Введение к работе
Актуальность тема. Усталостная прочность и долговечность являются важными критериями оценки работоспособности и ресурса многочисленных деталей и конструкций. Их роль особенно возрастает для современных высоконагруженных ответственных изделий, подвергающихся воздействию циклических нагрузок не только з области много-,* но и малоцикловой усталости. Например, авиационные конструкции работают в. режиме "взлёт - посадка", глубоководные аппараты в режиме "погружение -всплытие", т.е. в области малоцикловой усталости. Однако сложность протекающих процессов упругопластического деформирования и трещинообразования, сопутствующая циклическая, ползучесть,' особенно при асимметричном нагружении, зависимость этой картины от условий цитирования; трудоёмкость, а зачастую и невозможность проведения экспериментов для заданных режимов нагружения являются и по сей день серьёзт"1м препятствием при разработке надёжных инженерных методов расчета усталостной прочности и долговечности, как при жёстком, ;.'ак и, особенно, при мягком циклическом нагружении.
В то же время именно с позиций инженерной расчётной практики весьма актуальными продолжают оставаться вопросы построения полных кривых усталости (т.е. как'в области мало-, так и многоцикловой усталости) и связанных с ними кривых предельных амплитуд для разных баз испытаний, на основе которых и оцениваются коэффициенты запаса усталостной прочности деталей для разных коэффициентов асимметрии мягкого цикла. Построить такую диаграмму на основании экспериментальных данных - задача практически трудно выполнимая. Выход из этого положения дают различные варианты аппроксимации часто гипотетического характера для тех или иных групп материалов. Что касается диаграмм предельных амплитуд на ограниченных базах, например, 10э, 10* циклов, т.е.. в области малоцикловой усталости, то этот вопрос чаще всего остаётся открытым.
Всё это инициирует разработку полузмпирических моделей усталостной прочности, построенных на гипотезах и положениях, учитывающих особенности физических процессов в материалах при циклическом нагружении, и требующих минимального количества экспериментальных данных для определения свободных параметров
модели. Этим обстоятельством и относительной универсальностью они выгодно отличаются от эмпирических (аппроксимирующих) зависимостей." трудности (а чаще всего невозможность) получения которых очевидны.
В связи с этим построению модели усталостной прочности должен предшествовать сбор или получение экспериментальных данных, которые послужили бы базой для этой модели. Настоящая работа выполнялась в три этапа и содержит три основных раздела. На первом этапе проводили испытания на устс-юсть при асимметричном нагружении, строили и анализировали кривые усталости. В процессе испытаний регистрировали величину выделяющейся деформации, сопутствующей усталостному процессу. На втором и третьем этапах на основе полученных опытных данных создавались полуэмпирические модели усталостной прочности и циклической ползучести.
. . Работа выполнялась з соответствии с планами научных исследований Волгоградского государственного технического университета по теме Б.016.
Цель» работы является разработка инженерного і 2-тода расчёта кривых усталости конструкционных сталей при асимметричном мягком нагружении растяжением-сжатием гладких образцов и построению кривых циклической ползучести с использованием существующих расчётных зависимостей, базирующихся на достаточно ясных гипотезах и экспериментальных данных, полученных при испытании разных материалов.
Научная новизна заключается в следующем:
выполнены экспериментальные исследования по накс лению квазистатических и усталостных повреждений в углеродистых сталях в областях малоцикловой усталости и переходной к многоцикловой усталости, позволившие установить Ёлияние асимметрии .наг-ружения на особенности хода кривых усталости, характер разрушения, протяжённость области малоцикловой усталости;
предложена методика аналитического построения кривой усталости при мягком нагружении для растягивающих и сжимающих средних напряжений цикла. Сна основана на модификации известкой зависимости амплитуды деформации еа от числа циклов N с использованием функции, отслеживающей охрупчиьание материала по мере роста долговечности;
на базе разработанной модели усталостной прочности построены расчётные кривые предельных амплитуд для разных уровней
- a -
долговечности в области мало- и многоцикловой усталости; провалено сопоставление построенной обобщённой диаграммы предельных амплитуд с диаграммами, предложенными другими авторами;
предложена методика оценки ресурса пластичности метаввов при циклическом деформировании;
на основании анализа интенсивности процесса накопления квазистатических поврегедений при асимметричном нагружениа выявлена его стадийность, предложены зависимости, связывающие величину и скорость накопления односторонней деформации с текущим числом циклов;
создана модель циклической ползучести, позволяющая строить кривые накопления односторонней деформации при асимметричном кагружении в областях малоцикловой усталости и перехода к многоцикловой усталости;
Практическая цен моста работы состоит , в следующем:
для обеспечения исследованж"; усталостной прочности в широком д: -.пагоне асимметрии нагружен, я модернизирована серийная испытательная малина, в штатном ислолнении погволявшая проводить испытания липіь т положителі якми значениями коэффициента асимметрии цикла;
разработан алгоритм построения кривой усталости при асимметричном нагружении мягким циклом; создано програчшое обеспечение на : ;рсонат>-'ой ЗВМ для реализации этого алгоритма;
созд ло программное обеспечение для реализации модели v циклической ползучести металлических сплавов с учётом асимметрии нагружения;
для среднеуглеродистых сталей в широком интервале коэффициента асимметрии цикла напряжений построены семейства полных кривых усталости и кривых циклической ползучести на разных уровнях напряжений.'
Реализация результатов. Отдельные результаты работы были испольаованы в Институте проблем прочности' Академии наук Украины для научного обоснования возможности применения некоторых конструкционных материалов и назначения оптимальных эксплуатационных режимов, на предприятии "Баррикады" при оценке малоцикловои усталостной прочности с учётом циклической ползучести, в ЦНИИ "Прометей" при оценке малоцикловой усталости титановых сплавов и неоднородности пластического те-
чения материалов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной . зботы-докладывались на ежегодных научно-технических конференциях ВолгГТУ, объединённом семинаре кафедр сопротивления материалов и деталей машин Волгоградского государственного технического университета. Материалы диссертацясщной работы докладывались и обсуждались на V Всесоюзном симпозиуме "Малоциклоьая усталость - критерии разрушения и структуры материалов" (Волгоград, 1987), на конферешг: с международным участием "Актуальные проблемы пластической обработки металлов" (Варна, Болгария, 1990), республиканской научно-технической4 конференции "Надёжность механических систем" (Самара, 1995), Ч международном симпозиуме "Ползучесть и сопутствующие процессы С&СР'95" (Белосток, Польша, 1995), 2-й межреспубликанской кон-ферен: да "Механика и техно, огия изделий из металлических *г ме-таллокерамических композиционных материалов" (Волгоград, 1993),. международной научно-технической конференции "Прогрессивные методы получения и обработки конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность машин" (Волгоград, 1996).
Публикации. По материалам исследований опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов,, выводов, списка литературы. Работа изложена на 180 страницах (без учёта приложения) , включая 46 рисунков -и 3 таблицы, списка использованной литературы из 94 наименований.