Введение к работе
Актуальность теми. Усталость материалов является наиболее частоЛ причине;": разрушения деталей машин и конструкций, подвергающихся циническому кагругекио.
Технологические и эксплуатационные дефекты могут привести к .сниаению характеристик сопротивления усталости металлов, что ' необходимо учитывать при определении свойств материалов и расчетах . на прочность для обеспечения высокой надежности и долговечности маенн и конструкций. 5та проблема особенно актуальна для современных касин в связи с увеличением их мощности, грузоподъемности и других параметров, приводящих к увеличении нагруаенности деталей машин, и при изготовлении которых используется высокопрочны? стали, обладающие, как правило, ловывенной чувствительностью к дефектам.
Структурная неоднородность и исходные дефекты поликристаллических металлических материалов приводят к зарождению усталостных тресин в отдельных локальных зонах материала на ранней стадии циклического нагрувения и доминирующему влиянию процесса развития трещины на сопротивление усталостному разрушению.
В связи с этим разработка и развитие методов исследования усталости металлов и расчета на прочность деталей машин и конструкций с учетом негодных, технологических и эксплуатационных дефектов типа трещин с единых позиций по критериям механики разрушения являются вааными научными и практическими задачами.
В настоящее время при исследовании ыногоцикловой усталости и расчетах на прочность деталей мавин и конструкций с учетом трепан зирско используется линейная механика разрушения (ЛМР). Однако подходы ЛМР из-за ограничений, обусловленных учетом лишь главного (сингулярного) члена полного решения упругой задачи о распределе-
нии напряжений в теле с трещиной, применимы когда характерный размер трещины презывае? протяяенность пластической зоны э эе вер-пике более чем з 50 раз. Лля ЗольшоЙ группа сталей трещины лротя-некнсстью uense 0,2-2 им (короткие треоины) не отвечают указанному условия, а пр/.менеиие подходов ЛМР к такчм трещинам празсдит к завышению оценок долговечности и разруаающнх напрявений.
-Для описания развития коротких усталостных трещин используют- ' ся подходы нелинейно;! механик;: разрушения. Однако их широкое практическое применение сдерзивается трудностями, связанными с необходимостью экспериментального определения соответствующих характеристик материала на образцах с коротки:-.! трещинами. Предложены такае модели, описывающие кинетику коротких трещин на основе под* ходов ЛМР. Во многих из них используется предел выносливости гладких образцов з качестве базовой характеристики модели, что исключает анализ таких образцов с позиций ме/лники разрувения. Кроме того, некоторый кз этих моделей ке отвечают принятым представлениям об усталостном разрувении металлов.
Цель работы. Основная цель работы состояла в разработке научных основ, аналитических и расчстно-экспер/.иентальных методов определения характеристик сопротивления многоцикловой усталости металлических материалов с учетом дефектов и поареадений типа трещин, имеющих небольшие размеры.
Научная новизна. Усовершенствованы подходы ЛМР с учетом несингулярных членов, входящих в полное решение упругой задачи о распределении напряаени.й вблизи вероииы трещины, и на их основе разработаны методы определения характеристик сопротивления усталости материалов с учетом исходных трещин различной протяиеккости.
На основе полоаения о связи кинетчки усталостной трещины с прстяаенностьа пластической зона в ее зегзине и оценок этой зоны с учетом несингулярных членов в качестве параметра, контролирувае-
го рост тресни произвольной длины, обосновано применение приведен-ного козійиці'.екта кнтексквностк капряіений d.y Характеристики цак-лическсЛ трекиностойхости, определяемые на основании параметра Kj, инвари&кгкы к размерам треккн и при заданных условиях испытаний является постоянными материала.
Установлены аналитические соотнесения, описывавшие связь предела 'выносливости материала с протяженность» треьины и механическими характеристика^-, материала. На основе этих соотновений предложено обебшенное уравнение, которое описывает единой кривой зависимость предела выносливости различных материалов от протягенкос-тк трецин. Показано, что применительно к гладкий стальиыи образиаи диам. 7-Ю ыы расчетные значения предела выносливости хорово согласуется с экспериментальными результатами при представлении исходных дефектов материала в виде тресин. протяаенность которых сопоставима с рез»ерами характерного элемента микроструктуры.
Сбссковаио и экспериментально подтверядело половенис об описании с достаточной для практических целей точностью единой кривой (обобаеннзя кризая усталости) связи ыеаду долговечностью образцов с исходными трееккамк различно!: протякекнзети и приведенным коэф-іициектсм интенсивности нзпрягекпй К,. Ссобаенная кривая усталое-
ти объединяет традиционные подходы и методы механики раэрувеккя при представлении характеристик сопротиаления усталости.
Разработаны рзечетно-эксперименталыше методы определения характеристик сопротивления усталости объекта (образца) с учетом его индивидуальных свойств путем определения протяьенности начальной трсиины по обобщенной кривой усталости.
Установлены аналитические соотношения для описания диаграмм предельных амплитуд напрявеиии для тел с исходными трещинами различное проткЕснности и зависимости коэффициента чувствительности
--предела выносливости к асимметрии цикла напрякекий Vq* ст размеров трещин, механических л циклических характеристик материала. Применительно к телам с гладкой поверхностью получено аналитическое соотношение, связывающее коэффициент Vtf с относительным уровнем предела выносливости тела при сиимегричном цикле &-//т. Проведен анализ влияния абсолютных размеров поперечного сечения образцов на предел выносливости при асимметричных циклах наг-рувения. Показано, что масштабная зависимость предела выносливости металлических материалов усиливается при переходе от симметричного цикла нагрунения к асимметричным со средними растягивающими напряжениями.
Практическая значимость. Показана возмовность описания кинетики физически коротких трецин через характеристики циклической тре-щиностойкости материала, определяемые по принятым методикам на образцах с большими трещинами.
Получены аналитические зависимости, устанавливающие количественную связь характеристик сопротивления усталостному разрушению с трещиной произвольной длины.
Определение коэффициента чувствительности предела выносливости к асимметрии цикла нагруаения ^ через параметр v.//(jr позволяет учесть влияние различных факторов (свойств материала, технологии изготовления деталей и образцов, условий их эксплуатации к испытаний и т.д.) на величину У^.
Разработанные и защищенные авторскими свидетельствами на изобретения расчетно-экспериментальные методы определения характеристик сопротивления усталости, базирующиеся на обобщенной кривой усталости, позволяют построить кривую усталости по результатам испытаний одного образца в области ограниченной долговечности, а такне значительно сократить количество образцов и время их испытаний при
исследовании рассеяния характеристик сопротивления усталости.
Представление в виде трещин локальных зон материала, в которых инициируется усталостное разрувение, и рассмотрение этих трещин в качесиве одной из основных характеристик материала, влияющих на усталостные свойства гладких образцов, дает возмояность допускать наличие трещин определенных размеров в деталях машин и конструкций.
Разработаны рекомендации по расчетам на прочность деталей ыа- -вин и конструкций с учетом технологических дефектов и эксплуатационных повреждений типа трещин, имеющих "геболызие размеры. Представлены диаграммы для определения коэффициента запаса прочности по длине трещины п. при заданных значениях коэффициента запаса прочности по напряаениям rig и протяиенности обнерузенных дефектов и поврендений, а такае диаграммы для определения протлвенности допускаемых дефектов по заданным значениям п^ и п»
Результаты диссертационной работы использозаны при разработке отраслевого регламентирующего документа РТМ 108.242.02-83 "Турбины гидравлические радиально-осевые. Методы расчета ка прочность рабочих колес" (НПО ЦКТИ), проектировании и изготовлении рабочих колес мощных гидротурбин на ПОТ ЛМЗ. Экономический э44>ект от внедрения результатов раббты составил около 300,0 тыс. руб. в ценах 1982-1983 годов.
Апробация работы. Основные полоаения и результаты работы докладывались на: 'Всесоюзном симп. "Прикладные вопросы механики разрушения в машиностроении" (г. Ленинград, 1977 г.), семинаре "Проблемы разрушения металлов" секции металловедения и термической обработки при МДЬ'ТП (г. Москва, 1979 и 1985 г.г.), I Республиканской конференции по поьшению надекности н долговечности машин и соорувений 1г. Киев, 1982 г.), научно-техническом семинаре "Применение «ездкики разрушения для оценки эксплуатационной надеанос-
ти сварочных соединений и-конструкций" (г. Ленинград, 1983 г.), IV и V Всесоюзных симпозиумах по малоцикловой усталости (г. Краснодар, 1933 г., г. Волгоград, 1987 г.), IX конференции по усталости металлов (г. Москва, 1986 г.), XXII Всесоюзном научном совещании по проблемам прочности двигателей (г. Москва, 1S88 г.), совещании "Проблемы комплексной оценки повреадаемости и предельного состояния силовых систем" (г. Гомель, 1990 г.).
Публикации. Основные результаты, иэлохенные в диссертации,-опубликованы в 26 печатных работах, в т.ч. в 3 авторсхих свидетельствах на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов."списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 292 страницах, содержит 98 иллюстраций и 9 таблиц. Список литературы включает 2S3 наименования.
