Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса по исследованию предельного состояния материалов при различных траекториях нагружения с учетом параметров акустической эмиссии 16
1.1. Основные направления исследований упруго-пластического деформирования и разрушения материалов в условиях сложного напряженного состояния при различных траекториях нагружения 19
1.2. Основные направления исследований предельных состояний конструкционных материалов при циклическом одноосном нагружении 34
1.3. Основные направления исследований предельного состояния материалов и критерии прочности при нестационарном нагружении 41
1.4. Основные направления исследований влияния изменения структуры материалов под действием циклических нагрузок на длительную прочность с учетом параметров акустической эмиссии 53
1.5. Влияние условий нагружения на акустическую эмиссию 58
1.6. Выводы по главе 1 62
2. Программа, экспериментальная база и методика исследования упругопластического деформирования и долговечности материалов при различных режимах программного малоциклового нагружения с учетом параметров акустической эмиссии 65
2.1. Программа исследования материалов при программном малоцикловом нагружении 65
2.2. Экспериментальная база для исследования долговечности материалов при программном малоцикловом нагружении с применением метода акустической эмиссии 69
2.3. Методика исследования предельных состояний конструкционных материалов с учетом параметров акустической эмиссии 80
2.4. Исследуемый материал и конструкция образца 89
3. Механизмы эволюции и прогнозирование длительной прочности конструкционных материалов с использованием методов нелинейной динамики при анализе параметров акустических сигналов, возникающих от малоцикловых нагрузок
3.1. Механизмы эволюции разрушения конструкционных материалов с позиции структурно-энергетической теории усталостного разрушения, а также концепции мезомеханики и теоретическое обоснование влияния вида напряженного состояния на длительную прочность материалов 97
3.2. Многоуровневая модель эволюции структуры конструкционных материалов при циклических нагрузках с учетом параметров акустической эмиссии 102
3.3. Критерии прогнозирования длительной прочности по параметрам АЭ методами нелинейной динамики 116
3.4. Методология анализа сигналов АЭ с использованием методов нелинейной динамики 122
3.5. Идентификация процессов и источников АС в динамике циклических нагружений 135
3.6. Выводы по главе 3 143
4. Влияние траектории циклического натружения на параметры акустической эмиссии и длительную прочность конструкционных материалов 144
4.1. Закономерности деформирования материалов при программном малоцикловом изменении напряжений 144
4.2. Длительная прочность материалов в условиях малоциклового изменения напряжений при различных видах плоского напряженного состояния 157
4.3. Прогнозирование предельного состояния материала по количеству акустических сигналов с фрактальной размерностью 1 D2 6 в первом полуцикле нагружения с учетом вида напряженно-деформированного состояния и формы цикла приложения нагрузки 168
4.4. Влияние вида напряженно-деформированного состояния и формы цикла нагружения на минимальную интенсивность скорости счета акустических сигналов с фрактальной размерностью 1 D2 6 175
4.5. Выводы по главе 4 184
5. Мониторинг предельных состояний деталей машин и строительных конструкций по параметрам акустической эмиссии 186
5.1. Определение частотного диапазона сигналов акустической эмиссии 190
5.2. Определение критериев предельных состояний при осуществлении мониторинга деталей машин и конструкций 201
5.3. Выводы по главе 5 211
6. Применение методик прогнозирования длительной прочности конструкционных материалов по параметрам сигналов акустической эмиссии в машиностроении и строительстве 212
6.1. Прогнозирование длительной прочности болтовых соединений по параметрам акустической эмиссии 212
6.2. Прогнозирование длительной прочности при обработке деталей давлением по параметрам акустической эмиссии в начальной стадии нагружения 215
6.3. Комплексная система мониторинга строительных конструкций по параметрам акустической эмиссии в режиме on-lain 220
6.4. Выводы по главе 6 224
Основные выводы 225
Список использованной литературы
- Основные направления исследований предельных состояний конструкционных материалов при циклическом одноосном нагружении
- Экспериментальная база для исследования долговечности материалов при программном малоцикловом нагружении с применением метода акустической эмиссии
- Критерии прогнозирования длительной прочности по параметрам АЭ методами нелинейной динамики
- Влияние вида напряженно-деформированного состояния и формы цикла нагружения на минимальную интенсивность скорости счета акустических сигналов с фрактальной размерностью 1 D2 6
Введение к работе
Актуальность темы. Внезапное и непредсказуемое разрушение конструкций зданий и сооружений, ответственных узлов машин, трубопроводов и сосудов высокого давления, работающих в условиях воздействия малоцикловых нагрузок при различных видах напряженно-деформированного состояния, и формах цикла нагружения, приводит к чрезвычайным ситуациям и катастрофам. Для предотвращения разрушений конструкций в процессе их проектирования закладывают повышенные запасы прочности и, как следствие, увеличивают их материалоемкость и массу. Но при этом не учитываются исходная дефектность микроструктуры материала, а также скачкообразное изменение свойств материала при накоплении повреждений в процессе изготовления и эксплуатации, и при эксплуатации объектов аварии систематически повторяются.
Одновременно существует экономически обоснованная тенденция уменьшения габаритных размеров, материалоёмкости и веса деталей конструкций, что диктует уточнение запасов прочности, а также появления новых методик контроля при изготовлении и постоянного мониторинга в процессе эксплуатации изделий. Требуется отслеживание стадий эволюции микроструктуры конструкционных материалов и влияния этого процесса на длительную прочность конструкций.
В рамках классической механики деформируемого твердого тела решается задача максимального использования прочностных возможностей конструкционных материалов. В условиях воздействия циклических нагрузок возникает необходимость постановки большого количества сложных экспериментов при применении статистических методик и теорий. Случаи, выпадающие из общей статистики, и являются внезапными техногенными катастрофами.
Современные микроскопы различных принципов и конструкций не позволяют наблюдать структурные превращения микроструктуры материалов в процессе работы реальных конструкций, даже на доступных поверхностях, не говоря уже о процессах, происходящих в глубине тела деталей. Рентгеновскими и магнитно-резонансными методами выполнить такие исследования (тем более осуществить мониторинг при эксплуатации) в реальном времени также не возможно. Поэтому нужно разрабатывать новые методы, позволяющие исследовать влияние этих дефектов на длительную прочность детален конструкций и машин в условиях как квазистатических, так и циклических нагружений.
В настоящее время ведется поиск надежных и эффективных подходов, учитывающих изменения состояния микроструктуры конструкционных материалов при изготовлении и эксплуатации деталей, а также определения критериев, которые позволят гарантированно прогнозировать несущую способность и надежность механизмов и конструкций при ограниченном числе экспериментов. Одним из методов исследования, отвечающих вышеизложенным требованиям, является метод акустической эмиссии (АЭ), на базе которого созданы и совершенствуются новые методы неразрушающего контроля при мониторинге и прогнозировании длительной прочности материалов. Значительное увеличе-
ниє возможностей вычислительной техники и программного обеспеченья открывают большие возможности получения информации при обработке сигналов АЭ. Это позволяет оценить дефектность структуры на всех этапах эволюции микроструктуры материалов при воздействии циклических нагрузок и влияние этих изменений на длительную прочность конструкционных материалов.
Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование, обоснование методологии и новых критериев прогнозирования длительной прочности и мониторинга предельных состояний конструкционных материалов, с учетом динамических процессов эволюции микроструктуры, для обеспечения безопасной эксплуатации конструкций зданий, машин и механизмов при воздействии малоцикловых нагрузок.
Для достижения указанной цели решены следующие задачи:
создание экспериментальной установки и комплекса программ для ПЭВМ, позволяющих проводить исследование конструкционных материалов в автоматическом режиме по различным траекториям циклического нагружения с непрерывной записью излучаемых сигналов АЭ, а также анализировать параметры АЭ в режиме on-lain для прогнозирования и выявления предельных состояний материалов в соответствии с заданными критериями;
установить закономерности изменения параметров АЭ при эволюции микроструктуры материалов с учетом мезомасштабных уровней потери сдвиговой устойчивости от воздействия циклических нагрузок, а также разработать математическую модель, описывающую структурные изменения от микроуровня до разрушения конструкционных материалов;
исследовать свойства сигналов АЭ методами нелинейной динамики и выявить параметры, отражающие зарождение макродефектов в конструкционных материалах на ранних стадиях малоцикловых нагружений;
исследование влияния траектории нагружения (изменения вида напряжено-деформированного состояния и формы цикла нагружения) на параметры акустических сигналов;
разработка критериев прогнозирования длительной прочности конструкционных материалов по параметрам АЭ, возникающих в первом полуцикле малоцикловых нагружений, в зависимости от траектории нагружения;
разработка методологии и новых критериев on-lain-мониторинга предельных состояний конструкционных материалов при воздействии циклических нагрузок по параметрам АЭ;
разработка устройств для внедрения вышеуказанных исследований в машиностроении и строительстве.
На защиту выносится:
экспериментально обоснованная методология и новые критерии прогнозирования предельного состояния материала при различных видах напряженно-деформированного состояния в условиях малоциклового нагружения с применением анализа сигналов АЭ методами нелинейной динамики;
экспериментально обоснованная методология и новые критерии мониторинга предельного состояния материала при различных видах напряженно-
деформированного состояния в условиях малоциклового нагружения по параметрам АЭ;
модель эволюции структуры конструкционных материалов при воздействии циклических нагрузок с учетом образования диссипативных структур на соответствующих мезомасштабных уровнях потери сдвиговой устойчивости;
оригинальная установка, позволяющая с использованием комплекса программ для ПЭВМ задавать различные траектории малоциклового нагружения и проводить исследование конструкционных материалов при различных видах напряженно-деформированного состояния с одновременной регистрацией АЭ на всех стадиях накопления повреждений, включая этап разрушения образца;
экспериментальные результаты, позволяющие выявлять особенности деформирования и разрушения конструкционных материалов, используемые в строительстве, авиа- и ракетостроении, при различных видах напряженно-деформированного состояния;
результаты экспериментальных данных по оценке длительной прочности исследуемых материалов при циклических нагружениях.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработаны методология и критерии прогнозирования длительной прочности материалов при воздействии циклических нагрузок с учетом анализа фрактальной размерности сигналов АЭ;
разработаны методология и новые критерии мониторинга предельных напряженно-деформированных состояний конструкционных материалов по параметрам АЭ;
разработана модель эволюции структуры конструкционных материалов при воздействии циклических нагрузок с учетом образования диссипативных структур на соответствующих мезомасштабных уровнях потери сдвиговой устойчивости с обоснованием информативности изменения фрактальной размерности сигналов АЭ;
разработаны устройства и комплекс программ для ПЭВМ, способных решать следующие задачи: задавать любую траекторию циклического нагружения; вести непрерывную запись сигналов АЭ; проводить анализ параметров АЭ для прогнозирования и выявления предельных напряженно-деформированных состояний материалов в соответствии с заданными критериями; проводить мониторинг предельных состояний конструкционных материалов в режиме реального времени;
разработан метод идентификации механизмов разрушения конструкционных материалов по фрактальным характеристикам сигналов АЭ при малоцикловом нагружении;
установлен нелинейный характер зависимости дефектности структуры конструкционных материалов, определяемой по параметрам сигналов АЭ в первом полуцикле нагружения, и длительной прочностью деталей машин и механизмов;
- получена прогнозная поверхность предельного состояния материала,
построенная в зависимости от вида напряженного состояния и скорости изме
нения фрактальной размерности сигналов АЭ, по которой можно рассчитать
срок службы деталей, для определенной формы цикла и интенсивности измене
ния напряжений.
Практическая значимость работы:
получены уравнения поверхностей предельного напряженно-деформированного состояния материала, позволяющее аналитическим путем прогнозировать длительную прочность материалов в конкретных условиях нагружения, при обработке металлов давлением в процессе изготовления и не-разрушающего контроля деталей;
разработан и экспериментально подтвержден метод прогнозирования предельного состояния материалов при различных траекториях малоциклового нагружения по минимальной интенсивности скорости счета акустических сигналов с фрактальной размерностью аттрактора 1 < D2!nTB, < 6;
разработан и экспериментально подтвержден метод мониторинга предельных напряженно-деформированных состояний материалов при различных видах малоциклового нагружения с применением метода АЭ;
созданы оригинальная экспериментальная установка с комплексом программного обеспечения для ПЭВМ и ряд устройств, защищенных свидетельствами и патентами РФ, для исследования прочностных свойств материалов при нестационарных циклических нагружениях с возможностью одновременной регистрацией и обработкой сигналов АЭ;
полученные результаты внедрены в машиностроении и строительстве, а также в учебный процесс Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета, при чтении специальных разделов курсов «Механика сплошных сред», «Сопротивление материалов» и при изучении дисциплин специальности «Динамика и прочность машин» и направлению «Строительство».
Личный вклад. Все основные результаты и выводы диссертации получены соискателем самостоятельно.
Обоснованность и достоверность результатов диссертации обеспечивается использованием при теоретических исследованиях фундаментальных уравнений механики сплошных сред, применением современных методов исследования структуры и свойств конструкционных материалов, удовлетворительным соответствием теоретических и экспериментальных данных, подтверждением результатов промышленного апробирования и освоения разработанных технологических процессов.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и получили одобрение на 18 международных, всероссийских и региональных конференциях и симпозиумах: Региональная научно-техническая конференция «Машиностроительный и приборостроительный комплексы ДВ, проблемы конверсии по итогам выполнения МРНТП "Дальний Восток России" за 1993-1996 гг.» (г. Комсомольск-на-Амуре, 25-26 сент. 1996 г.); Международная
научно-техническая конференция «Проблемы механики сплошной среды»
(г. Комсомольск-на-Амуре, 15-19 сент. 1997 г.); Международная научно-
техническая конференция «Воронежская школа», «Современные проблемы
механики и прикладной математики» (г. Воронеж, 21-29 апреля 1998 г.);
Международная научно-техническая конференция «Прогрессивная техника:
технология машинобудування, приладобудування» (г. Киев, НТУУ «КПИ» 25-
28 мая 1998 г.); Международная научная конференция «Синергетика.
Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях» (г. Комсомольск-на-
Амуре, 21-26 сент. 1998 г.); Всероссийская научно-техническая конференция
«Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленность
Дальнего Востока» (г. Комсомольск-на-Амуре, 15-19 окт. 2007 г.);
Международная научно-техническая конференция «Эффективные
строительные конструкции теория и практика» (г. Пенза, 8-11 окт. 2009 г.); Международный симпозиум «Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы» международной научно-технической конференции «Современное материаловедение и нанотехнологии» (г. Комсомольск-на-Амуре, 27-30 сент. 2010 г.); Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы машиностроения» (г. Самара, 22-24 марта 2011 г.); Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы современного строительства» (г. Пенза, 5-6 аир. 2011); 11-й государственный современный научный симпозиум в сфере инженерных конструкций (КНР г. Тяньцзинь (пров. Хэбэй) 22-25 июля 2011 г.); ХХХХІ Всероссийский симпозиум «Механика и процессы управления» (г. Миасс Челябинской обл., 13-15 декабря 2011 г.); X Международная научно-техническая конференция «Материалы и технологии XXI века» (г. Пенза, 25-26 марта 2012 г.); Симпозиум с международным участием «Самолетостроение России. Проблемы и перспективы» (г. Самара СГАУ, 2-5 июля 2012 г.); X Всероссийская научно-техническая конференция «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» (г. Пенза, 15-18 мая 2012 г.); Международная научно-практическая конференция «Строительный комплекс России. Наука. Образование. Практика» (г. Улан-Удэ, 11-14 июля 2012 г.).
Работа докладывалась и обсуждалась на научных семинарах кафедры «Прикладная механика» (РК-5) МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва), отдела механики деформируемого твердого тела Института Гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН (г. Новосибирск) и семинаре «Нестационарные задачи механики и физики» Института Проблем Машиноведения РАН (г. Санкт-Петербург).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 54 работах, в том числе в 14 статях в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук, 3 монографиях, 5 патентах на интеллектуалыгую собственность, 7 свидетельствах о регистрации компьютерных программ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Изложена на 255 страницах, включая 107 рисунков, 12 таблиц, библиография из 252 наименований и 4 приложений.
Основные направления исследований предельных состояний конструкционных материалов при циклическом одноосном нагружении
При эксплуатации деталей машин особое значение придается возможности прогнозирования наступления предельного состояния конструкции и механизмов, т.е. определению их остаточного ресурса. Большой вклад в развитие экспериментально-теоретических исследований пластичности, ползучести и долговечности материалов с учетом вида напряженного состояния при циклических режимах нагружения сделали наши ученые: Аннин Б.Д., Жуков A.M., Гохфельд Д.А., Гусенков А.П., Ильюшин А.А., Лебедев А.А., Лозицкий Л.П., Махутов И.А., Можаровсиий Н.С., Новожилов В.В., Одинг И.А., Писаренко Г.С., Работнов Ю.Н., Серенсен СВ., Стрижало В.А. и др., а также зарубежные исследователи: Белл Д.Ф., Кеннеди А.Д., Коффин Л.Ф., Мазинг Г., Мэнсон С.С., Прагер В., Робинзон Е.Л., Тайра С. и др.
В работах [31, 38, 41, 57, 61, 66, 72, 85, 87, 88, 95, 97, 99, 130, 144, 143, 155, 218, 221, 232, 244] отмечается, что процессы деформирования и долговечности материалов зависят от параметров и формы циклов изменения напряжений [4, 16, 18, 37, 64, 96, 98, 105, 108, 177,183, 171, 191, 192, 204, 232, 244, 249], вида напряжен-ного состояния, истории и предыстории нагружения [3, 11, 15, 17, 36, 39, 47, 49, 51, 52, 60, 61, 68, 83, 84, 91, 92, 93, 107, 129, 133, 168, 178, 206, 220, 222, 226, 227, 247]. Изучению закономерностей упругопластического деформирования и разрушения материалов при малоцикловом нагружении с учетом вида напряженного состояния в настоящее время посвящены единичные исследования ввиду сложности проведения экспериментальных исследований, причем для конкретных соотношений главных напряжений и форм циклов изменения интенсивности напряжений.
Большой разброс экспериментальных данных при циклических испытаниях одного и того же материала в идентичных условиях послужил толчком к развитию статистических теорий усталостного разрушения.
Статистические и вероятностные методы прогнозирования времени работы деталей не полностью отвечают сегодняшним требованиям, потому что их применение требует введения в расчеты запасов прочности подчас сверх необходимых, а получение исходных данных для расчетов требует проведение большого числа предварительных экспериментов.
Эксперименты Белла Д.Ф., поставленные при высокой точности измерения деформаций (10" ), показали нестабильное поведение материалов в упругой зоне деформаций при квазистатических нагружениях, которое трудно объяснить в рамках механики дефовмируемого твердого тела, что возможно обусловлено реальной структурой материалов.
Для точного описания механического поведения дефовмируемого твердого тела необходимо знать микроструктуру материала, механизмы её эволюции под действием нагрузки и кинетику накопления повреждений.
В настоящее время очень перспективным являются исследования материалов на прочность и долговечность методом акустической эмиссии (АЭ). Этот метод нашел широкое применение при исследовании и контроле материалов и конструкций, так как позволяет наблюдать кинетику изучаемого процесса. Метод основан на регистрации упругих колебаний, возникающих при освобождении энергии в результате внутренних микроскопических явлений и возникновении повреждений в твердом теле.
Развитие методик исследования материалов методами АЭ сделали наши ученые Грешников В.А., Дробот Ю.Б., Вайнберг В.Е., Вакар К.Б., Иванова B.C., Красовский А.Я., Фадеев Ю.И., Скобло А.В. и др., а также зарубежные исследователи: Белл Р.Л., Бентли П.Г., Вин СП., Кросс Н.О., Грен А.Т., и др.
В работах [1, 6, 5, 7, 20, 23, 28, 34, 54, 53, 74, 79, 81, 82, 101, 123, 141, 142, 146, 167-179, 203-194, 193, 227, 229, 231] отмечается тесная связь возникновения предельных состояний материалов, зарождения и развития трещин, процессов пластической деформации и ползучести с АЭ.
В работах [16-18, 30, 38-40, 57, 66, 70, 90-89, 94-100, 124, 126, 134-136, 144, 143, 154, 183-198, 188, 204-207, 218-221, 226, 232, 244, 248] приводятся критерии предельных состояний материалов в условиях циклического воздействия напряжений. Несмотря на наличие достаточно большого экспериментального материала по данной проблеме, в настоящее время отсутствуют точные критериальные уравнения для расчета длительной прочности материалов, которые позволили бы правильно учитывать цикличность нагружения, вид напряженного состояния, историю и предысторию нагружения. Это происходит потому, что исследования материалов при циклических режимах нагружения проводились некомплексно, по разобщенным методикам, для частных случаев нагружения и на различных материалах. Поэтому обобщить имеющийся экспериментальный материал для различных механических режимов нагружения не представляется возможным, и как результат этого - отсутствие обобщенных закономерностей упругопластического деформирования и долговечности материалов при циклических режимах нагружения, которые бы охватывали различные случаи механического воздействий, а следовательно, и нет надежных методов прогнозирования долговечности и инженерных методов расчета элементов конструкций, эксплуатирующихся в данных условиях.
Экспериментальная база для исследования долговечности материалов при программном малоцикловом нагружении с применением метода акустической эмиссии
Машина предназначена для лабораторного практикума по курсам "Сопротивление материалов" и "Детали машин". Машина используется совместно с ПЭВМ и обеспечивает построение графиков зависимости силы и момента с деформации на дисплее ПЭВМ при растяжении или сжатии образца силой до 40 кН при скорости нагружения 0,5-6 мм/мин и кручении с моментом до 200 Нм при скорости нагружения 0,03-6 об/мин. Эксперименты проводились при температуре + 18 С относительной влажности воздуха 80 % и нормальном атмосферном давлении. Испытательной машина МИ-40КУ с электромеханическим приводом, которой выполняет заданный режим нагружения и деформирования образца, с помощью программно-следящея системы, обеспечивающей автоматическое управление нагрузками или деформациями образца. Она позволяет создавать и контролировать в тонкостенном трубчатом образце плоское, близкое к однородному, напряженное состояние путем приложения осевой силы N(t), крутящего момента M(t).
Использование электромеханического привода определяется рядом его существенных преимуществ перед другими типами приводов и, прежде всего, возможностью получения больших усилий и мощностей при ограниченных размерах электродвигателей. Электромеханический привод обеспечивает широкий диапазон бесступенчатого регулирования скорости нагружения, возможность работы в динамических режимах с требуемым качеством переходных процессов, защиту системы от перегрузки и точный контроль действующих усилий. Установка обеспечивает минимальную продолжительность цикла нагружения и разгрузки без выдержек 6 с, что соответствует параметрам малоциклового нагружения 3-10 циклов в минуту.
Система измерения и регистрации позволяет измерять знакопеременные деформации и силы с погрешностями, обычно не превышающими ±1 % от шкалы измерения, и фиксировать в процессе малоциклового нагружения с достаточным быстродействием диаграммы деформирования исследуемого образца в любом полуцикле. Система управления установки производится с применеием оригинального программного обеспечения [159, 161] и осуществляет: а) автоматический реверс перемещения активного захвата машины при достижении заданных значений силы или деформации по любой заданной программе нагружения с погрешностью, обычно не превышающей ±1 % от шкалы измерения, б) отсчет полуциклов нагружения, в) автоматическую остановку перемещения активного захвата машины при разрушении образца, г) возможность ручного управления машиной. Общая картина испытательной установки, содержащей все вышеперечисленные системы, показана на рис. 2.5. Силовая цепь осевого усилия N(t) замкнута в последовательности: станина 1, электромеханическое устройство для задания осевого усилия N(t) 9, динамометр для контроля и измерения осевого усилия N(t) 6, подвижная траверса 3, которая передвигается по направляющим 2, подвижный в осевом направлении захват 7, образец 11, неподвижный в осевом направлении захват 8. Система задания крутящего момента M(t) расположена на неподвижной станине 1. Силовая цепь задания крутящего момента: подвижный в осевом направлении неповоротный захват 7, образец 11, неподвижный в осевом направлении задающий крутящий момент захват 8, станина 1, преобразователь угловых перемещений с деформометром для измерения угла поворота /(t) 12; моментовозбудитель с динамометром для задания крутящего момента M(t) и регистрации фактического крутящего момента M(t).
Точность воспроизведения плоского напряженного состояния в образце достигается за счет того, что станина выполнена в виде жесткой рамы с винтовыми направляющими, по которым передвигается подвижная траверса. Управление электродвигателями осуществляется через систему электронного автоматического управления.
Для изучения кинетики упругопластического деформирования материалов в данной установке осуществляется автоматическая регистрация осевой деформации є (t) и угла закручивания у{{) с помощью соответствующих деформомет-ров апробированной, стандартной системой МИ40КУ заводской поставки.
Перед проведением экспериментов были выполнены дополнительные та-рировочные поверки. Тарирование динамометра на осевую силу проводилось с помощью поверенных динамометров отдельно на растение и сжатие, а динамометра на крутящий момент - при помощи поверенных грузов и колесного рычага. Тарирование деформометра осевой деформации проводилось с помощью поверенного индикатора часового типа с ценой деления 0,001 мм.
Критерии прогнозирования длительной прочности по параметрам АЭ методами нелинейной динамики
Большинство деталей современных машин и механизмов работают под воздействием циклических нагрузок. Достоверное определение их сроков службы затруднено неоднородностью строения поликристаллов и разноорентирован-ностыо кристаллических решеток монокристаллов. При прогнозировании долговечности работы деталей этих машин и механизмов при циклических нагрузках необходимо понимание физических процессов, происходящих в структуре материалов на разных масштабных уровнях. Но во время работы детали или во время проведения экспериментов невозможно получить картину изменения структуры материала на молекулярном уровне в режиме реального времени.
До настоящего времени многими российскими и зарубежными учеными проделана огромная работа и есть большие достижения по созданию физической модели изменения структуры материалов при длительно действующих переменных нагружениях. Но единой модели, описывающей все физические процессы, происходящие в материале, до настоящего времени не создано. В данной работе предложена модель перестроения структуры материалов при циклических нагружениях и показана возможность диагностировать состояние материала по параметрам АЭ.
В основу предлагаемой модели эволюции структуры материалов положена схема путей изменения дислокационной субструктуры при усталости [24, 77].
По мере приложения к конструкционному материалу нагружающей силы на начальном этапе происходят упругие смещения атомов и уплотнение не-сплошностей материала. Дальнейшая эволюция структуры материалов для начальной стадии усталостных испытаний может развиваться по трем сценариям (рис. 3.2).
К первому пути эволюции можно отнести группу металлов и сплавов, у которых хаотическое распределение дислокаций и дислокационных петель малого диаметра является характерным [235].
К ним относятся некоторые типы аустенитных сталей, алюминий и его сплавы [247]. В субструктуре этой группы материалов имеются геликоидальные дислокации (рис. 3.2, а). После небольшого числа циклов в такой субструктуре, как показали исследования на монокристаллах, в частности алюминия и в сплаве А 1-0,7 ат.% Mg, наблюдаются дислокационные клубки, параллельные плоскостям [112].
При дальнейших испытаниях происходит замыкание клубков и формируется новый тип ДСС — ячеистая субструктура (рис. 3.2, б) [78]. Существенно неоднородная ячеистая субструктура в масштабах, сравнимых с линейными размерами ячейки. При этом большая часть дислокаций в этой субструктуре находится в стенках ячеек, а плотность дислокаций внутри ячеек значительно меньше.
Схематическое изображение дислокационных субструктур: хаотическое распределение дислокаций (а), ячеистая (б) и субзеренная (в) субструктура [77]
Когда сформировалась ячеистая субструктура, то плотность дислокаций в стенках и внутри ячеек может различаться на порядок [245]. Анизотропна ячеистая субструктура в монокристаллах. Дислокационные стенки ячеек удлинены вдоль плотноупакованных направлений. В алюминии стенки ячеек состоят из провзаимодействовавших дислокаций и дислокационных петель. Разориенти-ровка на границах ячеек появляется при дальнейшем увеличении числа циклов, т.к. формируется разориентированная субзеренная или ячеистая субструктура [230].
По второму сценарию эволюция протекает в аустенитных сталях, никеле. меди, латунь М8. При начальных пластических деформациях (єт - 3...8 %) в этих материалах образуются сгущения первичных дислокаций в дипольных конфигурациях (см. рис. 3.3, а). При последующих нагружениях образуется матричная субструктура (субструктура с неплотными дислокационными стенками), когда мультипольные сгущения уплотняются. На этой стадии образуются полосы устойчивого скольжения (полосы устойчивого сдвига), постепенно перерождающиеся в венную субструктуру.
В начале формирования венной субструктуры (рис. 3.4) дислокационная структура представляет скользящие первичные дислокации и первичные краевые диполи [239]. Формирование венной структуры при испытаниях с небольшим
Влияние вида напряженно-деформированного состояния и формы цикла нагружения на минимальную интенсивность скорости счета акустических сигналов с фрактальной размерностью 1 D2 6
При проектировании и эксплуатации машин и конструкций важно точное определение предельных состояний конструкционных материалов, что сводится к учету следующих факторов: значительное формоизменение деталей в результате пластической деформации, разрушение материала от превышения допустимых нагрузок, потеря устойчивости, износ деталей, коррозионное и температурное воздействие внешней среды, циклическая ползучесть, усталость материала и т.п. [42, 63, 71, 72, 88, 149, 204]. Наиболее опасными факторами являются циклические нагрузки, от воздействия которых разрушение деталей происходит внезапно.
Большинство реальных деталей машин и конструкций подвержено действию сложного комплекса механических и тепловых воздействий, обуславливающих сложное напряжённое состояние материала (плоское или объёмное). В расчетах на прочность в том числе в условиях действия сложной системы напряжений в основном учитывают механические характеристики материалов, которые получены при простейших ыагружениях (растяжении, сжатии, кручении), а происходящие динамические изменения микроструктуры не рассматривается. Такой подход приводит к завышению запасов прочности деталей машин и механизмов, но не обеспечивает безопасность при их эксплуатации. Особенно важно учитывать динамику микропроцессов, происходящих в конструкционном материале при формообразовании деталей. Это возможно при использовании метода АЭ, когда любое изменение структуры материала и образование дефектов сопровождается излучением АЭ. Как показано в главе 3, а также [74, 140, 165, 185, 188], по параметрам сигналов АЭ возможно прогнозировать сроки службы деталей машин и конструкций. Для этого необходимо установить зависимости между условиями нагружения, параметрами сигналов АЭ и длительной прочностью конструкционных материалов. При этом, учитывая сложность постановки экспериментов и трудоёмкость обработки результатов, методики прогнозирования длительной прочности должны дать надежные результаты по минимальному количеству экспериментов.
В представленных в данной работе исследованиях конструкционных материалов при малоцикловых нагружениях скорости нагрузки и разгрузки оставались постоянными величинами. В условиях циклического нагружения при асимметрии г = —!_!Ш!2_ 0 протекают процессы активного деформирования и излуче і max ния акустических сигналов, имеющие различную природу, но тесно взаимосвязаны между собой. Представленные эксперименты проводились при асимметрии цикла, равной г„ = 1/2; гц = 0, выбранной на основе анализа работы конструкций, деталей машин и механизмов, как наиболее характерных для мягкого нагружения (рис. 4.1). Программы изменения напряжений во времени во всех случаях характеризуются уравнением: - U = I, \ Ч где уа = —;уа =—;уа =— соответственно относительное время пре Ц ц ц бывания образца за цикл при максимальном (уа), минимальном (уа) и переменном значениях (уа ). При уа = 1; где уа- время пребывания образца в условиях переменных напряжений (crmin о crmas).
Изменения напряжений с различными параметрами цикла происходили в определенных для каждого исследуемого материала в изучаемых диапазонах напряжений (ACT = xmin = xmax ) и соответствующей асимметрии цикла (рис. 4.2).
Максимальная интенсивность циклических напряжений при проведении экспериментов сг,т.к составила 0,95 аТ, как описывалось выше, исходя из соображений максимального использования возможностей прочности материала, без возникновения пластических деформаций єр при однократном нагружении, а также исходя из условия исключения явления резкого увеличения интенсивности сигналов АЭ, что является показателем перехода материала в область пластической деформаций.
Так, для алюминиевого сплава Д20 принято т,тах = 400 МПа, для стали 40Х 7/тах = 800 МПа, для титанового сплава - BT20 x,max = 800 МПа, определяется точкой В по методике, изложенной в главе 2 на рис. 2.16 - 2.18. Наиболее точно точку В можно определить по временной зависимости накопления энергии регистрируемых импульсов при квазистатическом нагружении. Необходимо отметить, что точка В очень близка к пределу пропорциональности на деформационной кривой. При дальнейшем увеличении интенсивности напряжений, происходит резкое увеличение акустических сигналов, что указывает на начало пластических деформаций, т.е. необратимое изменение формы образца и, как следствие, наступление предельного состояния материала. Одновременно выполняется условие максимального использования прочностных свойств материала. Поскольку под действием циклических упругих деформаций в исследуемых образцах постепенно появляются пластические деформации, то работа материала происходит в упругопластической зоне. Если учесть, что пластические деформации до разрушения достигают значения 10...20 %, в то время как упругие -0,3...,0,5 %, то расчеты на прочность и долговечность, основанные на допустимости только упругих деформаций, нецелесообразны технически и экономически.
В данных исследованиях при феноменологических подходах к оценке пластичности и длительной прочности материалов, работающих в условиях программного малоциклового нагружения, ввиду сложности, разделение деформаций на их составляющие не производится. Такое разделение не является целесообразным, так как число циклов или время до разрушения материала в условиях ползучести при циклическом изменении напряжений определяются пластичностью материала и скоростью ползучести независимо от того, чем регламентируется скорость: процессами активного или пассивного деформирования.
Для оценки влияния цикличности пиков перегрузок (спадов напряжений), их интервалов, форм циклов изменения напряжений на основные характеристики пластичности, параметры АЭ и длительной прочности материалов в условиях программного малоциклового изменения напряжений большая часть испытаний проводилась по пилообразным формам циклов.
Созданная экспериментальная база и разработанная методика исследования позволили в процессе испытания вести непрерывно запись изменения упру-гопластических деформаций и параметров АЭ за цикл и от цикла к циклу изменения напряжений. Но было замечено, что наибольшая информативность АЭ и корреляция длительной прочности материалов с параметрами АЭ в первом полуцикле нагружения. Проведенные исследования на образцах из алюминиевого сплава Д20, стали 40Х и титанового сплава ВТ20 показывают, что скорость циклической ползучести, величина накопленной пластической деформации, интенсивность сигналов АЭ и время до разрушения материалов (рис. 4.3 - 4.8) зависят от формы цикла изменения напряжений.
Похожие диссертации на Прогнозирование и мониторинг предельных состояний конструкционных материалов при различных траекториях циклического нагружения по параметрам акустической эмиссии
