Чуканов Александр Николаевич - доктор технических наук, доцент, профессор кафедры технологии и сервиса.
пр. Ленина, 125, Тула, 300026.
Alexander N. Chukanov - Dr. of Sci. (Engineering), Associate Professor, Professor of the Technology and Service Department.
125 Lenin str., Tula 300026.
Терешин Валерий Алексеевич - кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры технологии и сервиса.
пр. Ленина, 125, Тула, 300026.
Valery A. Tereshin - Cand. of Sci. (Physical and Mathematical), Associate Professor, Associate Professor of the Technology and Service Department.
125 Lenin str., Tula 300026.
Гвоздев Александр Евгеньевич - доктор технических наук, профессор.
пр. Ленина, 125, Тула, 300026.
Aleksandr E. Gvozdev - Dr. of Sci. (Engineering), Professor.
125 Lenin str., Tula 300026.
Кутепов Сергей Николаевич - кандидат педагогических наук, профессор.
пр. Ленина, 125, Тула, 300026.
Sergey N. Kutepov - Cand. of Sci. (Pedagogical).
125 Lenin str., Tula 300026.
Сергеев Александр Николаевич - доктор педагогических наук, профессор.
пр. Ленина, 125, Тула, 300026.
AleksandrN. Sergeev - Dr. ofSci. (Pedagogical), Professor.
125 Lenin str., Tula 300026.
Агеев Евгений Викторович - доктор технических наук, профессор.
ул. 50 лет Октября, 94, Курск, 305040.
Evgeniy V. Ageev - Dr. of Sci. (Engineering), Professor.
50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040.
Яковенко Александра Александровна - кандидат технических наук, инженер.
ул. Мосина, 2, Тула, 300002.
Alexandra A. Yakovenko - Cand. of Sci. (Engineering), Engineer.
2 Mosina str., Tula 300002.
Цель исследования. Целью настоящей работы являлась разработка метода расчета параметров объёмных зон пластичности в порошковых и литых сталях, развивающихся в окрестности пор под действием внешнего растягивающего напряжения и внутреннего давления газов.
Mетоды. Задачу решали на базе анализа распределения компонент тензора напряжений в окрестностях несплошностей (пор) различной формы. Поэтапно рассматривали образец, находящийся под действием растягивающих напряжений (σ) и содержащий единственный концентратор напряжения – сферическую пору радиусом «а», а также пору в форме двояковыпуклой линзы. Выбор морфологии пор был обусловлен их экспериментальным наблюдением в структуре реальных промышленных сталей, а также наличием решения для оценки поля напряжений около сферической поры, выполненного Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшицем. По сравнению с такими концентраторами напряжений, как узкая трещина или пора в виде двояковыпуклой линзы, концентрация напряжений около сферической поры выражена слабее. Однако для процессов диффузии атомов через зону повышенных напряжений важна не только величина напряжения, но и размер самой зоны. Около сферической полости размер перенапряженной зоны наибольший, поэтому анализ её морфологии был взят за основу. В работе использовали моделирование функций, описывающих распределение напряжений около поры по аналогии с полем скоростей идеальной жидкости.
Результаты. Как объёмный объект описанные зоны пластичности представляют собой поверхности сфероида и эллипсоида, окружающие сферические и линзообразные поры. Очевидно, что чем меньше отношение h/l для поры, тем дальше в поперечном направлении распространяется зона пластичности (больше ρmax –l), становясь при этом всё более узкой (z1 примерно пропорциональна h). В качестве характерных геометрических параметров зон пластичности около линзообразной поры были определены: её наибольшая протяжённость в радиальном направлении от вершины; характерная толщина зоны (ρmax– l)l/a; площадь линзы; объём зоны и его доля от объёма линзы. Развитие зон пластичности около пор различной морфологии в сталях в условиях стресс-коррозии стимулирует изменение (рост) кинетических характеристик металла и создание благоприятных условий для ускоренной диффузии (обезуглероживания). В области зон пластичности в окрестностях пор под действием внешнего и внутреннего (давление газов) напряжений создание каналов облегченной диффузии формирует в точках D, B и C очаги зарождения субмикротрещин. Образующиеся в радиальных направлениях ювенильные свободные поверхности создают зоны реализованных аккомодационных возможностей среды – зоны пластичности. Вместе с ростом радиальных трещин к их вершинам от поры, находящейся под высоким давлением, ускоренно диффундируют газы.
Заключение. Предложенный в работе алгоритм анализа распределения напряжений позволяет прогнозировать интенсивность развития зон пластичности (трещинообразования) в зависимости от соотношения параметров β (β = σT/ σ) и s (s = р/σ), то есть от соотношения величин внешнего напряжения, предела текучести стали и давления газов в поре. Сделанный расчет позволил уточнить место зарождения, форму и масштаб развития зон пластичности (трещинообразования) в окрестностях пор различной морфологии в зависимости от соотношения внешнего напряжения и давления газов в порах.
Purpose of research. The purpose of this work is to develop a method for calculating parameters of volumetric zones of plasticity in powder and cast steels, occurring in the vicinity of pores under external tensile stress and internal gas pressure.
Methods. The problem was solved on the basis of the analysis of the distribution of stress tensor components in the vicinity of discontinuities (pores) of different shapes. A sample under tensile stresses (σ), containing a single stress raiser - a spherical pore with radius "a", and a pore in the form of a biconvex lens, was studied stepwise. The choice of pores morphology was determined by their experimental observation in the structure of real commercial steels, and the presence of a solution for estimating the stress field near the spherical pore, performed by L. D. Landau and E. M. Lifshitz. In comparison with such stress raisers as a tight crack or a pore in the form of a biconvex lens, the stress concentration near a spherical pore is weaker. However, for the processes of diffusion of atoms through the zone of increased stress, not only the intensity of stress is important, but also the size of the zone itself. Near the spherical cavity, the size of the overstressed zone is the largest, so the analysis of its morphology was taken as a basis. In this paper, we used the modeling of functions describing the stress distribution around the pores similarly to the velocity field of an ideal fluid.
Results. As a volume object, the described zones of plasticity are the surfaces of a spheroid and an ellipsoid surrounding spherical and lenticular pores. It is obvious that the smaller the ratio h/l for the pore is, the further in the transverse direction the plasticity zone (more than pmax-l) spreads, becoming tighter and tighter (z1 is approximately proportional to h). The following geometric parameters of the plasticity zones near the lenticular pore were determined as characteristic ones: its greatest length in the radial direction from the apex; the characteristic thickness of the zone (ρmax– l)l/a; the area of the lens; the volume of the zone and its share of the volume of the lens. The development of plasticity zones near pores of different morphologies in steels under stress-corrosion conditions stimulates the change (increase) of the kinetic characteristics of the metal and the creation of favorable conditions for accelerated diffusion (decarburization). In the area of plasticity zones in the vicinity of pores under external and internal (gas pressure) stresses, the creation of channels of facilitated diffusion forms places of nucleation of submicrocracks at points D, B and C. Juvenile free surfaces formed in radial directions create zones of realized accommodation opportunities of the medium - zones of plasticity. Along with the growth of radial cracks to their tops from the pore under high pressure, gases diffuse rapidly.
Conclusion. The stress distribution analysis algorithm proposed in this paper allows predicting the intensity of plasticity zones (crack formation) development depending on the ratio of parameters β (β = σT/ σ) and s (s = p/σ), that is, on the ratio of external stress values, steel yield stress and gas pressure in the pore. The calculation made it possible to clarify the place of nucleation, the shape and scale of the development of zones of plasticity (cracking) in the vicinity of pores of different morphology depending on the ratio of external stress and gas pressure in the pores.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.