при температурі 4,2 К суттєво залежать від режиму навантажування. В режимі підтримування постійності швидкості навантажування під час стрибка пластичної деформації різко зростає швидкість деформування, що перешкоджає спаду навантаження й одночасно подавляє деформаційне зміцнення; кількість та амплітуда стрибків значно зменшуються, а руйнування може відбутися навіть після першого стрибка деформації. Внаслідок цього для ряду досліджених матеріалів в такому режимі навантажування значення границь міцності зменшуються на 21-32 %, відносне видовження після розриву - на 2,0-5,5 %, а відносне звуження після розриву збільшується на 9,0-26,5 %. Тобто кінетика розвитку переривчастої течії матеріалів визначає значення їх механічних характеристик.

В сучасній літературі практично не наведено значення механічних характеристик при температурі рідкого гелію, отриманих на зразках натурної (досить великої > 8 мм) товщини, що пов'язано в першу чергу зі складністю подібних досліджень. Проведені випробування зразків алюмінієвих сплавів АМг5, АМг6, АМцС й сталей 03Х20Н16АГ6 та ОН9 натурних товщин показали, що за температури рідкого гелію механічні характеристики порівняно з аналогічними, визначеними для малих зразків, відрізняються: характеристики міцності – на 5 - 30 %, а найбільш суттєво характеристики пластичності - до 38 %. Встановлено, що така різниця в значеннях механічних характеристик пов’язана з невиконанням при температурі 4,2 К умови постійності питомої роботи деформування, необхідної для дотримання геометричної подібності зразків. Причиною цього є утворення локальних зон деформування при переривчастій течії, що реалізуються за умов різної об’ємності напруженого стану на циліндричних і плоских зразках. Така різниця в значеннях механічних характеристик свідчить про необхідність їх визначення на зразках з товщиною,

16

максимально наближеною до товщини матеріалу в реальній конструкції.

Аналіз дослідження впливу попереднього деформування за температур 293 К (як можливий технологічний фактор) й 77 К (як можливий зміцнювальний фактор) на механічні характеристики сталей 12Х18Н10Т та 03Х13АГ19 в інтервалі температур від 293 К до 4,2 К висвітлив таке. З ростом ступеня попереднього деформування, незалежно від його температури, значення характеристик міцності обох сталей зростають. Але, якщо у сталі 12Х18Н10Т попереднє деформування при температурі 77 К призводить до більш значної зміни характеристики міцності при всіх досліджених температурах, ніж попереднє деформування при 293 К, то для сталі 03Х13АГ19 така залежність відсутня.

Вивчення впливу концентрації напружень було проведено при дослідженні циліндричних зразків з кільцевими надрізами контрастних за властивостями сталей: холодопластичної 03Х20Н16АГ6 й схильної до крихкого руйнування ОН9. Зі зниженням температури від 293 К до 4,2 К значення максимальних номінальних напружень перед руйнуванням надрізаних зразків () для обох сталей монотонно зростають. Як відомо коефіцієнти й не дають повної інформації про працездатність матеріалів за кріогенних температур. Рівні значення цих коефіцієнтів для різних сплавів не вказують на їх однакову тенденцію до крихкого руйнування. Коефіцієнти й , де – значення при кріогенній температурі, дозволяють лише оцінити низькотемпературне зміцнення при переході від однорідного до неоднорідного напруженого стану. В роботі запропоновано для обґрунтованого врахування низькотемпературного зміцнення (НТЗ) використати коефіцієнт . характеризує ступінь змінення максимальних номінальних напружень перед руйнуванням надрізаних зразків зі зниженням температури. При низькотемпературне зміцнення відсутнє і, навіть при значенні , його не можна використовувати як обґрунтування для підвищення рівня допустимих напружень у конструкціях, що мають відповідні концентратори напружень.

Оцінку опору сталей і сплавів руйнуванню й визначення їх характеристик тріщиностійкості в інтервалі температур від 293 К до 4,2 К було проведено за допомогою стандартних методик визначення коефіцієнта інтенсивності напружень () і –інтеграла за результатами компактних зразків з краєвою тріщиною на відцентровий розтяг і прямокутних зразків з краєвою

17

тріщиною на триточковий згин. Для підвищення точності обробки діаграм руйнування було розроблено спеціальну програму апроксимації, що базується на використанні сплайн-функцій, а також методику врахування похибки, пов’язаної з піддатливістю силового ланцюга випробувальної машини.

При аналізі діаграм руйнування компактних зразків для ряду сталей було виявлено за температури 4,2 К локальні максимуми навантажування, які розташовані лівіше п’ятивідсоткової січної. При цьому виникла невизначеність в знаходженні навантаження PQ, яке відповідає зрушенню тріщини, тому що ці максимуми можуть свідчити як про старт тріщини, так і про переривчасту течію матеріалу, що характерна для сталей при температурі рідкого гелію, в процесі формування пластичної зони в вершині тріщини, перед її зрушенням. Для виявлення можливих причин такого явища було проведено серію спеціальних експериментів за температури 4,2 К і встановлено, що зрушення тріщини має місце лише після локального максимуму, що співпадає з точкою перетину п’ятивідсоткової січної з діаграмою руйнування, або який спостерігається безпосередньо після неї. Таким чином, локальні максимуми, розташовані лівіше цієї січної, є наслідком формування пластичної зони, що передує старту тріщини, яка при температурі 4,2