Содержание к диссертации
Введение
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ . б
1.1. Гипотезы накопления повреждений 6
1.2. Периоды усталости II
1.3. Концепция коэффициента интенсивности напряжений . 14
1.4. Дискретный характер разрушения поликристаллических тел 19
1.5. Методы и средства исследования процесса роста усталостных трещин 27
Выводы. Постановка задачи исследования 32
2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ 34
2.1. Цель исследования 34
2.2. Объекты исследования 34
2.3. Усталостные испытания 38
Выводы 48
3. РАЗРАБОТКА ТОКОВИХРЕВОГО ПРИБОРА ТИТ-8 И СОЗДАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА АППАРАТУРЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ
РАЗВИТИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЕРИМЕНТА 49
3.1. Сущность метода измерений 51
3.2,. Структурная схема прибора ТИТ-8 для измерения усталостных трещин 52
3.3. Принципиальная схема прибора ТИТ-8 56
3.4. Конструкция накладного преобразователя 61
3.5. Конструкция прибора ТИТ-8 62
3.6. Порядок работы с прибором 65
3.7. Автоматизация измерений с помощью прибора ТИТ-8 . 68
3.8. Исследование технических характеристик разработанной аппаратуры 68
Выводы 77
4. ДИСКРЕТНЫЙ ХАРАКТЕР ПРОЦЕССА УСТАЛОСТИ МТЕРИАЛА ДІ6АТВ
ВО ВРЕМЯ ИНКУБАЦИОННОГО ПЕРИОДА 78
4.1.' Выбор режимов программных испытаний 79
4.2.! Результаты исследования зависимости остаточной
долговечности от циклической наработки на стадиях
инкубационного периода 83
Выводы 95
5. ВЛИЯНИЕ ДИСКРЕТНОГО ХАРАКТЕРА ПРОЦЕССА УСТАЛОСТИ
МАТЕРИАЛА ДІ6АТВ ВО ВРШЯ ИНКУБАЦИОННОГО ПЕРИОДА
НА КИНЕТИКУ РОСТА УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН 97
5.1. Исследование характеристик трещиностойкости материала ДІ6АТВ 97
5.2. Скачкообразный характер изменения скоростей роста усталостных трещин ЮІ
5.3. Исследование кинетики роста усталостных трещин при различных значениях предварительной циклической наработки 107
ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ 140
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 142
АКТ ВНЕДРЕНИЯ
- Гипотезы накопления повреждений
- Цель исследования
- Сущность метода измерений
- Выбор режимов программных испытаний
- Исследование характеристик трещиностойкости материала ДІ6АТВ
Введение к работе
Современный этап развития гражданской авиации характеризуется появлением воздушных судов повышенной пасеажировместимости, экономичности и надежности. Эти воздушные суда отличаются, в частности, чрезвычайно большим общетехническим ресурсом конструкции, предполагающим их эксплуатацию на протяжении десятков лет.
Для обеспечения столь больших ресурсов и сроков службы при полной безопасности эксплуатации в последние годы широко используются методы проектирования, обеспечивающие соблюдение принципа безопасного разрушения конструкции и позволяющие перейти на обслуживание техники по состоянию.
Эффективное использование указанных методов требует получения всеобъемлющей информации о закономерностях процессов усталостного разрушения металлов и элементов конструкций.
Важной особенностью усталостного разрушения является стадийность этого процесса, каждая стадия характеризуется определенными изменениями, происходящими в материале при циклическом нагру-жении.
В последние годы было показано, что эти изменения происходят по специфическим закономерностям, отражающим дискретный характер процесса разрушения реальных кристаллических материалов. Однако эта важная особенность разрушения не учитывается разработанными моделями накопления усталостных повреждений, что связано с трудностями непосредственного наблюдения изменений, происходящих в микрообьемах материала при циклическом нагружении, зависимостью этого процесса от множества факторов. Поэтому проблема больше изучалась с позиций решения практических задач с получением рекомендаций для конкретных объектов при определенном циклическом нагружении. Для решения таких вопросов накоплен обширный научный опыт изучения явлений методами косвенных исследований с привле- чением математического аппарата.
Необходимость повышения точности расчетных методов, а также углубления представлений о физической природе усталостного разрушения на стадии развития усталостных трещин делает весьма актуальным исследование дискретных процессов разрушения одного из самых распространенных в самолетостроении алюминиевого материала ДІ6АТВ.
Настоящая работа посвящена исследованию дискретных процессов усталостного разрушения алюминиевого материала ДІ6АТВ на инкубационном периоде и периоде роста усталостных трещин.
Учитывая важность получения объективной информации о процессе разрушения, значительная часть работы посвящена обоснованию методики и разработке аппаратуры для определения момента зарождения микротрещины и измерений растущей усталостной трещины.
В качестве объекта исследования были выбраны лабораторные образцы из листового плакированного материала ДІ6АТВ, испытание которых осуществлялось при двухступенчатом циклическом растяжении.
Происходящие в материале на первой ступени нагружения изменения оценивались по параметрам, полученным при испытании образцов на второй ступени нагружения. Такими параметрами являлись остаточная долговечность до зарождения микротрещины, живучесть образцов с трещиной и скорость роста трещины.
В результате проведенного исследования выявлено влияние компонентов сплава Діб на характер процессов усталости как во время инкубационного периода, так и в период роста усталостной трещины. Экспериментально показано, что кинетическая кривая роста усталостной трещины является разрывной функцией, состоящей из отдельных участков с постоянными скоростями. Определены характеристики спектра дискретных скоростей роста усталостных трещин.
Гипотезы накопления повреждений
Необходимость получения расчетных оценок долговечности конструкции при действии спектра нагрузок послужила толчком к разработке целого ряда гипотез накопления повреждений, использующих физические, энергетические, феноменологические и иные подходы [3-Ю]. Феноменологические гипотезы в настоящее время получили наибольшее распространение [її], они используют кривые усталости материалов, полученные при регулярных режимах нагружения. Возможность такого подхода заложена в ряде допущений, принимаемых исследователями:
- усталостное повреждение при некоторой амплитуде нагружения определяется числом циклов нагружения;
- возникающее повреждение остается неизменным ;
- полная повреждаемость равна сумме приращений повреждаемостей, производимых каждой нагрузкой.
Цель исследования
Выполненный в первой главе анализ теоретических и экспериментальных работ, посвященных усталости металлов и авиационных конструкций, позволил определить цель исследования.
Целью работы являлось исследование дискретных процессов усталостного разрушения алюминиевого материала ДІ6АТВ на стадиях инкубационного периода и периода роста усталостных трещин с использованием неразрушающего метода измерения растущей усталостной трещины.
class3 РАЗРАБОТКА ТОКОВИХРЕВОГО ПРИБОРА ТИТ-8 И СОЗДАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА АППАРАТУРЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ
РАЗВИТИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЕРИМЕНТА class3
Сущность метода измерений
Из теории электрических колебательных цепей [I3l] известно, что, если контур, обладающий активным сопротивлением R\ и реактивным сопротивлением Хі, индукционно связать с другим контуром, параметры которого г и Хг , то комплексное сопротивление первого контура примет вид где ад - круговая частота протекающего по цепи тока; М - коэффициент взаимоиндукции первого и второго контуров.
Вносимый в переменное магнитное поле катушки металлический образец аналогичен второму контуру. Векторы магнитных потоков полей этих контуров направлены встречно и электродвижущая сила в обмотке преобразователя пропорциональна разности потоков.
По соотношению (3.1) сложно количественно оценить влияние свойств образца на параметры контура, оно лишь показывает характер этого влияния.
Характерной особенностью метода вихревых токов является влияние многочисленных факторов на показания приборов: размеров и формы изделия, физико-механических свойств металла, величины воздушного зазора между преобразователем и поверхностью металла, толщины покрытий, несплошностей материала типа трещин и раковин и т.д.
При разработке методики измерения трещин принимались специальные меры для устранения отрицательного влияния указанных фак торов на результаты измерений.
Влияние величины воздушного зазора на показания прибора устранялись применением прокладки из диэлектрика фиксированной толщины, устанавливаемой между преобразователем и поверхностью образца. Прокладка также предотвращает возможность возникновения фреттинг-коррозии.
Влияние краевого эффекта используется для точной установки преобразователя относительно надреза, после установки преобразователь закрепляется на образце специальным держателем, расстояние от края надреза до преобразователя и величина воздушного зазора остаются постоянными в течение всего времени испытаний.
Все образцы были изготовлены из листового материала ДІ6АТВ одной плавки, что исключало влияние электропроводности на показания прибора.
При такой методике полное сопротивление накладного преобразователя изменялось только при увеличении в процессе эксперимента размера усталостной трещины, развивающейся в зоне надреза под преобраз ователем.
class4 ДИСКРЕТНЫЙ ХАРАКТЕР ПРОЦЕССА УСТАЛОСТИ МТЕРИАЛА ДІ6АТВ
ВО ВРЕМЯ ИНКУБАЦИОННОГО ПЕРИОДА class4
Выбор режимов программных испытаний
Выбор напряжений первой и второй ступеней нагружения осуществлялся на основании экспериментальных результатов, полученных при испытании пяти серий образцов типа А на пяти режимах регулярного нагружения при бт =179; 159; 139 ; 119 и 99 МПа и отнуле-вом цикле растягивающего напряжения.
С целью ускорения проведения эксперимента одновременно испы-тывались четыре образца с помощью приспособления, описанного в 2.3Д.
При проведении испытаний руководствовались следующей методикой определения моментов образования микротрещин to =0,01 мм с помощью прибора ТИТ-8.
На каждом из четырех образцов у центрального отверстия устанавливали в соответствии с 3.6 по два датчика преобразователя, подключенных к прибору ТИТ-8.
Периодически, через каждую тысячу циклов нагружения, автоматически осуществлялось измерение показаний прибора ТИТ-8. Информация регистрировалась на диаграмме самописца КСУ-4 и бланках цифропечатающего устройства Ф 595-КМ.
Изменение показаний цифропечатающего устройства на 33 единицы свидетельствовало об образовании под датчиком-преобразователем усталостной трещины длиной 0 =0,01 мм.
На рис.4.I приведены полученные кривые усталости, построенные по моменту образования первой из двух микротрещин С0 =0,01 мм.
При выборе режимов двухступенчатой программы исходили из следующих соображений. При в должна обеспечиваться остаточная долговечность до разрушения образцов без надрезов, в пределах (8...10) Кг циклов для возможности варьирования числом циклов предварительной наработки гС в широких пределах.
При напряжении 5 должна обеспечиваться остаточная долговечность до образования to =0,01 мм образцов с надрезом без предварительной наработки в пределах 10 ...3 10 циклов для того, чтобы можно было завершить испытание на второй ступени нагруже-ния без перерывов в течение двух смен работы.
Для статистической оценки полученных экспериментальных данных были рассчитаны вероятности образования микротрещин в образцах по формуле , где I - номер образца в вариационном ряду ; пг - число испытанных образцов.
На рис.4.2 приведены зависимости распределения циклической долговечности до образования микротрещины 2о =0,01 мм для описанных пяти серий испытаний.
Распределения хорошо согласуются с логарифмически нормальным законом распределения.
Проводилась оценка среднего значения и среднего квадратичес-кого отклонения логарифма долговечности.
class5 ВЛИЯНИЕ ДИСКРЕТНОГО ХАРАКТЕРА ПРОЦЕССА УСТАЛОСТИ
МАТЕРИАЛА ДІ6АТВ ВО ВРШЯ ИНКУБАЦИОННОГО ПЕРИОДА
НА КИНЕТИКУ РОСТА УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН class5
Исследование характеристик трещиностойкости материала ДІ6АТВ
Исследование проведено на образцах типа А на пяти режимах регулярного нагружения. Максимальные напряжения режимов нагружения составляли 179 МПа, 159 МПа, 139 МПа, 119 МПа и 99 МПа. Коэффициент асимметрии цикла нагружения во всех случаях равнялся нулю.
Для ускорения эксперимента одновременно испытывались четыре образца с помощью приспособления, описанного в разделе 2.3.
На каждом образце устанавливали по два токовихревых датчика-преобразователя. Установку датчиков в строго определенное положение относительно центрального отверстия-концентратора механических напряжений производили по показаниям прибора ТИТ-8. Для этого датчики перемещались вдоль взаимно-перпендикулярных осей X и У по методике, описанной в разделе 3.6. После нахождения необходимого положения датчики-преобразователи фиксировались до завершения испытания образца.
Чувствительность прибора ТИТ-8 выбиралась равной 75/u4 из условия измерений длин усталостных трещин вплоть до полного разрушения образца.
Прибором ТИТ-8 можно измерять трещины, длины которых превосходили диаметр датчика-преобразователя. При этом использовалась связь амплитуды раскрытия берегов трещины с ее длиной.
Градуировочный график приведен на рис.3.14.
Увеличение длины трещины на 0,03 мм при ее росте до 3,0мм, приводило к возрастанию показаний прибора ТИТ-8 на З/uA показаний самописца КСУ-4 - на f m А , показаний цифропечатающего устройства на 100 единиц.
При длине трещины, превышающей 3,0 мм изменение показаний прибора ТИТ-8 было связано с увеличением раскрытия берегов трещины. Поскольку раскрытие зависит от прикладываемой нагрузки, то при различных о были получены индивидуальные градуировоч-ные графики, они показаны на рис.3.14.
Прибор ТИТ-8 работал в комплексе с аппаратурой, автоматизирующей процесс измерений. Через каждую тысячу циклов нагружения от счетчика оборотов запускалось командное устройство, которое поочередно подключало на вход прибора все восемь датчиков-преобразователей. Показания прибора при этом регистрировались самописцем KG7-4 и цифропечатающим устройством.
