Содержание к диссертации
Введение
I. Анализ существующих подходов к определению долговечности деталей машин и элементов конструкций при стационарных и нестационарных режимах циклических нагружений 2
1.1.Исследование механизмов повреждения деталей машин и элементов конструкций 4
1.2. Модели повреждения технического объекта 20
1.3 Стохастические модели повреждения 49
1.4. Постановка задачи исследования 61
II. Изучение кинетики усталостного повреждения конструкционных ма териалов при стационарном и нестационарном нагружений 63
2.1. О роли микропластических деформаций в развитии усталостных повреждений 63
2.2. Оценка усталостной долговечности конструкционной стали с учетом ее индивидуального неупругого поведения при циклическом нагружений 69
2.3. О критериях поврежденности конструкционных материалов при циклическом нагружений 78
2.4. О периодах усталости в кинетике накопления металлом усталостных повреждений 85
2.5. Прогнозирование долговечности конструкционных материалов при стационарном циклическом нагружений 88
2.6. Учет истории нагружения при нестационарном циклическом деформировании 93
2.7. Влияние кратковременных циклических перегрузок на усталостную прочность углеродистых сталей 97
2.8. Оценка демпфирующей способности конструкционного материала, как фактора способствующего снижению его напряженности при циклическом нагружений 103
2.9. Назначение оптимальных режимов циклической тренировки материала с целью повышения его усталостной прочности и демпфирующей способности 112
Выводы к главе 2 115
III. Прогнозирование долговечности материала в условиях поврежденности от переменных нагрузок 117
3.1. Нелинейная модель суммирования повреждений с инкубационным периодом 117
359
3.2. Моделирование усталостной долговечности с учетом механизмов упрочнения и разупрочнения структуры металла 138
3.3. Влияние поврежденности металла на изменение параметров базовойкривой выносливости 148
3.4. Функциональная схема оценки усталостной долговечности конструкционного материала при нестационарном нагружении 155
3.5 Прогнозирование надежности и долговечности углеродистых сталей при статистическом моделировании случайного внешнего нагружения 158
Выводы к главе 3 164
IV. Прогнозирование долговечности материала при блочном нагружении и с учетом смешанного механизма поврежденности 166
4.1 .Влияние нерегулярности циклического нагружения на долговечность материала 166
4.2. Долговечность материала при нерегулярном нагружении с «пиковыми» перегрузками 176
4.3. Оценка ресурса деталей машин при блоковом нагружении 181
4.4. Сравнительная оценка поврежденности конструкционных материалов при блоковом нагружении по различным моделям суммирования 187
4.5. Оценка усталостной поврежденности металла с учетом смешанного механизма разрушения 194
4.6.0ценка долговечности металла на основе деформационно-энергетических критериев поврежденности 202
Выводы к главе 4 211
V. Ползучесть, релаксация напряжений, усталостное разрушение конструкционных материалов при циклическом нагружении 214
5.1. Методические особенности изучения ползучести и релаксации напряжений при циклическом нагружении 216
5.2. Напряженное состояние и концентрация напряжений в резьбовых соединениях 222
5.3. Характеристики ползучести и релаксация напряжений при циклическом деформировании 226
5.4. Релаксационная стойкость и усталостная прочность резьбовых элементов из титановых сплавов при циклическом нагружении 229
5.5. Изучение процесса циклической ползучести резьбовых элементов 241
5.6. О связи характеристик релаксации напряжений и ползучести при циклическом нагружении 243
5.7. Оценка релаксационной стойкости резьбового соединения (типа шпильки) 250
5.8.Влияние упрочняющих обработок на релаксационную стойкость резьбовых элементов из титановых сплавов 252
5.9. Исследование процесса циклической релаксации напряжений титановых сплавов при повышенных температурах 263
5.10. О назначении оптимальных усилий затяжки резьбовых элементов в зависимости от режимов циклических нагружений 273
5.11.Оценка надежности резьбового соединения при переменном нагружений 277
Выводы к главе 5 283
VI. Прогнозирование долговечности материала в условиях механического изнашивания и усталостного повреждения 287
6.1. О кинетике повреждения деталей тракторов серии ДТ и ВТ в процессе эксплуатационной нагружения 287
6.2. Вероятностное прогнозирование долговечности детали на основании статистической информации в эксплуатации 297
6.3. Анализ нагруженности механизмов и элементов трансмиссии сельскохозяйственных тракторов серии ДТ и ВТ 303
6.4. Моделирование повреждения деталей сопряжения (ПМП) в условиях износа и контактной усталости 307
6.5 Изучение повреждения гусеничной цепи тракторов серии ДТ в процессе эксплуатационной нагружения 314
6.6 Долговечность пальцев гусеницы в условиях переменных нагрузок и абразивного изнашивания 321
Выводы к главе 6 330
Основные выводы 331
Список литературы
- Стохастические модели повреждения
- О критериях поврежденности конструкционных материалов при циклическом нагружений
- Влияние поврежденности металла на изменение параметров базовойкривой выносливости
- Оценка ресурса деталей машин при блоковом нагружении
Введение к работе
В диссертации рассмотрены вопросы, связанные с решением крупной научной проблемы оценки и прогнозирования долговечности и надежности конструкционных материалов и деталей машин в условиях реализации различных механизмов поврежденности при регулярном и нерегулярном переменном нагружении.
Актуальность темы: В современных условиях возрастают сложность проектируемых технических объектов, величина их нагруженности, интенсивность эксплуатации при различных воздействиях внешней среды. В условиях жесткой конкуренции разработчики новых технических изделий стремятся с максимальной точностью прогнозировать их долговечность, «закладывая» минимальные запасы прочности для обеспечения заданного срока службы. Поэтому актуальной проблемой является обеспечение надежности проектируемого объекта, сохранение его работоспособности в устанавливаемые сроки эксплуатации.
Для сокращения периода создания нового изделия, наряду с его испытаниями в условиях реальной эксплуатации, на специальных полигонах и в стендовых условиях, в настоящее время интенсивно используются расчетные методы, позволяющие оценить долговечность будущего изделия еще на этапе проектирования. При этом возрастают требования к математическому аппарату прогнозирования, физическим и математическим моделям, описывающим повреждение материала в различных условиях внешнего воздействия.
Указанные задачи инициируют изучение кинетики повреждения материала при регулярной и нерегулярной нагруженности, происходящих в структуре металла изменений, приводящих в итоге к его разрушению. Такая направленность исследований способствует увеличению точности оценки долговечности изделия, определяющей срок службы проектируемого или эксплуатируемого технического объекта.
Целью работы является разработка инженерных методов оценки и прогнозирования долговечности материала и деталей машин при регулярном и нерегулярном нагружении на основе нелинейных моделей накопления повреждений с учетом различных механизмов поврежденности.
Для достижения этой цели были поставлены для решения следующие основные задачи:
-
Провести исследования видов повреждения материалов и конструктивных элементов в условиях регулярной и нерегулярной загруженности с целью выявления общих закономерностей, определяющих их разрушения.
-
Разработать модели накопления повреждений, учитывающих соответствующие механизмы поврежденности и методику оценки долговечности материала при регулярной и нерегулярной загруженности на основе вероятностной модели накопления поврежденности.
-
Провести анализ эксплуатационной поврежденности реальных деталей из различных конструкционных материалов и оценить вероятностную долговечность их разрушения с учетом различных механизмов и предложенных моделей поврежденности. Сравнить полученные результаты со значениями прогнозируемой долговечности по другим моделям суммирования.
-
Проанализировать особенности повреждения различных конструкционных материалов в условиях ползучести и релаксации напряжений при циклическом нагружении и оценить надежность работы резьбовых элементов как составных частей многих машин. Предложить общий подход к оценке долговечности материалов при реальной эксплуатационной загруженности на основе комплексной оценки износоусталостной поврежденности.
Методологией исследования является детерминированно-вероятностный подход к изучению поврежденности конструкционных материалов по различным механизмам в условиях переменной загруженности.
Теоретические исследования базируются на основных положениях теории неупругости и усталости материалов на этапе накопления рассеянных повреждений. Экспериментальные исследования проводились как на образцах из конструкционных материалов при переменной загруженности, так и путем изучения кинетики повреждения натурных деталей в условиях нормальной эксплуатации.
Научная новизна заключается в следующем:
разработана методика контроля поврежденности индивидуально взятых образцов из различных конструкционных сталей на основе развития неупругих процессов в материале при изгибных циклических нагружениях;
установлен факт благоприятного влияния начальной кратковременной циклической перегрузки на циклическую прочность и демпфирующую способность сталей. Предложен способ упрочнения материала и деталей машин кратковременной циклической перегрузкой. Оценены оптимальные значения такой перегрузки и ее продолжительности с целью получения необходимого эффекта;
на основе полуфеноменологического подхода предложены и апробированы нелинейные модели накопления повреждений металлами при регулярном и нерегулярном нагружении, способствующие при минимальном числе структурно-чувствительных параметров учитывать различные механизмы поврежденности и факторы, влияющие на их долговечность;
разработана и апробирована детерминированно-вероятностная методика оценки долговечности материала при блоковом нагружении, аппроксимирующем спектр эксплуатационного нагружения деталей. Проведен сравнительный анализ влияния на долговечность различных факторов по разным моделям поврежденности;
на основании рассмотренных моделей проведен анализ механизмов поврежденности резьбовых элементов из титановых сплавов при циклическом нагружении. Оценены критериальные параметры, определяющие ползучесть, релаксацию напряжений и усталость этих элементов при различном внешнем воздействии. Предложена методика оценки надежности и долговечности резьбовых элементов и соединений при переменном нагружении;
разработана и предложена методика оценки вероятности разрушения деталей машин в условиях накопления износоусталостных повреждений при эксплуатационном нагружении с целью выявления деталей и сопряжений, лимитирующих ресурс механизма на разных этапах эксплуатации.
Достоверность результатов экспериментальных исследований подтверждена: применением научно обоснованных методик оценки развития неупругих явлений сопротивления усталости; применением поверенного лабораторного оборудования; данными эксплуатационных повреждений деталей машин. Для теоретических исследований достоверность результатов достигнута использованием научно обоснованных расчетных схем, подтвержденных экспериментами; применением современных математических программных средств; соответствием результатов исследований, полученных автором, данным экспериментов других исследователей.
На защиту выносятся теоретические и экспериментальные основы оценки и прогнозирования долговечности и надежности конструкционных материалов и деталей машин, испытывающих в эксплуатации регулярное и нерегулярное циклическое нагружение, включающее:
системный анализ поврежденности на разных масштабных уровнях конструкционных материалов и деталей машин, с выбором и обоснованием критериев поврежденности, основных факторов, влияющих на их кинетику при циклическом нагружении;
разработку методик и способов упрочнения материалов и деталей машин с целью повышения циклической прочности и демпфирующей способности материалов и деталей, повышающих надежность их работы при наличии незапланированных пиковых перегрузок;
постановку задачи и разработку полуфеноменологических моделей поврежденности с учетом различных механизмов разрушения, факторов, влияющих на этот процесс, характера внешнего циклического нагружения, позволяющих повысить достоверность прогнозирования долговечности до предельного состояния;
новые методики оценки релаксационной стойкости и циклической прочности резьбовых элементов и соединений на основе введения критериальных параметров, обеспечивающих оценку кинетики поврежденности при наличии разных механизмов выделения пластической деформации;
подход к построению моделей поврежденности деталей машин и механизмов при механическом изнашивании и усталости, позволяющий проведение системного анализа и выбора деталей, лимитирующих ресурс машины на разных этапах эксплуатации;
результаты апробации методик, математических моделей, алгоритмов расчетов, предложенных в работе.
Практическая ценность и реализация результатов работы:
-
Предложен для практики способ обработки стальных деталей начальной кратковременной циклической обработкой, позволяющей повысить демпфирующую способность материала, без снижения его циклической прочности, что может явиться важным резервом повышения надежности работы и уменьшения динамической напряженности деталей машин при колебаниях.
-
На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана методика оценки долговечности материала при регулярном и нерегулярном нагружении в рамках нелинейного подхода к определению накопления повреждений. Предложенная методика позволила выявить закономерности развития в материале рассеянных повреждений, классифицировать механизмы поврежденности, выработать конструкторские и технологические меры по обеспечению нужного ресурса.
-
Разработанная методика оценки критериальных параметров повреждения при ползучести, релаксации напряжений и усталости резьбовых элементов дает возможность проводить сравнительный анализ применения различных конструкционных материалов для изготовления резьбовых элементов и отработки технологии их изготовления.
-
Предложенная методика оценки долговечности реальных деталей на основании рассматриваемых моделей и данных по эксплуатационной загруженности позволит прогнозировать долговечность до предельного состояния, когда эксплуатация изделия уже нецелесообразна, выявить «слабые» места изделия, предлагать мероприятия по повышению его надежности и оптимизации технологий их изготовления. Все расчетные оценки долговечности реализованы в виде программных продуктов.
-
Результаты проведенных научных исследований внедрены на ряде машиностроительных предприятий г. Волгограда (акты внедрения прилагаются ).
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены: на VI Международной конференции «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения», Санкт-Петербург, 2005 г. ; II Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи», Самара , 2005 г.; III и IV Всероссийских конференциях «Инновационные технологии в обучении и производстве», Камышин, 2005-2007 гг.; IV Международном междисциплинарном симпозиуме «Фракталы и прикладная синергетика ФИПС-2005», Москва, 2005 г.; Международной конференции «Прогресс транспортных средств и систем-2005», Волгоград , 2005 г.; IX Miedzynarodowe Sympozium 1PMiT “POJAZDY-2005”, RYNIA, Poland, 2005 г., Mechanical Fatigue of Metals: Procuding of the 13-th Jnternational Colloguium (MFM), Ternopil (Ukraine) , 2006 г.; Международной конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий в инновационных проектах (Инноватика), Сочи, 2006-2007 гг.; 3-й научно-практической конференции «Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий (ИНФО-2006), Сочи, 2006 г.; Международной конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине», Волгоград, 2006г.; Международной научно-практической конференции «Научное обеспечение национального проекта «Развитие АПК», Волгоград, 2007 г.; I-й Международной конференции «Деформация и разрушение материалов» (DFM-2006)», Москва, 2006 г.; III-й Международной конференции «Проблемы динамики прочности в газотурбостроении», г. Киев (Украина), 2007 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано: статей в центральных и зарубежных научных рецензируемых изданиях и сборниках, входящих в «Перечень периодических научных и научно-технических изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертации на соискание ученой степени доктора наук» - 16; статей в журналах, сборниках трудов Международных, Всероссийских и региональных научно-технических конференций – 26; авторских свидетельств на изобретения – 2.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из 6 глав, основных результатов и выводов, списка используемых источников из 310 наименований, содержит 359 страниц текста, 166 рисунков, 26 таблиц.
Стохастические модели повреждения
Модели повреждения, включающие эффект закрытия трещины и другие подходы представлены в работах [144-153].
Таким образом, модели прогнозирования долговечности на основании кинетики роста трещины используются в основном для оценки остаточного ресурса элементов конструкций и сравнительного анализа поведения различных материалов на стадии роста трещины. Для более точных прогнозов требуется большой объем фактической информации о поведении конкретных материалов в различных условиях нагружения при наличии развивающейся трещины.
Для расчета процесса распространения трещины при нестационарном переменном или случайном нагружении, используя данные о ее перемещении с постоянной амплитудой напряжения, необходимо принять модель суммирования повреждений и правило интегрирования цикл за циклом длины трещины на основании зависимости da/dN от ЛК . Как отмечается в работе [35], чаще всего в таких моделях используется линейное правило суммирования, которое имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что оно не учитывает взаимодействие циклов нагружения с малой и большой амплитудами и их влияния на скорость распространения трещин. Следует отметить, что в равной мере при оценке распространения трещины имеют место и неопределенности, связанные с разбросом данных о нагружении с постоянной амплитудой, случайностью процесса эксплуатационного нагружения и недостаточностью знаний об истории нагружения и т.д. Все это снижает точность расчета жизни технического элемента с трещиной. Однако недостатки, свойственные линейному суммированию, дают результаты с повышенной надежностью, поскольку положительные перегрузки приводят к эффекту торможения трещин.
Для повышения точности и надежности прогноза развития трещины отмечается необходимость оценки развития трещины описанием поля остаточных напряжении при вершине трещины и определения закрытия вершины трещины или то и другое вместе [35]. Это возможно при использовании вычислительных машин для расчета полей напряжений от цикла к циклу, при условии имитации эксплуатационных нагрузок. Критерием положительности полученных результатов является сравнение с данными распространения трещин в эксплуатации уже действующих конструкций. Данные по взаимодействию нагрузок и торможению трещин, эффект закрытия трещин при разгрузке [141- 142] пока еще не могут способствовать выводу о решении задачи оценки долговечности конструкции с трещиной при нестационарном нагружении. Эти работы нуждаются в дальнейшем развитии.
Деформационный и энергетический подход к оценке поврежденности материала. Одним из методов оценки поврежденности материала деталей и элементов конструкций, имеющих более полное физическое обоснование, является разработка деформационных и энергетических критериев поврежденности металлов. Деформационные и энергетические критерии повреждения металлов и сплавов основаны на изучении одного и того же явления - неупругости металлов, в связи с чем в ряде случаев они качественно совпадают и их разделение является весьма условным. Деформационные критерии основаны на связи процесса повреждения металла при переменном нагружении с величиной неупругой деформации за цикл ЛБ, оцениваемой по петле механического гистерезиса, а энергетические - на выделяемой при этом необратимо рассеянной энергии.
Обстоятельный анализ деформационных и энергетических критериев дан в работах Трощенко [154,155]. Большинство деформационных критериев основано на использовании зависимости Коффина-Мэнсона [156,157], установившей взаимосвязь между неупругой деформацией за цикл Лен и числом циклов до появления трещины Nр в малоцикловой области в виде
В работе [158] показана возможность использования уравнения (1.37) для прогнозирования долговечности в многоцикловой области усталости. Учитывая малую величину неупругой деформации в этой области, в качестве параметра ответственного за разрушение материала рассматривают полные деформации. Была предложена зависимость [159] для оценки долговечности с учетом полной деформации єа: .= «,+ „ = (2Np)f+ef(2Npy, (1.38) где первое слагаемое устанавливает зависимость между амплитудой упругой деформации єау и числом циклов до разрушения Nр, а второе — зависимость между неупругой деформацией єан и числом циклов до разрушения N по формуле Коффина- Мэнсона, af, sf- коэффициенты усталостной прочности и пластичности, Ъ и с - постоянные, Е - модуль нормальной упругости. Значение коэффициентов crf, sf и постоянных Ъ и С для различных классов материалов даны в [155].
О критериях поврежденности конструкционных материалов при циклическом нагружений
Известно, что вследствие развития неупругости при усталостных испытаниях на изгиб, может быть разница между действительными и номинальными напряжениями в наружных волокнах при одних и тех же значениях максимальной деформации [180]. В ходе увеличения числа циклов, микропластическая деформация, имеющая место в наружных волокнах, будет постепенно распространяться на некоторую глубину. Следовательно, если рассматривать поперечный изгиб образца, то в нем выделяются поверхностные слои с различной интенсивностью микропластической деформации, т.е. слои металла, имеющие различную ширину гистерезиса. Таким образом, измеряемый при изгибе дефект модуля материала будет некоторой осредненной величиной, отнесенной ко всему объему материала. Как показали расчеты [180] действительные значения дефекта модуля, отнесенные к деформации наружного поверхностного слоя могут быть больше осредненного его значения по секущему модулю . Однако характер его изменения в зависимости от циклического напряжения аналогичен изменению осредненного дефекта модуля.
Приведенные закономерности изменения широкого комплекса физико-механических свойств, как и установленная выше закономерность выборочного повреждения зерен усталостными полосами, указывают на то, что все эти изменения вызываются одной общей причиной, связанной с локальным микронеоднородным деформированием. Причем во всех случаях выделяется совпадающий по времени инкубационный период, прохождение которого необходимо для малоуглеродистых сталей, чтобы началась резкая интенсификация микропластических деформаций.
Трудно предполагать, что периоды, связанные с различными механизмами повреждаемости следуют друг за другом, заканчивается один процесс начинается другой. Локальное микронеоднородное деформирование приводит к тому, что различные конгломераты зерен, структурных элементов в текущий момент времени могут находиться на разных стадиях развития усталостных повреждений, наложение которых друг на друга определяет интегральную характеристику разделения периодов усталостного повреждения.
На рис.2.13 показано развитие неупругих свойств сталей 40 и У8 в нормализованном состоянии при чистом изгибе с вращением в многоцикловой области. Заштрихованная область, это область до зарождения трещины, построенная с помощью методики Френча (штриховая линия кривая Френча). Неупругие явления проходящие в металле под нагрузкой выше рассматриваемой области уже сопровождаются наличием в локальных областях материала повреждений, приводящих к развитию в структуре материала микротрещин и его разрушения при напряжениях выше предела усталости сг_]. Для стали 40 этот период, согласно рисунку, может быть ассоциирован с развитием микропластических деформаций, приближающихся к насыщению (при данном числе пластически деформированных объемов от 8 до 20%) . Для стали У8, такие повреждения в металле возникают раньше, при соответствии пластически деформированных объемов в упругой матрице от 5 до 10% при тех же уровнях перегрузки. Это свидетельствует о том, что появление усталостных трещин зависит не только от уровня развития микропластических деформаций, но и от структурного состояния материала и его индивидуальных свойств.
Кинетика микропластических деформаций для исследуемых материалов при построении кривой Френча показана на рис.2.14. После наработки на первом уровне напряжения (кривая 1) осуществляется переход на предел выносливости (кривая 2). Если на второй ступени нагружения происходит разрушение, то уменьшают продолжительность работы материала на первой ступени и снова спускаются на предел выносливости до тех пор, пока разрушения не будет. Такая продолжительность на первой ступени нагружения соответствует одной точке на кривой Френча (точка А для стали и точка В для стали У8, см. рис.2.13 и 2.14). Отметим, что при переходе нагружения на предел выносливости сг_1, уровень развития микропластических деформаций на этом напряжении зависит от предыдущего значения єп/є на первой ступени нагружения. В области развития микротрещин усталости образцы разрушались, а в области обратимых повреждений, до зарождения трещин, уровень развития микропластических деформаций на пределе выносливости сг_, после тренировки на 1-ой ступени нагружения значительно повысился.
Рассматривая стадийность усталостного процесса как упрочнение и разупрочнение локальных микрообъемов металла, на основании измерения микротвердости исследуемых марок сталей, было установлено, что для стали 40 (рис.2.15 кривая 1) превалирующим является упрочнение структуры материала. Зарождение дефектов, приводящих к развитию микротрещин, происходит в момент насыщения микротвердости и последующего разупрочнения структуры. Для стали У8 (рис.2.15 кривая 2) превалирующим процессом является разупрочнение структуры. После непродолжительного увеличения микротвердости материала наблюдается резкое его падение до -30%.
Кинетика развития микропластических деформаций при построении кривой Френча для стали 40 (а) и У8(б) знакосимметричный изгиб с вращением, Ja=l, /5сг_/.
Максимум разупрочнения соответствует моменту зарождения дефектов, приводящих к развитию трещин, которые развиваются при общем незначительном упрочнении структуры металла.
Таким образом, при разработке моделей усталостного повреждения металлов, особенно при нерегулярном нагружении, необходимо учитывать кинетику изменения свойств материала в процессе циклического нагружения, проявляющуюся в стадийности процесса усталости и связанную с д н„/н .% А "V S 20 N А N гг Гі 10 і 1ЇҐ и \1 ми , 1 Ї п ?п 1 1 30 1і " 2 Рис.2.15. Изменение микротвердости АН /Н стали накоплением в его структуре рассеянных повреждений. Введение в модели суммирования усталостных повреждений структурно чувствительных параметров позволит уточнить оценку ресурса деталей машин и элементов конструкций. Разделение усталостного процесса на стадии накопления рассеянных повреждений (до зарождения трещин) и стадию роста и распространения трещины вызвало к развитию линейную и нелинейную механику разрушения металлов, описывающую вторую стадию. Эта теория в настоящий момент успешно используется для оценки остаточного ресурса работающих при циклическом нагружении деталей машин и конструкций. Однако, в жизненном цикле технического объекта, эта стадия может занимать, в зависимости от напряженности 15-20% от общего ресурса. Поэтому основная продолжительность работы материала технических элементов связана со стадией рассеянных повреждений. Последующий анализ усталостного повреждения материала в данной работе будет связан именно с этой стадией усталости.
Влияние поврежденности металла на изменение параметров базовойкривой выносливости
Таким образом, обобщение нелинейных моделей суммирования усталостных повреждений и связи с ними физических представлений о природе усталости позволило предложить общую формулу усталостных повреждений с учетом структурночувствительных параметров материала. Показано, что линейная гипотеза суммирования усталостных повреждений вытекает из этого уравнения, как частный случай, принимая вполне определенный физический смысл. Для обоснования приведенных выше параметров усталостного повреждения металлов, надо провести анализ с наиболее общих позиций, так как многообразие их указывает, что не все показанные выше параметры могут быть главенствующими.
С помощью уравнения (3.14) проведем анализ влияния темпа накопления усталостных повреждений на суммирование относительных долговечно-стей при нестационарном испытании металлов. Основная сложность при описании поведения материала при нестационарном режиме нагружения заключается в правильном выборе величины структурно чувствительного параметра т, характеризующего темп накопления усталостных повреждений. Таких сведений в литературе недостаточно. Основываясь на экспериментальных данных по интенсивности повреждений зерен феррита углеродистых сталей полосами скольжения, авторы работы [22] принимают функцию dD/dn затухающей, и в первом приближении тс = -1. Другие авторы описывают циклические режимы нагружения только ускоренным темпом повреждения [128] или линейным [81].
В зависимости от темпа развития неупругих деформаций и рассеяния энергии [34,219], отражающих в определенной мере темп накопления усталостных повреждений, а также по отношению величины предела прочности аь к пределу текучести т0, [238, 239], материалы делятся на циклически упрочняющиеся, разупрочняющиеся и циклически стабильные. Так в работе было показано, что стали с отношением сг6/сг02 1,6 являются циклически упрочняющимися, с сгь/сг02 1,2 - разупрочняющимися, 1,6 crb/cr02 1,2 - стабильными. Учет такого разнообразия свойств металлов находит свое отражение в теориях суммирования усталостных повреждений, в основном, в малоцикловой области, однако в теориях суммирования усталостных повреждений в многоцикловой области этот факт не нашел еще своего должного места. Вероятно, одной из причин большого количества моделей суммирования усталостных повреждений в многоцикловой области и определяется разнообразием поведения различных материалов при циклической нагрузке, еще не учитывающих темпа развития микропластических деформаций.
Было проведено широкое целенаправленное исследование по оценке темпа накопления усталостных повреждений различными материалами. Для этого использовались результаты экспериментов по двухступенчатому режиму нестационарных нагружений для различных углеродистых сталей, проведенных как в нашей лаборатории, так и исследования ряда авторов по литературным источникам.
Для уменьшения влияния статистического разброса результатов усталостных испытаний на получаемые расчетные данные, на каждом режиме нестационарного нагружения нами испытывалось не менее 10 образцов. Опытные данные по нестационарным испытаниям, взятые из литературных источников, брались только такие, в которых имелись сведения об испытании на одном режиме не менее 10 образцов. Результаты экспериментов обрабатывались в предположении отсутствия влияния наследственных свойств материала, поскольку данные по этому вопросу отсутствуют в литературных источниках. По результатам испытаний материала при трех различных режимах нестационарных циклических нагружений в области ограниченной выносливости по уравнению (3.14) проводилась оценка величин т, а, и в. Затем полученные данные распространялись на другие режимы нагружения,
Из таблицы 3.1 видно, что большинство углеродистых сталей тяготеют к затухающему темпу накопления усталостных повреждений (тс 0), хотя имеется сталь 12ХНЗА с явно выраженным ускоренным темпом накопления повреждений тс = +1. Накопление усталостных повреждений алюминиевым сплавом Д16Т близко к линейному темпу (тс = о).
Приведенные выше результаты исследований значений параметра тс, входящих в общее уравнение по суммированию усталостных повреждений были подтверждены расчетами остаточной долговечности для других режимов двухступенчатых испытаний этих материалов.
Таким образом, предложенное общее уравнение (3.14) суммирования усталостных повреждений при двухступенчатом нагружении дает возможность более полно описывать поведение материала при нестационарных режимах нагружения с учетом конкретных его свойств. К сказанному добавим, что, несмотря на полуфеноменологические приемы, на которых основывается вывод уравнения (3.14), анализ его позволяет глубже понять физический смысл поведения материала при нестационарных нагружениях и в ряде случаев физически обосновать даже линейную модель суммирования усталостных повреждений, вытекающую из этого уравнения, при определенном соотношении параметров тс, а, Ь.
Общее уравнение суммирования усталостных повреждений (3.14), учитывающее структурно чувствительные параметры материала позволяют описать поведение каждого конкретного материала при нестационарном нагружении, со свойственным только ему темпом накопления усталостных повреждений. Несомненно, что если мы заранее знаем, к какому классу относится материал по темпу усталостного повреждения (циклически упрочняющийся, разупрочняющийся или циклически стабильный), то сможем упростить полученное выражение, уменьшая число явно входящих в уравнение (3.14) параметров, до двух или даже одного, вводя некоторый обобщенный темп накопления усталостных повреждений для данного класса материалов.
Оценка ресурса деталей машин при блоковом нагружении
Конечно, к прогнозированию долговечности материала при малых значениях полноты спектра V и больших базах до разрушения следует относиться с осторожностью, поскольку на этих базах (гигацикловая усталость) может наблюдаться смена механизма накопления поврежденности и перелом кривой выносливости [29]. Однако, несомненно, такая оценка при нерегулярном нагружении долговечности на основании расчетных кривых ограниченной выносливости позволяет определить минимальное ее значение при данном (Татаі предполагая низменность этой кривой до предела выносливости регулярного нагружения сг_, .Приведенные результаты описывают, как уже отмечалось, спектр нагружения в виде вариационного ряда в блоке нагружения от аатш до aamin.
Воспользуемся данными работы [9], где представлены типовые блоки нагружения силовых элементов шасси самолета, а именно блоков нагружения нижнего звена шлиц-шарнира стойки основой опоры самолета типа А, с параметрами: татах = 320МПа, (7_, = 182МПа, NG = 2 10б циклов, т = 4,34, v6 = 1524 циклов. Число ступеней нагружения в блоке нагрузок - 9, из них две последние ступени нагружения с амплитудой напряжений меньше к т_, (в нашем случае принимали к = 0,5 ). Вероятность распределения долговечности материала детали с различными видами блоков нагружения показана на рис.4.9: 3 - режим с уменьшением нагрузки; 4 - режим с увеличением-уменьшением нагрузки; 5 - режим с увеличивающей нагрузкой. Расчет долговечности проводился по корректированной модели Серенсена-Когаева (кривая 1), линейной модели (кривая 2) и нелинейной модели (1.23), (кривые За-5а). Поскольку и линейная и корректированная линейная модель не учитывают последовательность приложения нагрузок, значения долговечности в блоках нагружения не зависят от последовательности прилагаемых нагрузок. Нелинейная модель показывает другие результаты. Для блока с уменьшающейся нагрузкой долговечность минимальная, для увеличивающейся нагрузки - максимальная, с увеличением-уменьшением - средняя. Значения долговечности, полученные по нелинейной модели, занимают промежуточное положение между значениями долговечностей по линейной и корректированной линейной моделями. С увеличением ступеней нагружения размах долговечности от блочной нагрузки с уменьшением напряжений ступеней и блочной нагрузкой с увеличением их (кривые 3-5) уменьшается.
Таким образом, показана возможность, на основании данных по долговечности исходной кривой усталости и экспериментальных результатов по долговечности материала при одном из нерегулярных спектров нагружения прогнозировать долговечность материала при других случайных спектрах нагружения, с меньшим коэффициентом наполняемости V. При необходимости учета последовательности действия случайных нагрузок прогнозирование долговечности желательно проводить на основании нелинейной модели суммирования, учитывающей историю циклического натру жения материала. Долговечность материала при нерегулярном нагружении с «пиковыми» перегрузками.
Анализ спектров эксплуатационных нагрузок показывает, что большинство механизмов и машин могут иметь в неустановившиеся режимы нагружения большие перегрузки, в большинстве своем связанные с моментами включения (пуска) и выключения (торможения) машины. Нагрузки, возникающие при этом, определяются как «пиковые». При этом под «пиковой» нагрузкой понимают нагрузку, отличающуюся от длительно действующего спектра нагрузок своей величиной и кратковременностью дейсті&?іаботе [7], анализирующей загруженность деталей и механизмов металлургического оборудования, в частности мостовых кранов, показано, что в условиях реальной эксплуатации динамические нагрузки могут превышать номинальные до 4 раз. Однако вероятность реализации максимального значения этой динамической нагрузки весьма мала и составляет доли процента. При изучении нагруженности машинотракторного парка [252] отмечается, что наиболее тяжелым переходным режимом является режим трогания и разгона трактора. На данном режиме в трансмиссии возникают «пиковые» нагрузки, которые при резком трогании с места превышают в 3-К3,5 раза номинальные, хотя среднестатистическое их действие составляет (0,17-Ю,3)% от срока службы машины. В основном «пиковые» перегрузки учитываются при проверочных расчетах на статическую прочность и малоцикловую выносливость, а при проектировочных и сравнительных расчетах на долговечность их не принимают во внимание.
