Исследование влияния термической предыстории машиностроительных сталей на долговечность металлоконструкций

Проектирование конкурентоспособных образцов техники и оценка остаточного ресурса сооружений требует постоянного совершенствования методов расчета прочности и долговечности, учитывающие влияние технологической наследственности.

При анализе повреждений конструкций перегрузочных комплексов в качестве одной из причин их появления являются ошибки при проектировании и проведении технологических операций. Конструкции проектируют и создают на основе действующих норм, опыта и традиций. Причины повреждений связаны с отсутствием необходимых на данном этапе новых знаний. Сказанное можно отнести к усталости материалов конструкций перегрузочных комплексов. Решение этой задачи далеко от завершения, о чем говорит не уменьшающееся количество усталостных повреждений конструкций грузоподъемных машин. В последние два десятилетия порты Дальнего Востока были оснащены перегрузочными комплексами зарубежного производства. Как правило, эти конструкции проектировались для благоприятных условий в отличие от дальневосточных регионов, где преобладает муссонный климат, сопровождаемый ветровыми нагрузками и резкими колебаниями температур. Это заставило обратиться к оценке усталостной прочности конструкций.

Вопросы обеспечения прочности деталей машин и элементов конструкций с учетом технологической наследственности (термообработки) в условиях работы при переменных нагрузках в современном машиностроении имеют большое значение. По мере повышения скоростей работы и нагруженности машин явления усталости становятся все более опасными для надежной эксплуатации. В связи с этим важное значение приобретает возможность точного предсказания длительной безопасной работы в условиях нестационарной напряженности, обычно имеющей место при эксплуатации машин и механизмов.

Некоторые аспекты проблемы многоцикловой усталости металлов возникли относительно недавно и находятся еще на стадии разработки. К таким аспектам относятся прогнозирование долговечности с позиции термодинамики необратимых процессов в условиях сложного режима нагружения с различной асимметрией цикла. Для характеристики сопротивляемости металла действию переменных напряжений с различной асимметрией цикла строится диаграмма предельных напряжений, которая требует своего дальнейшего совершенствования.

Существующие условия эквивалентности циклически напряженных состояний и формулы суммирования усталостных повреждений применимы лишь при значительных ограничениях. Кроме того, ощущается недостаточность экспериментальных данных о влиянии различных видов термообработки на механические и термодинамические характеристики, влияющие на многоцикловую усталость сталей. Поэтому рассматриваемая задача построения и экспериментальной проверки расчетных методов оценки усталостной долговечности с учетом термической предыстории является весьма актуальной.

Важным аспектом проблемы долговечности и надежности конструкций является разработка физически обоснованных критериев циклической прочности при сложных видах напряженного состояния и изгибе. Достижения физических методов исследования позволили в 20-х годах прошлого века более глубоко проникнуть в сущность явлений, протекающих в процессе деформирования. В результате Я. И. Френкелем, Дж. Тейлором, Е. Орованом и др. были предложены элементы дислокационной теории прочности, в том числе, усталостной. Одновременно с развитием теории дислокации появилось научное направление, развивавшее энергетические представления о механизмах и закономерностях деформации и разрушения твердых тел.

Вопросам усталостной прочности посвящены работы И. А. Одинга, С. В. Серенсена, Н. Н. Давиденкова, И. В. Кудрявцева, Н. Н. Афанасьева, С. И. Кишки-ной. Г. В. Карпенко, Я. Б. Фридмана, С. Д. Волкова, В. В. Болотина, С. Ф. Медведева, JI. М. Школьника, Г. С. Писаренко, В. М. Гребеника, JI. Д. Соколова, А. П. Гусенкова, Н. А. Махутова, Ю. В. Головешкина, В. А. Быкова, А. И. Максимаджи, С. В. Петинова, В. М. Волкова, Г. А. Лаврушина, Г. В. Матохина, А. П. Аносова и др. Разработано большое количество различных критериев циклической прочности, большинство из которых оперирует размахами напряжений или деформаций. В то же время отмечено [84], что «использование напряжения или деформации в качестве параметра, характеризующего усталостное повреждение, ведет к формулировке условных критериев разрушения».

Физически более совершенными являются энергетические критерии, в которых мерой повреждения служит работа, затрачиваемая на пластическое деформирование. В этом направлении известны работы А. Надаи, В. С. Ивановой, Д. Морроу, Ч. Фелтнера, А. Н. Романова, П. А. Павлова. Из энергетических подходов наиболее перспективным представляется метод исследования усталости, основанный на принципах термодинамики необратимых процессов, который не изучая детально тонкие механизмы процесса разрушения, позволяет в то же время делать столь же достоверные выводы, как и фундаментальные законы, лежащие в основе термодинамики. В этой области известны исследования В. С. Ивановой и В. Т. Трощенко.

Принципиальное значение при разработке энергетических критериев усталостного разрушения металлов имеет установление методов разделения рассеянной в металле энергии на «опасную» с точки зрения усталостного разрушения и «неопасную», а также физическая интерпретация «опасной» части энергии [103]. Здесь наиболее известны работы В. В Федорова и его учеников.

Опубликованные до настоящего времени результаты исследований названных авторов [111,29,112,103] распространяются только на случай одноосного циклического нагружения некоторых машиностроительных сталей. По сталям, работающим в составе корпусных конструкций в условиях сложного напряженного состояния, работ этого направления практически нет (недостаточно[1−5]), а так же мало изученным является влияние коэффициента асимметрии цикла на процесс накопления усталостных повреждений. Следует также отметить, что не отражено влияние различных режимов термообработки на термодинамические показатели процессов развития накопления повреждений. В данной работе рассматривается энергия повреждаемости служащая мерой оценки накопленной повреж-денности в материале деталей машин и элементов конструкций.

По современным представлениям деформирование и разрушение твердых тел является кинетическим и необратимым процессом[91]. С точки зрения кинетики процесса, разрушение твердых тел разделяют на два периода. В первом периоде объемной (квазигомогенной) повреждаемости в деформируемом элементе тела зарождаются и накапливаются различного рода дефекты и повреждения. В локальном объеме материала с критической (предельной) плотностью дефектов и повреждений зарождаются субмикротрещины с последующим образованием трещин. Второй период разрушения твердого тела характеризуется развитием (ростом) макротрещины с прогрессирующей скоростью. Соотношение между длительностью этих периодов изменяется в широких пределах и зависит от физико-химической природы и структуры материала, так и условий, характеризующих процесс.

Физический смысл повреждаемости вряд ли можно точно определить. Делались попытки оценить степень поврежденности материала количественно, путем определения физическими методами других параметров, характеризующих структуру и свойства материала (например, внутреннее трение, изменение модуля упругости, электросопротивление и т. д.). В качестве средств физического анализа использовали механические и магнитоупругие испытания, оптическую и электронную микроскопию, метод рассеяния рентгеновских лучей под малыми углами и др. 112]. Оказалось, что оценка степени поврежденности одного и того же материала различна и зависит от выбранного параметра и способа его индикации. Все это свидетельствует о сложности построения модели накопления повреждений, основанной на физически обоснованной концепции о процессах, протекающих на разномасштабных структурных уровнях. Несмотря на большой прогресс в области развития структурных моделей накопления повреждений [111], имеющиеся предложения в этой части пока следует рассматривать как основу одного из перспективных направлений в механике материалов. Подробный обзор критериев структурной концепции дан в книге B.C. Ивановой и А. А. Шанявского [20]. На сегодняшний день структурная концепция находится на стадии активного развития в теоретическом и экспериментальном планах [20].

Цель работы — теоретическое и экспериментальное обоснование критериев усталостной прочности, учитывающее влияние вида термообработки, и оценка ресурса элементов конструкций при разных коэффициентах асимметрии цикла на основе термодинамики необратимых процессов и силового подхода.

Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:

1. Проведен анализ причин усталостных повреждений элементов конструкций перегрузочных комплексов. Исследованы особенности процесса накопления усталостных повреждений.

2. Обоснована методика определения необратимых затрат энергии при циклическом деформировании стальных образцов, прошедших различную термообработку, при разных коэффициентах асимметрии цикла на основе фазометрического метода.

3. Исследованы параметры упругопластического деформирования машиностроительных сталей при многоцикловой усталости и тепловой эффект циклической деформации при разных коэффициентах асимметрии цикла.

4. Исследованы необратимые затраты энергии в процессе циклического деформирования.

5. На основе экспериментальных данных разработана методика оценки повреждаемости и критерии циклической прочности машиностроительных сталей при разных коэффициентах асимметрии цикла.

6. Исследовано влияние среднего нормального напряжения для разных баз испытания. Построены диаграммы Хея — Зодерберга. Построен критерий оценки долговечности с позиции феноменологического подхода.

7. Обоснован выбор расчетных зависимостей для оценки циклической прочности и долговечности перегрузочных комплексов.

8. Обоснованы режимы термообработки для повышения ресурса деталей машин и элементов конструкций.

Методы исследований. При решении вышеуказанных задач были использованы современные методы исследования закономерностей накопления усталостных повреждений: термодинамика необратимых процессов, теория усталости, механика разрушения, строительная механика, механика деформированного твердого тела. Использованы экспериментальные методы ряда авторов, натурные опыты на реальных конструкциях. При обработке результатов экспериментов применялись методы математической статистики, вычислительная техника.

Научная новизна работы.

1. Исследованы закономерности накопления повреждающей энергии машиностроительных сталей после термообработки при разных коэффициентах асимметрии цикла.

2. Разработана методика расчета поврежденности и ресурса машиностроительных сталей с учетом влияния термической предыстории. Подтверждена линейная гипотеза суммирования повреждений.

3. Получены энергетические и механические критерии усталостной прочности машиностроительных сталей после разных видов термообработки. Показана их работоспособность при проектировании и оценке ресурса деталей машин и элементов конструкций.

4. Установлено влияние термообработки на термодинамические характеристики материала.

5. Показана работоспособность предложенных критериев при проектировании и оценки ресурса деталей машин и элементов конструкций с учетом влияния термической предыстории.

Практическая ценность работы. Результаты работы использованы при проведении исследований в рамках трех научно-технических программ:

1. «Разработка методики определения предельного состояния конструкций перегрузочных комплексов при эксплуатации в условиях Дальнего Востока» — в рамках межвузовской региональной программы «Научно-технические и социально-экономические проблемы развития Дальневосточного региона России», 20 002 003 годы.

2. «Теория и методы исследования предельных состояний тонкостенных конструкций и стержневых систем» — в рамках межвузовской научно-технической программы Министерства образования Российской Федерации, 2000;2003 годы.

3. Разработка и исследование принципов расчета усталостной прочности конструкций — в рамках межвузовской научно-технической программы Министерства образования Российской Федерации, 2000;2002 годы.

Результаты экспериментальных исследований процесса накопления повреждений с учетом технологической наследственности и полученные расчетные зависимости в сочетании с оценкой усталостной поврежденности машиностроительных сталей указывают на возможность разработки практического метода диагностики поврежденности конструкций перегрузочных комплексов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментального исследования кинетики накопления усталостных повреждений при разных коэффициентах асимметрии цикла.

2. Результаты экспериментального исследования кинетики накопления повреждений в машиностроительных сталях после различной термообработки при циклическом деформировании в области многоцикловой усталости.

3. Критерии усталостной прочности с позиции термодинамики необратимых процессов.

4. Критерии усталостной прочности с позиции феноменологического подхода.

5. Основы методики оценки остаточной долговечности элементов машин и конструкций перегрузочных комплексов.

6. Оценка влияния термообработки на долговечность элементов деталей машин и конструкций.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных и региональных конференциях в том числе: Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения, 4-я Международная конференция по машиностроению в Санкт-Петербурге (2001) — конференции преподавателей и сотрудников ДВГТУ (ДВПИ) (2000;2003) — научно-техническая конференция ДВГТУ «Вологдинские чтения» (2000;2002) — Fourth and fifth International Young Scholars Forum of the Asia-Pacific Region Countries (2001,2002).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе: 2 в материалах международных конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Она содержит 126 страниц машинописного текста, 72 рисунка, 24 таблицы, а также список литературы из 119 наименований на 11 страницах.

Основные результаты проведенных исследований диссертационной работы состоят в следующем:

1. На основе термодинамической концепции усталости теоретически и экспериментально обоснованы и разработаны критерии усталостной прочности для машиностроительных сталей с учетом влияния термообработки.

2. Разработан механический критерий усталостной прочности машиностроительных сталей учитывающий влияние коэффициента асимметрии цикла.

3. Показано влияние термообработки на динамику изменения энергетического баланса при циклическом нагружении образцов из сталей. Из сопоставительного анализа петель гистерезиса установлено, что наименьшая энергия повреждения за цикл приходится на стали прошедшие улучшение и нормализацию. Этот вывод подтверждается увеличением долговечности в 2 и более раз.

4. Исследована кинетика процесса накопления повреждений в области многоцикловой усталости при различных видах коэффициента асимметрии цикла.

5. Проведена оценка ресурса и усталостных разрушений деталей машин и элементов конструкций перегрузочных комплексов на основе предлагаемых критериев усталостной прочности.

6. Предложены инженерные решения по модернизации узлов несущих конструкций перегрузочных комплексов с проведением соответствующих режимов термообработки повышающих ресурс сооружений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.