Автореферат: Расчетно-экспериментальные методы оценки рассеянных повреждений в металле и деталях машин при регулярной и нерегулярной переменной загруженности (стр. 1 )

На правах рукописи

САВКИН Алексей Николаевич

РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ

ОЦЕНКИ РАССЕЯННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ В МЕТАЛЛЕ

И ДЕТАЛЯХ МАШИН ПРИ РЕГУЛЯРНОЙ

И НЕРЕГУЛЯРНОЙ ПЕРЕМЕННОЙ ЗАГРУЖЕННОСТИ

Специальность 01.02.06. – Динамика, прочность машин,

приборов и аппаратуры

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Саратов 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Волгоградский государственный

технический университет»

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Московский автомобильно –

дорожный институт (государственный

технический университет)».

Защита состоится _1 июля_2008 года в _14_часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.06 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» Саратов, , корп. 1, ауд. 319

С диссертацией можно ознакомиться в научно - технической библиотеке

ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Автореферат разослан ___14 мая____ 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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:

1.  Провести исследования видов повреждения материалов и конструктивных элементов в условиях регулярной и нерегулярной загруженности с целью выявления общих закономерностей, определяющих их разрушения.

2.  Разработать модели накопления повреждений, учитывающих соответствующие механизмы поврежденности и методику оценки долговечности материала при регулярной и нерегулярной загруженности на основе вероятностной модели накопления поврежденности.

3.  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.

4.  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:

1.  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.

2.  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.

3.  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.

4.  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.

5.  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, 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, 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, 2006 г.; 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.; 3-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 используемой литературы из 310 наименований, содержит 359 страниц текста, 166 рисунков, 26 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В машиностроении есть проблемы, которые остаются актуальными вне зависимости от уровня его развития. Одна из них – проблема надежности и долговечности машин, деталей, конструкций. На каждом витке развития техники она возникает в новом виде, заявляет о себе гораздо настойчивее, чем прежде, требует все больших усилий и затрат для ее решения. Новейшая техника все убедительнее подтверждает известное правило: чем сложнее машина, тем выше вероятность ее отказа. При этом поломка трактора на пахоте и отказ шасси самолета, идущего на посадку – разные по своим последствиям вещи. Невысокие надежность и долговечность некоторых машин вызывают необходимость приложить много усилий и средств на ремонт и восстановление их работоспособности. Эксплуатационные расходы на техническое обслуживание иных машин превышают в несколько раз затраты на их изготовление. И это наряду с тем, что показатели надежности наиболее сложной и ответственной техники, выпускаемой передовыми отраслями, значительно улучшены. Увеличение ресурсных показателей требует больших предварительных расходов на изучение загруженности конструкций, закономерностей поврежденности материалов, разработки методики и технологии повышения их прочностных характеристик, применения новых конструкторских решений и материалов.

Переменная нестационарная загруженность технических объектов способствует интенсификации повреждающих явлений. Поэтому изучение закономерностей поврежденности этих изделий, разработка моделей накопления повреждений в зависимости от различных механизмов их развития являются актуальными.

В первой главе рассматривается состояние проблемы долговечности конструкционных материалов и деталей машин при стационарном и нестационарном циклическом нагружении. Приводятся результаты исследования механизмов повреждения деталей машин и элементов конструкций, закономерностей разрушения от усталости, циклической ползучести и релаксации напряжений, механического износа и износоусталостных повреждений. Различные аспекты усталостной прочности были объектом изучения многих ученых. В трудах , , , , и других рассматриваются вопросы усталостной прочности. В частности, изучены вопросы накопления усталостной поврежденности, влияния на эти процессы конструктивных и технологических факторов различных видов, величины и характера приложения нагрузок, установлены подходы к назначению критериев потери несущей способности деталей машин и элементов конструкций, предложены модели суммирования повреждений.

Решения задач надежности механизмов и машин, представленные в работах , , дали возможность при расчетах прочности и долговечности материалов и конструкций оперировать вероятностными понятиями. Вопросы ползучести и релаксации напряжений отражены в работах , , . В них разработана фундаментальная теоретическая база по оценке прочности технических элементов в условиях ползучести, в том числе при повышенных температурах. По износу и износоусталостным повреждениям выполнены исследования , , и другими. Этот вид повреждения соответствует многим машинам транспортного назначения, поэтому развитие этого направления в связи с разработкой новой, перспективной техники является актуальным. На основании проведенного анализа были поставлены задачи исследований.

Во второй главе проведено изучение кинетики усталостного повреждения конструкционных материалов при стационарном и нестационарном нагружении с целью выявления общих закономерностей, определяющих их разрушение.

Для оценки накопления усталостных повреждений и разрушения при повторных нагрузках решающее значение принадлежит установлению фактических закономерностей микронеоднородных деформаций, проходящих по локальным объемам металла и приводящих к необратимым повреждениям. Рассмотрены особенности развития локальных остаточных деформаций, измеренных на поверхности образца вдоль реперной линии. Расстояния между реперными точками (микробазы), наносимыми алмазной пирамидой, принимались равными 10 мкм (средний размер зерна составлял 100 мкм), что позволяло надежно измерять внутризеренную неоднородность распределения деформаций по телу зерна, оцениваемую коэффициентом концентрации локальной деформации, подсчитываемой по формуле

, (1)

где - относительная локальная остаточная деформация i-го микроучастка; - средняя деформация образца; k – число микроучастков, количество которых бралось не менее 200 (рис. 1).

Рис.1. Развитие локальной микропластической деформации в стали 20 при знакосимметричном изгибе с вращением в области многоцикловой усталости. Номера 1,2,…4 соответствуют определенному числу циклов nj , n1<n2<…<n4

(зоны А, В,С, Д соответствуют разупрочнению,

зоны Е,F – упрочнению структуры металла)

В качестве меры интенсивности локальной микронеоднородной деформации при чистом знакосимметричном изгибе с вращением использовано среднее квадратичное отклонение

. (2)

Рассмотрены особенности развития микропластических деформаций при циклических нагрузках. Наличие резко выраженной неоднородности по локальным областям поликристаллического сплава создает предпосылки для постепенного входа в пластическое деформирование «слабых» микрообъемов по мере увеличения числа циклов. Кроме того, в каждом цикле нагрузка – разгрузка, с изменением напряжения при обходе по восходящей и нисходящей ветвям петли механического гистерезиса будет непрерывно изменяться доля неупруго деформирующихся микрообъемов. Такие локальные пластические деформации, проходящие на фоне общей упругой деформации матрицы, приводят к выделению остаточной деформации для всего образца и относятся к типу микропластических деформаций. В каждое мгновение нагружения, характеризуемое текущим (мгновенным) значением напряжения (рис.2,а), приращению напряжения будет соответствовать приращение деформации , которое содержит в себе как упругую , так и пластическую части:

. (3)

Рис.2. Влияние микронеоднородного пластического деформирования поликристаллического металла на развитие неупругих деформаций (а),

изменение физико-механических свойств (б).Nи-число циклов инкубационного периода

Характеристикой интенсивности прохождения локальных пластических деформаций может служить производная , которая определяет относительный вклад неупругой деформации в общую деформацию в каждый рассматриваемый момент нагружения. Показано, используя (3) и , что величина численно равна отношению дефекта мгновенного модуля нормальной упругости к первоначальному модулю :

. (4)

Естественно, что в мгновения прохождения максимального напряжения цикла, которые определяют наиболее опасное состояние, величины параметра будут принимать максимальные значения. Для сравнительных испытаний оценивали развитие неупругих явлений в металле под циклической нагрузкой осредненными значениями отношений

; , (5)

где , - пластическая и полная деформации за цикл нагружения; - коэффициент рассеяния энергии; - полная энергия за цикл нагружения, приближенное равенство в (5) соответствует описанию формы петли механического гистерезиса квадратичной параболой ; - дефект модуля упругости и его первоначальное значение. Если известны значения прогибов при изгибе в текущие моменты времени

, (6)

где F – нагрузка на образец; а – коэффициент; J – осевой момент инерции,

то изменение модуля нормальной упругости, оцениваемое его дефектом, будет выражаться формулой

. (7)

Если эти характеристики получены при неоднородном напряженном состоянии (чистом циклическом изгибе с вращением), то они не определяют истинные значения, относящиеся к поверхностному слою материала, а являются средней величиной по всему единичному объему материала. Однако, для получения сравнительных данных по развитию неупругих явлений при усталости указанные характеристики могут дать ценные сведения об интенсивности процесса поврежденности металла при циклической нагрузке.

Рис. 3. Интенсивность локальных микропластических деформаций и развитие неупругих свойств материала

- определены значениями ,

-

На рис.3 показано изменение среднеквадратичного отклонения микронеоднородной деформации в процессе циклического деформирования для стали 20 при амплитуде и одновременное изменение её неупругих свойств, определяемых отношением . Показано, что развитие неупругих свойств легированных сталей при стационарном циклическом нагружении

, (8)

где А= 3400000; k=1.35 –постоянные; -коэффициенты рассеяния энергии материала на стабилизированном участке деформирования или при n=N/2 для исследуемой амплитуды напряжения и амплитуды напряжения на пределе выносливости материала, связанных с неупругостью выражениями (5) (рис.4).

Сравнение результатов экспериментов и расчетов долговечности для различных марок конструкционных сталей по уравнению (8) представлено на рис. 4. Линиями показаны расчетные значения, а точками - полученные экспериментальные результаты. Сходимость результатов опыта и расчетов на основе рассматриваемых критериев деформационного и энергетического характера (5),(6) указывает на то, что выбранные параметры оценки накопления

Рис.4. Кривые выносливости конструкционных сталей при знакосимметричном изгибе с вращением:

1 – техн. железо;2 – сталь 40; 3 – сталь 20; 4 – сталь У8; 5 – сталь 12ХН3А; сталь 40Х

усталостных повреждений с достаточной для инженерной практики точностью описывают долговечность исследуемых марок сталей в многоцикловой области усталости. Анализ процесса повреждения конструкционных материалов ещё раз показал целесообразность разделения энергии, рассеиваемой металлом при циклическом нагружении, на «опасную» и «неопасную» её части. «Неопасная» часть энергии, которую способен рассеивать материал в ходе циклического деформирования, может рассматриваться как критерий, от уровня которого зависит надежность работы системы при колебаниях в условиях циклических нагрузок. Причем коэффициент рассеяния , характеризующий данную «неопасную» часть энергии для ряда конструкционных сталей, принимает достаточно большое значение, которое свойственно сплавам высокого демпфирования.

Таким образом, при разработке моделей усталостного повреждения металлов, особенно при нерегулярном нагружении, выявлена необходимость учитывать кинетику изменения свойств материала в процессе циклического нагружения, проявляющуюся в стадийности процесса усталости и связанную с накоплением в его структуре рассеянных повреждений. Введение в модели суммирования усталостных повреждений структурно-чувствительных параметров позволит уточнить оценку ресурса деталей машин и элементов конструкций.

Так, изменение интенсивности микропластического деформирования, в связи с имеющим место влиянием предварительного циклического деформирования, оценивали отношением , определяемым соответственно при нестационарном (индекс н) и стационарном (индекс с) режимах нагружения по петле механического гистерезиса при растяжении-сжатии или дефекту модуля при чистом изгибе с вращением :

, (9)

где εn, ε - пластическая и общая части деформации материала при нагружении на установившемся участке деформации (значения и отмечены на рис.5,а, 5,б).

Рис. 5. Кривые изменения неупругих свойств для стали 40 при стационарных режимах нагружения (1-2) и нестационарных (3-10) после различной продолжительности циклической перегрузки: а – нестационарные режимы испытаний при ; б – нестационарные режимы испытаний при ; nк – критическое число циклов, выявляющее характер действия нагрузки на уровень долговечности.

Эксперименты показали, что все исследованные углеродистые стали в большей или меньшей степени склонны к проявлению наследственности, причем величина непосредственно зависит от уровня перегрузки (или недогрузки) и для 2- ступенчатого режима нагружения описывается уравнением

, (10)

которое в двойных логарифмических координатах представляется прямой линией. Величина в уравнении (10) характеризует индивидуальные свойства материала и отражает его способность помнить предысторию циклических нагружений, увеличивая или уменьшая интенсивность усталостного повреждения металла на второй ступени нагружения в зависимости от режима нагружения. Ниже приводятся средние значения показателя наследственности для некоторых испытанных углеродистых сталей.

Сталь У8 b = 1.5, Сталь 20 b = 1.8, Сталь 40 b = 2.3.

Как показали исследования, только при очень кратковременных циклических перегрузках ,где nк – критическое число циклов нагружения, наблюдается аномальное поведение материала (рис.5,б), выражающееся в том, что перегрузочный режим начинает оказывать положительное влияние на последующее циклическое деформирование металла. В этом случае остаточная долговечность на 2-й ступени нагружения превышает исходную долговечность материала, определяемую при стационарном циклическом нагружении при меньшем напряжении , и сумма оказывается больше единицы ().

Надежность и долговечность элементов конструкций, испытывающих циклические нагрузки и колебания, определяются как усталостной прочностью материала, так и его способностью к рассеянию энергии. При амплитудах нагружений, представляющих интерес для инженерной практики, рассеяние энергии в большинстве конструкционных материалов обусловливается в основном микропластическими деформациями, приводящими к развитию несовершенной упругости, а также накоплению усталостных повреждений.

Демпфирующие свойства конструкционных материалов различаются весьма существенно: до двух и более порядков. В этом отношении представляет интерес выбор такого вида обработки металла, который сохранял бы демпфирующую способность материала при последующей его работе в условиях деформационного старения при нормальной или повышенной температуре. Установлено оптимальное число циклов тренировки металла перегрузкой , при которой достигается наибольший эффект увеличения долговечности, одновременно при сохранении материалом достаточно высокого уровня демпфирующей способности. Величина всегда несколько меньше .

Проведенные исследования показали, что применение дозированной кратковременной циклической перегрузки при 0,3÷10 тысяч циклов без отдыха обеспечивает надежную тренировку металла без внесения в него «опасных» усталостных повреждений, уменьшающих его усталостную прочность. Во всех случаях оптимальное число циклов тренировки меньше критического в 2-6 раз (рис.5). Замечено, что в этом случае наблюдается повышение исходного предела усталости на 4-9%. Это дополнительно снижает вероятность внесения в металл усталостных повреждений.