Введение к работе
Актуальность работы определена потребностью разработки надежных инженерных методов прогнозирования усталостной прочности металлов и изделий из них, учитывающих влияние модифицированного поверхностного слоя детали после технологической обработки.
В силовых элементах конструкций высоконагруженных агрегатов потеря работоспособности определяется усталостным разрушением и изнашиванием. Эффективным направлением совершенствования технологии является создание методов проектирования технологических процессов на заданный ресурс изделий. Это обусловливает необходимость нахождения связи между ресурсом, долговечностью и технологическими факторами их обеспечивающими: методами обработки, элементами режимов обработки, технологическими маршрутами. Существует проблема расчетной оценки технологического воздействия на характеристики усталостной прочности - предел выносливости (ПВ) и усталостную долговечность (УД). Эти характеристики необходимо определять на любом этапе технологического процесса, при любом режиме обработки для проведения их сравнения и определения оптимального варианта, обеспечивающего заданную или максимальную усталостную прочность. Экспериментальным путем получение такого многообразия данных по УД невозможно или очень дорого, поэтому необходима разработка надежных расчетных методов.
Для определения ПВ в литературе имеются расчетные зависимости, однако, учет параметров качества в них производится с помощью либо обобщенных поправочных коэффициентов, либо регрессионных уравнений, определенных для частных случаев. Это свидетельствует о том, что физический механизм влияния комплекса параметров качества поверхностного слоя на ПВ не был ясен. Применительно к прогнозированию УД расчетных зависимостей такого вида получено не было.
Перспективным для решения проблемы является энергетический подход как наиболее универсальный, пригодный ко всем металлическим материалам. В диссертации при решении проблемы была использована развитая автором термодинамическая теория прочности металлов в сочетании с подходами линейной механики разрушения и синергетики.
Связь работы с научными программами и темами. Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Надежность и безопасность технических систем», тематических отраслевых программ «Авиационная технология» и «Надежность конструкций», а также межвузовской целевой научно-технической программы «Повышение качества и надежности продукции, программное обеспечение ЭВМ и технические средства обучения» (КНП-2000).
Целью работы является разработка методологии и методов прогнозирования характеристик усталостной прочности - ПВ и УД с учетом влияния на эти характеристики модифицированного поверхностного слоя детали после технологической обработки.
Основными задачами, решаемыми в работе, являются: 1. Разработка моделей учета модифицированных поверхностных слоев (комплекса параметров качества поверхностного слоя) при прогнозировании ПВ и УД в многоцикловой области; 2. Разработка соответствующих расчетных методов с учетом этих моделей на основе энергетического (термодинамического) подхода и подходов линейной механики разрушения и синергетики применительно к циклическому нагружению. В рамках решения основных задач решались частные задачи:
-модифицирование термодинамической теории прочности, развитой В.В. Федоровым, с учетом подходов синергетики и механики разрушения;
-вывод расчетных зависимостей для УД и ПВ для различных случаев расчета (напряженного состояния, условий нагружения, исходных данных и
др-);
-исследование энергии активации усталостного разрушения, входящей в зависимость для УД, с целью установления основных закономерностей ее из-
5 менения от температурно-силовых факторов и разработки метода ее расчетного определения;
-разработка методов определения структурных параметров термодинамической теории прочности по результатам испытаний на статический разрыв и по твердости;
-разработка методов определения ПВ металлов по результатам испытаний на статический разрыв и по твердости, а также при асимметричном цикле переменных напряжений;
-разработка модельных представлений об усталостной повреждаемости и разрушении с точки зрения термодинамической теории прочности для объяснения влияния параметров качества поверхностного слоя, концентрации напряжений и других факторов на УД и ПВ;
-определение периода роста усталостной трещины (периода сосредоточенного разрушения) на основе разработанных моделей и соответствующих расчетных зависимостей для расчета общей УД детали до разрушения;
-оценка адаптивной способности материала детали на основе синергети-ческого подхода;
-экспериментальное подтверждение (с использованием данных автора и других авторов) установленных расчетных зависимостей и методов;
-демонстрация на примере деталей взлетно-посадочных устройств эффективности метода расчета УД для выбора рациональных режимов, технологических маршрутов обработки поверхности и определения ресурса работоспособности.
Научная новизна работы. Разработка расчетных методов и моделей повреждаемости поверхностного слоя для прогнозирования УД и ПВ, учитывающих влияние модифицированных поверхностных слоев, основанных на новых научных результатах:
-на базе модифицированной термодинамической теории прочности и механики разрушения установлены расчетные зависимости для прогнозирования
УД и ПВ, учитывающие комплекс параметров качества поверхностного слоя, структуру материала, напряженно-деформированное состояние, условия эксплуатации, в том числе при высокой температуре;
-разработаны модельные представления, раскрывающие механизм влияния модифицированного поверхностного слоя на УД и ПВ: модель развития трещины в локальной зоне минимальной долговечности (гипотеза наиболее опасного поверхностного слоя), модель дискретного изменения кинетики накопления повреждаемости локальной области при подходе усталостной трещины; предложен критерий состояния локальной области (мезообъема);
-целенаправленный выбор на основе разработанных расчетных методов технологии, в частности, методов и режимов обработки, обеспечивающих оптимальные показатели усталостной прочности;
-установление закономерностей изменения энергии активации усталостного разрушения в широком диапазоне напряжений и температур;
-разработка метода оценки адаптивной способности материала к внешнему фактору;
-разработка модифицированного метода расчета УД по базовым кривым усталости при нерегулярных режимах циклического нагружения.
Вклад соискателя. Автор разработал методологию и методы прогнозирования характеристик усталостной прочности металлов с учетом модифицированных поверхностных слоев, провел анализ литературных данных и собственные экспериментальные исследования, подтверждающие справедливость развиваемого подхода и методов.
Достоверность результатов работы подтверждена: экспериментальными исследованиями на сталях ЗОХГСНА, У8, титановых сплавах ВТЗ-1, ВТ18У, а также экспериментальными данными других авторов. Прочностные и пластические свойства при нормальных и повышенных температурах при одноосном статическом растяжении определяли на прессе Instron , испытания на усталость проводились на машине МУИ-6000, электродинамическом вибростенде ВЭДС-
7 400. Микротвердоств исследовали на приборах ПМТ-3 и Neophot, твердость -на приборе ТП-7р-21. Также использовали физические методы исследования: методы рентгеновской дифрактометрии (аппарат ДРОН-ЗМ) и экзоэлектронной эмиссии (экспериментальная установка). Шероховатость поверхности определяли на профилографе-профилометре, технологические остаточные напряжения - на приборе ПИОН (метод Н.Н. Давиденкова). Проведены:
-статистическая обработка экспериментальных данных;
-систематический метрологический контроль точности измерительных приборов;
-сравнение расчетных значений характеристик усталостной прочности с экспериментальными (как своими, так и данными других авторов).
Научная и практическая значимость выполненных исследований и разработок состоит в том, что полученные в диссертационной работе результаты теоретических и экспериментальных исследований дают новые более глубокие представления о процессах повреждаемости поверхностных слоев изделий при циклическом нагружении, учитывающие динамику процесса, состоящую из двух стадий: рассеянного и сосредоточенного разрушения. Это позволяет более целенаправленно подходить к управлению усталостной прочностью и долговечностью изделий при многоцикловом нагружении путем управления состоянием поверхности с использованием различных методов и режимов технологического воздействия. Разработанные методы могут быть использованы для решения следующих задач:
-выбора оптимального варианта технологии (технологического маршрута, режимов обработки) для обеспечения заданной или максимальной усталостной прочности путем расчетной ее оценки;
-определения причин разрушения деталей от технологических факторов и разработка мероприятий по их устранению;
-оценки ресурса работоспособности деталей, расчетного построения кривой усталостной прочности, определение коэффициентов запаса усталостной
8 прочности по результатам замера параметров качества поверхностного слоя.
Метод расчета усталостной долговечности успешно применен для выбора оптимального маршрута и режимов (на операциях чистового точения и пнев-модинамического упрочнения) финишной и упрочняющей обработки авиационных деталей (на ОАО «Авиаагрегат», г. Самара, и Кумертауском авиационном производственном предприятии). Суммарный годовой экономический эффект составил 400 тыс. рублей. Разработан модифицированный метод расчета УД по базовым кривым усталости, позволяющий производить более точное определение усталостных свойств опасных сечений и детали в целом без проведения испытаний на усталость. На основе разработанных моделей и методов расчета УД был проведен анализ причин разрушения деталей шасси типа «раскос» (изделие ТУ-204): было выявлено, что причиной разрушения по внутренней поверхности явился технологический фактор, предложено с целью устранения причины разрушения применить упрочняющие методы обработки.
На защиту выносятся следующие положения:
1 .Модели усталостной повреждаемости и разрушения с учетом влияния модифицированных поверхностных слоев: развития трещины в локальной зоне минимальной УД или минимального ПВ; дискретного роста усталостной трещины в зависимости от критерия локального состояния металла.
2.Расчетные зависимости и методы определения энергии активации и структурных параметров термодинамической теории прочности для различных металлов в широком диапазоне напряжений и температур.
3. Расчетные зависимости и методы прогнозирования УД (в многоцикловой области) и ПВ металлов с учетом влияния модифицированных поверхностных слоев.
4.Применимость разработанных методов для выбора оптимальных маршрутов и режимов финишной обработки деталей.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на научных конференциях, совещаниях, семинарах, в том числе на: Всесоюзной
научно-технической конференции «Роль молодых ученых и специалистов в развитии научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте» (г. Москва, 1984), II Всесоюзной научно-технической конференции «Надежность и долговечность машин и приборов» (г. Куйбышев, 1984), Зональной научно-технической конференции «Методы повышения производительности и качества обработки на оборудовании автоматизированных производств» (г. Ярославль, 1985), Международном симпозиуме по механохимии (г. Ташкент, 1995), научно-технической конференции АН РБ «Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий» (г. Уфа, 1997), Международной научно-практической конференции «Сервис большого города» (г. Уфа, 1999), Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе, Проблемы конструкционной прочности двигателей», (г. Самара, 1999).
В законченном виде диссертация обсуждалась на научных семинарах: в Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Институте проблем сверхпластичности металлов РАН, Уфимском государственном авиационном техническом университете, Уфимском государственном нефтяном техническом университете. Уфимском технологическом институте сервиса.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 работ, в том числе две монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературных источников и двух приложений. Общий объем работы 284 с, в том числе 76 рисунков, 26 таблиц, 180 наименований списка литературы.
