WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Рис. 1 Схематическое изображение многоцикловой области кривой усталости в логарифмической системе координат: P – предел выносливости (точка перегиба кривой усталости); N – число циклов нагружения; R – напряжение (МПа), соответствующее пределу выносливости; NG – абсцисса точки перегиба кривой усталости (число циклов нагружения, соответствующее переходу кривой усталости в горизонтальный участок); – структурночувствительный параметр сопротивления усталости металлов; *, N* – условные, физически нереализуемые величины напряжения и долговечности, при которых спрямленная кривая усталости пересекает оси координат, 1 и 2 – экспериментальные точки, соответствующие разрушению исследуемых объектов после некоторого числа циклов нагружения N1 и N2 при заданных уровнях напряжения 1 и 2; lg = lg * - tg()lgN – уравнение левой ветви кривой усталости; - характеристический угол предела выносливости.

Во второй главе приводятся теоретические исследования физической природы разрушения с позиций механических, энергетических и синергетических представлений, учитывающих многостадийность, многомасштабность и статистическую природу прочностных и пластических свойств металлов, от характеристик которых зависит поведение кривых усталости. Во время работы детали машин подвержены ряду воздействий, которые приводят к изменению их работоспособности, причем первичные изменения всегда начинаются в структуре на разных масштабных уровнях и проявляются в свойствах материала. На Рис. представлены примеры разрушения деталей при циклическом нагружении.

Одной из важнейших характеристик материала, противостоящей воздействиям, является энергоемкость - предельная удельная энергия деформации Wc.

Wc = 0,5(у + Sk ) епред m, (1) где m - предел текучести;

Sk - истинное сопротивление разрушению;

пред - предельная деформация до разрушения.

Установлено, что от уровня Wc зависят все физические явления в поведении материалов, в том числе усталостное разрушение, связанное с зарождением и распространением трещин, т.е. вся кинетика разрушения и работоспособность материала. Величина Wc зависит от четырех факторов состояния. В работах В. А.

Скуднова этими четырьмя факторами названы следующие:

- твердость – силовой фактор;

Рис. 2 Примеры разрушения деталей (а, б, в, г) и микроструктур материала (д, е, ж, з) при циклическом нагружении: а, б – разрушение распределительного вала ДВС; в, г – разрушение коленчатого вала ДВС; д - микроструктура стали 12Х18Н12Т после циклической деформации при 180 С, х500; е - повреждение поверхности образцов стали 30ХГСН2А после испытаний на усталость, х250; ж – микроструктура стали 45 после испытаний на усталость, х800; з – микроструктура стали Ст3 после испытаний на сжатие, х450.

- дефектность или повреждаемость разного масштаба (суб, микро, макро) – пространственно-геометрический фактор;

- релаксация внутренних напряжений – временной фактор;

- напряженно-деформированное состояние – энергетический фактор.

В работе показано, что закономерности повреждения и усталости материалов объективно следует рассматривать на мезоскопическом уровне по полосам скольжения, которые возникают случайно в любом объеме материала детали.

При усталости (при циклическом нагружении) наступление предельного состояния у хрупких и пластичных материалов подобно поведению металлов при статическом нагружении, которое оценивается в линейной механике и синергетике с общих позиций о разрушении. Поэтому усталость различных материалов можно рассматривать с позиций разрушения.

Также во второй главе показана связь предельных характеристик металлов с их четырьмя вышеназванными параметрами состояния, представленными в работах В.

А. Скуднова на основе взаимосвязи критериев пластической деформации разрушения.

Vp HB -2 eaП Epx m = e m Vд (пред - ) m0 y. (2) Vp HB -2 Epx -eaП k = e m Vд (пред - ) k 0 y. (3) ln (1- Epx ) = 1 +. (4) пред Vp HB - 2 eaП Vд m Vp HB = 0 exp - - 2eaП ( - ) пред у. (5) Vд m k = - HB, (6) Kц N - 2eaП - ln 1- Epx m ( - ) пред у где Ерх - степень разрыхления металла, равная Ерх = 1 ; (7) 0 - исходная плотность металла;

Vр/Vд - отношение скоростей релаксации внутренних напряжений нагружения;

П - произведение коэффициента формы очага разрушения () на показатель напряженного состояния (П);

НВ - твердость по Бринеллю;

у - упругая деформация;

Кц - коэффициент формы цикла;

N -число циклов нагружения.

На основании анализа моделей усталости (термодинамическая, синергетическая, статистическая вероятностная, структурно- энергетическая, кинетическая) могут быть получены обобщенные закономерности усталости. За основу была взята кинетическая модель, сформулированная С.Н.

Журковым, как наиболее близкая к оценке износостойкости металлов. Основное соотношение модели записывается следующим образом:

& p E = const, (8) где 0 – скорость пластической деформации;

р – время до разрушения.

U ( ) = exp (9) p kT U ( ) &= & E E0 exp сдв (10) kT (9) - скорость процесса разрушения, зависящая от нормальных напряжений, температуры Т, 0 - постоянная;

(10) - скорость пластической деформации, зависящая от касательных напряжений сдв, температуры Т, 0 —постоянная.

Очевидно, что это произведение пропорционально предельной деформации пред(П) при произвольном напряженном состоянии П, например, при растяжении - это показатели пластичности: удлинение, сужение и т.д., т.е. можно записать:

. (11) & p E = const1 (П) = const2 = constпред Поскольку материалы различаются исходным разрыхлением, то уравнение (11) можно представить в виде:

& p E = const4 Epx (П), (12) пред где Ерх - степень разрыхления структуры металла.

Левая и правая части уравнений (11) и (12) - безразмерные. Представим (12) в виде уравнения выносливости (способности противостоять усталости), т.е. время разрушения структуры при данном напряжённом состоянии, приходящееся на единицу деформации (или единицу массы металла):

фp Epx. (13) B = = const& епред(П) E Используя выражение (1), запишем уравнение (13) в виде фp фp Epx B = (у + Sk ) = k HB = const4 & m. (14) 2 Wc Wc E, (15) (т + Sk ) = k HB где k = (0,60...0,7) - коэффициент пропорциональности.

Изложенное в главе обоснование механического поведения металлов позволяет оперативно и достаточно точно прогнозировать усталостную прочность и долговечность деталей любых размеров и формы при различных частотах нагружения и в случае асимметричности действующей нагрузки. Учитывается также влияние температуры и концентрации напряжений. В рамках предлагаемого метода учитывается неодинаковость свойств материала детали на поверхности и во внутреннем объеме, что позволяет учесть реальное поведение металла в процессе циклического нагружения. Математический аппарат, лежащий в основе метода, позволяет учесть неограниченное число действующих на материал детали факторов, их взаимное ослабление и усиление при совместном действии.

Рассмотрен метод, разработанный Шетуловым Д. И., основанный на использовании связи показателя сопротивления усталости конструкционных металлических материалов (угла наклона кривой усталости к оси числа циклов нагружения) и повреждаемости поверхности, определяемой по полосам скольжения.

Сопоставление различных методов между собой с использованием вышеуказанной системы классификации позволило выявить как наиболее универсальный метод определения показателей усталостной прочности и долговечности по повреждаемости поверхности.

Данный метод удачно отвечает большинству указанных требований:

- метод основан на рассмотрении процессов накопления повреждаемости поверхностных слоев конструкционного материала в процессе циклического нагружения и подразумевает учет процессов в реальном анизотропном твердом теле;

- метод позволяет по характеристикам левого наклонного участка построить всю кривую усталости;

- метод учитывает суммирование повреждений не только от постоянных по величине циклических нагрузок, но также и от циклических нагрузок, изменяемых дискретно или плавно;

- математический аппарат, реализованный для описания поведения конструкционного материала, позволяет учесть неограниченное число действующих на объект факторов, взаимодействие этих факторов между собой (взаимное усиление или ослабление);

- метод позволяет учитывать и систематизировать любые результаты исследований усталостной прочности и долговечности;

- метод не требует проведения испытаний для получения прогноза (испытаниям в данном случае придается статус контрольных, выполняемых для проверки точности прогноза, в отличие от других методов, в которых испытания нужны для выполнения прогноза);

- метод позволяет прогнозировать показатели усталостной прочности и долговечности как для лабораторных образцов, так и для реальных деталей.

Есть еще шесть обычно выделяемых признаков, по которым данный метод является привлекательным:

- малая продолжительность испытаний ( чаще всего они не нужны совсем);

- достаточная простота (не требуется сложная аппаратура и работники высокой квалификации);

- удовлетворительная точность (конкурентоспособность в сравнении с длительными методами);

- пригодность при минимальном располагаемом количестве испытуемых объектов;

- возможность по испытаниям одного объекта дать оценку и предела выносливости, и положения наклонного участка кривой усталости;

- ограниченный объем выполняемых вычислений.

Именно метод прогноза кривых усталости по повреждаемости микроструктуры поверхности металлов явился методологической основой разрабатываемых в данной работе методов прогноза показателей сопротивления усталости сталей.

В третьей главе представлена общая характеристика исследуемых данных по усталости сталей. Дана общая характеристика источников экспериментальных данных, среди которых - объективно ограниченные по объему экспериментальные данные, полученные автором при обработке результатов испытаний на усталость лабораторных образцов и натурных деталей, а также данные, полученные другими авторами и опубликованные ими в литературе.

На Рис. 3, 4, 5 представлены рассматриваемые в исследовании результаты испытаний на усталость, в ходе которых экспериментально были определены значения пределов выносливости. Общее количество приведенных на этих рисунках кривых усталости - 192. Для упрощения рисунка на нем представлены лишь точки перегиба (пределы выносливости) рассматриваемых в исследовании кривых усталости. Из рисунков видно, что простое сопоставление параметров сопротивления усталости не позволяет выявить какие-либо закономерности универсального характера, выполняющиеся для всех без исключения экспериментальных данных.

Рис. 3 Положение точек перегиба кривых усталости металлов в многоцикловой области, представленных в базе данных информационной системы ( – напряжение, МПа; N – число циклов нагружения).

Рис. 4 Положение точек перегиба кривых усталости металлов в многоцикловой области, представленных в базе данных информационной системы (tg – тангенс угла наклона; N – число циклов нагружения).

Рис. 5 Положение точек перегиба кривых усталости металлов в многоцикловой области, представленных в базе данных информационной системы (tg – тангенс угла наклона; – напряжение, МПа).

Предложен способ преобразования данных для выявления зависимости.

Обоснован предлагаемый метод обобщения и комплексного представления информации по усталости сталей. Охарактеризованы основные этапы выполнения предлагаемой процедуры преобразования и получаемый эффект от его использования.

В главе детально рассмотрено и исследовано используемое в дальнейшем преобразование экспериментальных данных. Предлагаемое преобразование включает в себя нормировку всех кривых усталости и учет связи структурно-чувствительного параметра сопротивления усталости с характеристиками положения предела выносливости.

В частности, для предела выносливости эти нормированные координаты рассчитываются следующим образом:

n = (R/*), (16) Nn = (NG/N*). (17) Предложенное преобразование позволяет перевести любую кривую усталости из системы логарифмических координат на одну поверхность в трехмерном пространстве преобразованных координат. При этом образующая этой поверхности представляет собой прямую вида y=1-x, а направляющая параллельна оси, на которой отложен угол наклона кривой усталости.

Следующий этап преобразования заключается в совместном рассмотрении в системе нормированных координат всех пределов выносливости кривых усталости, вошедших в базу данных.

Рассмотрение экспериментальных данных в форме их преобразованных аналогов принципиальным образом меняет характер зависимостей, получаемых при совместном графическом представлении данных о точках перегиба кривых усталости.

Те же самые данные, что были представлены на Рис. 3, 4, 5, в случае попарного рассмотрения преобразованных показателей сопротивления усталости позволяют получить результаты, показанные на Рис. 6, 7, 8.

Рис. 6 Сопоставление нормированной прочности и нормированной долговечности (нормированная прочность – п; нормированная долговечность - Nп) Рис. 7 Сопоставление нормированной прочности и нормированного угла наклона кривой усталости к оси числа циклов нагружения (нормированная прочность – п; нормированный тангенс угла наклона - tg ) Рис. 8 Сопоставление нормированной долговечности и нормированного угла наклона кривой усталости к оси числа циклов нагружения (нормированная долговечность - Nп;

нормированный тангенс угла наклона - tg ) Рассмотрение зависимости нормированных параметров в пространстве нормированных координат позволяет получить следующую картину (Рис. 9 и 10).

Рис. 9 Обобщенная зависимость нормированных параметров сопротивления усталости металлических материалов Рис. 10 Увеличенная часть обобщенной зависимости нормированных параметров, содержащая основную долю экспериментальных точек В этой же главе описан способ получения обобщенного информационного критерия сопротивления усталости сталей, представленного на Рис. 11, и приведено его уравнение:

Рис. 11 Обобщенный информационный критерий сопротивления усталости сталей.

B = (NП )2 + (1- )(18) П.

Обоснована необходимость металловедческого рассмотрения процессов разрушения и описания интенсивности их прохождения интегральными, структурно чувствительными показателями.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.