Определение момента локализации деформаций при высокотемпературной ползучести на основе натурных экспериментов с новой системой измеренияНИР

Determination of the moment of strain localization in high-temperature creep based on field experiments with a new measurement system

Источник финансирования НИР

грант Президента РФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Подготовка и проведение экспериментов, обработка полученных данных
Результаты этапа: Метод бесконтактных измерений: Существенной проблемой в мировой науке является определение условий разрушения в элементах конструкции при высокой температуре. Эта проблема, в частности, связана с малым количеством средств измерений деформаций при этих условиях. Автором впервые разработана аппаратно-компьютерная система высокотемпературных бесконтактных измерений, позволяющая получать значения компонент тензора поверхностных деформаций и геометрию образца в любой момент времени в процессе высокотемпературного деформирования образца. Созданный метод измерения позволяет заменить реальный нагретый образец в печи подобным ему числовым образом, что позволяет измерять увеличенное число параметров образца при экспериментальном исследовании. Метод позволяет получать от 7 до 13 параметров измерений (в том числе 2D-поля деформаций, рис. 1(в)), что дает возможность более качественно сопоставлять результаты теоретических и экспериментальных исследований, в частности, определять наиболее слабое место в образце (рис. 1 и 2). Разработанный метод в течение нескольких лет успешно применяется при проведении высокотемпературных испытаний при исследовании локализации деформаций на алюминиевых образцах по гранту РФФИ, с непрерывной модернизацией со стороны автора и был закончен в прошедшем году. Законченный метод бесконтактных измерений был представлен на крупнейшей Европейской конференции по механики разрушения 22nd European Conference on Fracture (ECF22), проводимой в Belgrade, Serbia, 2018 г. На метод высокотемпературных измерений был получен патент №2665223, а на программное обеспечение (цилиндрические образцы) получено свидетельство № 2018614601. Эксперименты: Для решения проблем с началом экспериментов на деньги гранта РФФИ был закуплен титановый лист ВТ-6 и изготовлены плоские образцы. Были рассмотрены различные варианты изготовления: токарный, гидроабразивный, лазерный. Токарные работы по титану оказались слишком сложные и от них было решено отказаться. Первоначальная партия образцов (10 шт.) была изготовлена на гидроабразивном станке, т.к. предполагалось, что отсутствие механического воздействия и/или высокой температуры позволит получить более качественные образцы. Однако, оказалось что во-первых, гидрообразив оставляет следы на лицевой поверхности, а во-вторых, разрез материала происходит не под прямым углом, что вместо прямоугольного сечения дает трапециевидное. Поэтому вторая партия образцов изготовлялась в Санкт-Петербурге на лазерном станке. Вся вторая партия была изготовлена не правильно и была списана, следующая попытка позволила получить около 50-ти образцов, из которых примерно 15 было признано браком. На подготовленном до этого оборудовании было проведено 19 экспериментов с длительностью испытания от нескольких часов до трех недель (рис. 3). Начальная рабочая длина всех образцов – 25 мм, ширина – 5 мм, толщина 1 мм. Постоянная растягивающая сила в начальный момент времени варьировалась от 135кг до 275кг в различных испытаниях. При каждом значении начального растягивающего напряжения эксперимент повторялся несколько раз. В каждом эксперименте получены значения удлинения образца, профиль поперечного сечения от продольной координаты, действующее напряжение и др. в каждый момент времени, а так же значения моментов образования локализации деформаций (рис.4). На экспериментальных данных о локализации деформаций в титановых образцах, испытываемых при длительной ползучести в течение недель планировалось построить вероятностную модель локализации деформаций. Из-за объективного отсутствия этих данных, в качестве исходных данных были взяты данные о локализации деформаций для алюминиевых образцах, проводимых ранее по гранту РФФИ. Данная модель опубликована в журнале из списка RSCI Web of Science. Известно, что титан очень сильно взаимодействует с водородом, при котором возникает явление водородного охрупчивания. Поэтому проводя эксперименты с титановым сплавом по изучению локализации деформаций большой интерес представляет так же влияние водорода на локализацию деформаций. Было подготовлено 6 образцов титанового сплава ВТ-6, которые перед экспериментами наводораживались до массовой доли водорода 0.1%, 0.3% и 0.6%. Полученные результаты так же показаны на рис. 3, где в скобках даны значения количества водорода в образце, если оно не нулевое. Эти данные еще не опубликованы. В настоящее время проводится металлографическое и фазовое исследование обычных и наводороженных образцов. Эти данные планируется представить на «9th International Conference of Materials Structure & Micromechanics of Fracture», Brno, Czech Republic. Локализация деформаций в титановых образцах: Разработаны кинематические и силовые критерии появления шейки в образце. Было показано, что использование простых и очевидных геометрических критериев, основанных, например, на разности между максимальным и минимальным диаметрами образца в рабочей части и/или использующие средний диаметр по образцу, не дает возможности получить момент локализации. В таких критериях не удается исключить влияние шумовой составляющей измерений в процессе эксперимента. Рабочие варианты критериев удалось получить при введении в рассмотрение виртуального образца, который деформируется по тому же закону изменения длины от времени, что и реальный образец, но сохраняет однородную деформацию всей рабочей области. Таким образом, поперечный размер виртуального образца вплоть до разрушения (хрупкого) один и тот же по всей длине рабочей области образца. Был предложен геометрический критерий, основанный на разнице между поперечным размером виртуального образца и минимальным поперечным размером реального образца, полученным из эксперимента. Было предложено несколько силовых критериев появления локализации деформаций при высокой температуре: два варианта критерия для плоских образцов и два варианта критерия для цилиндрических образцов. В этих критериях варианте для расчета действующего продольного напряжения использовались различные общеупотребительные теоретические предположения или экспериментальные измерения с последующим осреднением. Эти критерии были применены к проведенным экспериментальным исследованиям на титановых образцах и получены соответствующие времена локализации деформаций рис. 4 по силовым критериям. Эти данные еще не опубликованы. Соисполнители: В проект приглашен Валисовский Н.Е., который под руководством автора заявки участвовал в проводимых экспериментальных исследований, а так же работал над обработкой полученных экспериментальных данных. Он стал соавторам двух докладов на конференциях: 1. Междун. молод. научн. конф. «XLIV Гагаринские чтения» и 2. Научная конф. «Ломоносовские чтения». К сожалению, он не получил ни рубля - не было дано ни единой возможности выплатить ему причитающуюся зарплату, т.к. деньги пришли только 14 декабря – оформить необходимые документы за 7 рабочих дней (закрытие зарплаты производится бухгалтерии 25го декабря) невозможно, а с 1 января вся его зарплата была востребована обратно советом по грантам. Выплатить ему зарплату из собственных средств так же не представляется возможным, т.к. автор гранта так же её не получил (данные на 28 января), а МГУ является основным местом работы. Оборудование: Т.к. условия для закупки необходимого оборудования для проведения всех заявленных работ в 2018 г. исполнителям проекта не было предоставлено, то исполнить их по смете расходов было невозможно, а эти расходы переходят на следующий год. Патент: По заявке на 2018 г. планировалось закончить программный код для обработки цилиндрических образцов и подать на получения свидетельства от РосПатента. Код был закончен, а свидетельство № 2018614601 (Система обработки «Duoline» для цилиндрический образцов) получено (Приложение, рис. 5). На разработанный метод измерения в 2018 г. был получен патент №2665223 (Способ измерения геометрических параметров и/или деформаций образца при высокотемпературном воздействии на него и система для его осуществления), рис. 6. Представление результатов работ: Основные результаты работы по гранту (первый год) планировалось представить на крупнейшей Европейской конференции по механике разрушения - 22nd European Conference on Fracture (ECF22), проводимой в Belgrade, Serbia, 2018г. Из-за отсутствия денег и соответственно возможности подготовить образцы в срок и провести эксперименты на данной конференции был представлен метод измерения (Teraud W. An experimental method for a high temperature non-contacting measurements of a deformed specimen // Loading and Environment Effects on Structural Integrity. Book of abstracts - 1st ed. «22nd European Conference on Fracture» - ECF22, Belgrade, 26 - 31 August, 2018. – Belgrade: Faculty of Technology and Metallurgy, Research and Development Centre of Printing Technology. P. 57). Организация и проведение длительных экспериментов требует серьезной подготовки для обеспечения стабильной работы в течение дней и недель (заявлено по гранту), поэтому подготовке экспериментального оборудования, участвующих в экспериментах, было уделено много времени. Соисполнителем гранта Валисовским Н.Е. было сделано два доклада на Междун. молод. научн. конф. «XLIV Гагаринские чтения» и Научная конф. «Ломоносовские чтения». (Терауд В.В., Валисовский Н. Е. Сложности, связанные с проведением высокотемпературных экспериментов при ползучести металлов // Междун. молод. научн. конф. «XLIV Гагаринские чтения». Тез. докл. (17.04 - 20.04.2018, Москва) ИПМех РАН. С. 153-154) (Терауд В.В., Валисовский Н.Е. Особенности подготовки и проведения экспериментов в условиях ползучести при высоких температурах // Научная конф. “Ломоносовские чтения” (16-20 апрель 2018г.). Секция механики. Тезисы докладов. – М.: Изд-во МГУ. М. 2018. C. 183). Автором был сделан доклад на всероссийской конференции молодых ученых-механиков, YSM-2018 (Терауд В.В. Организация экспериментальных исследований при высокой температуре испытаний в течение дней и недель // Всероссийская конференция молодых ученых-механиков, YSM-2018, 4-14 сентября 2018 г., Сочи, «Буревестник» МГУ. Тезисы докладов. – М.: Издат. Мос. ун-та. С. 152). Основные положения выделены в отдельную работу, опубликованную в журнале из списка SCOPUS (Teraud W. Experimental studies on creep running at high temperatures over days and weeks // J. Phys.: Conf. Ser. 2018. Vol. 1129. 012033 P. 1-5. DOI: 10.1088/1742-6596/1129/1/012033. (http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/1129/1/012033). SCOPUS). Вероятностная модель локализации деформаций для алюминиевых образцов (данные о локализации для титановых образцов имеются не в полном объеме из-за задержки денег) опубликована в журнале из списка RSCI Web of Science: (Терауд В.В. Экспериментальное измерение момента образования шейки и ее описание с помощью вероятностной модели // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2018. № 5. C. 83–98. DOI: 10.18698/1812-3368-2018-5-83-98. RSCI Web of Science). Суммарно автором гранта за 2018 г. было подготовлены и опубликованы статьи: 1 статья ВАК РФ, 1 статья RSCI Web of Science и 4 статьи в журналах из списка SCOPUS.
2 31 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Продолжение экспериментов, постэкспериментальное исследование образцов, опубликование результатов
Результаты этапа: Проведено 22 эксп. при 450-600*С, измерена локализация деформаций. Разработаны новые критерии, проведено моделирование методами глубокого обучения и в пакете ANSYS. Модернизировано эксп. оборудование. Получен патент в РФ и подана заявка в Германии.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".