CC BY
2ЭНТРОПИЙНЫЙ ПОДХОД ДЛЯ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
Маркова Г.В., Гусев А.Д.
Тульский Государственный Университет, Тула, Россия dkines07@gmail. com
В процессе эксплуатации металлических изделий на первых этапах не происходит видимых изменений структуры, однако в локальных объемах возникают зоны концентрации напряжений, сопровождающиеся появлением дефектов кристаллической решетки и изменением дислокационной структуры. Появление дефектов вызывает нарушение термодинамического равновесия системы. Когда количество свободной энергии уменьшается, то повышается та часть общей внутренней энергии системы, которая является мерой степени случайности и неупорядоченности и называется энтропией. Изменение общей энтропии системы ДS определяется многими факторами, в числе которых структурная энтропия ДSстр. В величину структурной энтропии вносит вклад множество дефектов, связанные с наличием в решетке точечных дефектов, дислокаций, границ раздела и другие. Образование дефектов приводит к увеличению структурной энтропии системы, а также изменению значений локальных свойств. Таким образом, оценивая изменение значения локальных свойств, можно определять структурную энтропию системы. Это и является энтропийным подходом.
Целью данной работы явилось установление возможности использования энтропийного подхода для определения остаточного ресурса металлических изделий. В качестве локального свойства использовали твердость. Исследования проведены на разнообразных объектах, работающих в разных условиях: рессоры автомобилей с разным пробегом, фрагменты газопромысловых труб с разным сроком эксплуатации, несущие элементы козловых кранов, модельные образцы после усталостных испытаний. Таким образом, исследовалось влияние различных видов нагружения на значение энтропии.
Усталостные испытания проводились на установке УКИ-10М (величина нагрузки - 50 кг). Образцы испытывали на разное число циклов - от 2*103 циклов нагружения до разрушения при 2*104 циклов. Измерение твердости проводили по методу Виккерса (ГОСТ 2999-75) на твердомере ИУ-1000 (нагрузка 0,3 кг, время выдержки 10 с) и на переносном твердомере МЕТ-Д1А с записью по шкале Бринелля. Для расчета энтропии на каждом объекте было произведено 200 измерений.
Расчет структурной энтропии проводили по следующей формуле:
г. т
Д^стру = -Я I /(х1])\п/(х1])йх1]-,
Ь
где: Ху - величина ьго измерения локального свойства ]-ой серии замеров; Дх/) - функция распределения плотности вероятности; Я - универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/моль.
Далее, производилось сравнение значений энтропии на образцах в исходном состоянии со значением энтропии на образцах после наработки. На всех исследуемых объектах наблюдается рост значений энтропии после наработки и чем выше степень наработки изделия, тем больше значение энтропии относительно исходного состояния. Максимум роста энтропии относительно значения энтропии при исходном состоянии был зафиксирован на разрушенных образцах после усталостных испытаний - на 50% больше.
