WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 8 05 Динамическая усталость © С.Н. Буравова, С.М. Гаврилкин, Ю.А. Гордополов Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, 142432 Черноголовка, Московская область, Россия e-mail: gordop@ism.as.ru (Поступило в Редакцию 29 марта 2004 г. В окончательной редакции 28 декабря 2004 г.) Динамическая усталость отличается от квазистатической откольной природой повреждаемости. Следствием откольной природы является поочередное возникновение продольных трещин, каждая из которых сама становится источником разгрузки. Фокусировка или интерференция волн разгрузки определяет место зарождения и развития канальных и кольцевых трещин, поэтому дефекты поверхности, существующие изначально, остаются „неработоспособными“. Другим следствием откольной природы повреждаемости является определяющее влияние ориентации боковых граней ударников ограниченных размеров, от которых зависит интенсивность возникающей боковой волны разгрузки.

Введение Детонационные покрытия из карбида хрома, плакированного никелевой связкой (размер частиц 40-60 µm), Импульсное нагружение отличается от квазистатитолщиной до 500 µm облучались импульсным лазерческого волновым характером нагружения. Повреждаеным излучением с длиной волны 1.06 nm и длительномость имеет откольную природу и локализуется в местью 8-10 ms. Напыление проводилсь на автоматичестах встречи волн разгрузки, сопровождающих импульс ской установке „Корунд“ продуктами детонации смеси сжатия. В настоящее время достаточно хорошо изучены пропана–бутана с кислородом. Обработанные образцы одномерные откольные разрушения, показан временной подвергались металлографическому анализу на приборе характер накопления повреждений в процессе растяNeophot-30. Интенсивность ударных волн, возникающая жения образца однократными волнами разгрузки [1].

при лазерном облучении, близка к той, которая созОднако существует множество объектов техники, поддается при ударе частиц со скоростью 50-250 ms-вергающихся действию ударников ограниченных раз(M0 = 0.01-0.05 — число Маха, равное отношению меров при малых скоростях удара, когда разрушение скорости удара к скорости звука). На рис. 1 припроисходит после накопления повреждений в результате ведены поперечные шлифы облученных образцов. Из многократных нагружений. К таким объектам относятся рисунка видно, что облучение создает на поверхности паровые турбины, обшивки летательных аппаратов, винпреграды кратер и продольную трещину под ним и ты быстроходных судов, горелки пылевидного топлива, поперечная трещина локализуется рядом с зоной прижелезнодорожные рельсы. Важнейшей проблемой пуложения нагрузки (рис. 1,a). Увеличение мощности тевого хозяйства стали контактно-усталостные поврежоблучения сопровождается образованием системы более дения головок рельсов в области, где возникают сжимелких продольных трещин, сопутствующих основной, мающие напряжения. Причина появления продольных и центральной (рис. 1,b). Система продольных трещин поперечных трещин там, где они по всем правилам не наблюдается при облучении хрупких плавленых покрыдолжны появляться, не ясна [2]. Нагружение поверхнотий из оксида алюминия. Облучение детонационных сти при скоростях удара ниже 200-300 ms-1 принято покрытий из карбида вольфрама с никелевой связкой рассматривать в квазистатическом приближении. Это (размер частиц около 100 µm) также сопровождается очень распространенное мнение. Видимо, это одна из образованием продольных трещин. Однако глубина их причин, почему не удается объяснить возникновение проникновения существенно меньше, поскольку более дефектов рельсов, появление поперечных трещин на крупные частицы в покрытии способны препятствовать стационарной стадии капельной эрозии, образование распространению трещин в глубь преграды.

раковин в кратерах при кавитационных воздействиях, колотых трещин на лопатках паровых турбин и т. д. Целью работы является выявление особенностей усталостного Эрозионная повреждаемость разрушения поверхности в условиях многократных имповерхности при низкоскоростных пульсных низкоскоростных нагружений.

нагрузках Действие ударника ограниченных размеров сопровожЭкспериментальные данные дается возникновением волн сжатия во взаимодействуЭкспериментальное исследование особенностей рас- ющих телах и одновременно с ними центрированной пространения волновой нагрузки рассматривается на волны разгрузки, центром которой является граница примере воздействия импульсного лазерного облучения. контактной поверхности контактирующих тел, а ис76 С.Н. Буравова, С.М. Гаврилкин, Ю.А. Гордополов Рис. 1. Поперечные шлифы облученного образца с детонационным покрытием из карбида хрома, плакированного никелем, после импульсного лазерного облучения: a — продольная трещина, b — поперечная.

точником волны разгрузки является пространство, ку- Встреча боковых волн разгрузки на оси симметрии да входит импульс сжатия. Волна разгрузки ослабля- приводит к образованию канальной зоны растягивающих ет и искривляет ударную волну [3,4]. Распростране- напряжений. Растяжение обязано второй волне разгрузние волн рассматривается в двумерном приближении.

ки, именно она сообщает поступательную скорость боСистема уравнений сохранения, описывающая процесс ковым граням частицы ub/c0 = 0.5(n + 1)b sin 0. При взаимодействия деформированных тел, решается метонизкоскоростном нагружении напряжение в зоне растядом характеристик с использованием малого параметра жения существенно меньше откольной прочности мате = 0.5(n + 1)u/c0 = 0.5(n + 1)P/0c2, через который 0 риала Ps us/c0 = Ps/0c2. Поэтому нарушение сплошможно выразить все характеристики потока. Здесь u — ности происходит после накопления деформации в ремассовая скорость; P —давление; n — показатель изжиме динамической усталости. Число циклов нагружеэнтропы; 0, c0 — плотность и скорость звука невозмуния N0, необходимое для достижения откольной прочнощенного материала. Каждое состояние на искривленном сти, определяется выражением фронте, характеризуемое параметром, перемещается в пространстве по прямолинейным траекториям, угол 1 s N0 = - 1. (2) наклона которых с лицевой поверхностью преграды b sin определяется выражением Здесь — упруго-пластический гистерезис. Число N1 + 2 0 - 0.50 - tg =. (1) характеризует сопротивляемость материала эрозионно2 - му изнашиванию. На поверхности возникает разрыв, Здесь 0 = 0.5(n + 1)u0/c0, u0 — массовая скорость пора, которая при дальнейшем нагружении прорастает входящей ударной волны. Интенсивность ударной волны в глубь материала в виде канальной трещины. Одна боковой грани b с произвольным углом наклона 0 нако канальная трещина сама становится источником определяется из (1) подстановкой = 0. Из выражеволны разгрузки. Это создает условия для накопления (1) также видно, что импульс сжатия распространяется внутри конической поверхности, угол которой 0 ния повреждений в кольцевой области. В результате к моменту, когда число циклов удвоится (N = 2N0), определяется подстановкой в (1) = 0. Внутри этой ковокруг канальной трещины возникнет кольцевая тренической поверхности материал упрочняется. Интенсивщина первого поколения, а рост канальной трещины ность искривленной ударной волны, движущейся вдоль прекратится, что связано с уменьшением расстояния боковой грани частицы b, ниже начальной. Для боковых между источниками разгрузки. Максимальная глубина граней с перпендикулярной ориентацией к поверхности канальной трещины L0 (безразмерная величина, отобразца давление составляет четвертую часть начальнонесенная к радиусу частицы) определяется из услого (b = 0/4). Оставшееся давление снижается второй вия накопления критической деформации на кончиволной разгрузки, источником которой является боковая ке растущей трещины. Поскольку растяжение создает грань частицы. Взаимодействие ударников ограниченных размеров с массивной мишенью сопровождается образо- радиальная составляющая скорости разгрузки, глубиванием двух волн разгрузки, когда угол наклона боковой на трещины равна L0 = tg. Угол определяется из грани не превышает угол конуса сжатия. выражения, cos = s /(1 + N0)b sin 0. Последующие Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. Динамическая усталость циклические нагрузки приводят к образованию системы разрушения [9]. Действительно, взаимодействие брускоболее мелких кольцевых откольных трещин. образного ударника с металлической преградой [10] при Характер продольной повреждаемости изменяется, скорости удара 1 kms-1 (M0 = 0.2) приводит к образокогда угол наклона боковой грани частиц превышает ванию на поверхности мишени вмятины с воронкой в угол конуса сжатия 0 0. В этом случае интен- центре, от которой внутрь распространяется продольная сивность ударной волны на боковой грани становится трещина. Поперечная трещина локализуется рядом с нулевой и вторая волна разгрузки не возникает. Такая кратером под кромкой выступа рельефа поверхности.

ситуация имеет место для сферической частицы. Однако Такое же сходство показывают экспериментальные иси в этом случае под зоной контакта возникают растяги- следования эрозионного процесса под действием низвающие напряжения a, обязанные расходимости потока коскоростного потока частиц [5–8]. Одиночные достаa = 0.50 tg 0.5(0-90). Критическое число циклов, точно малые частицы (размером 70 µm), которые при ударе не разрушаются (M0 = 0.02) [11], создают на дне необходимое для возникновения канальной трещины, кратера поры, которые в глубь материала идут в виде определяется из уравнения (2), где следует заменить b sin 0 на a. Как правило, a b и нарушение сплош- продольных микротрещин. Причина гомогенного зарождения трещины, как отмечают авторы [11], не ясна. На ности происходит при большем количестве нагружений.

стационарной стадии эрозии наблюдается интенсивная Из экспериментов [5–8] известно, что плоскоторцевой потеря материала, характерной особенностью является эродент быстрее разрушает преграду по сравнению со образование поперечных трещин, наклоненных под масферической частицей того же размера.

лым углом к лицевой поверхности мишени, в результате Наличие в упрочненном слое множества продольных трещин приводит к фрагментации материала в процес- чего продукты изнашивания приобретают пластинчатую, хлопьевидную форму [6–8]. Для кавитационной поврежсе нагружения и выносу осколков из зоны контакта.

даемости характерно образование изолированных вмяПроцесс эрозии, удаления материала из зоны контакта тин, в центре которых имеются глубокие раковины с в настоящее время не изучен. В результате потери идущими вглубь продольными трещинами [12]. Давление материала из зоны контакта на поверхности образуется в преграде, возникающее от периодического нагружения впадина. Формирование впадины заканчивается тогда, поверхности сферическими волнами, идущими из зокогда угол наклона стенки становится меньше угла ны схлопывания кавитационных пузырьков, оценивается конуса сжатия 0. В этом случае при ударе в дно в пределах 50-1000 MPa [12–14]. Такое же давление впадины возникает ударная волна, способная проходить возникает в преграде от удара капли при скоростях через стенку в преграду [3]. Выход такого импульса M0 = 0.005-0.03 [8,14]. Для кавитационной повреждана лицевую поверхность сопровождается образованием емости на стационарной стадии характерно возникноотраженной волны разгрузки. Интерференция ее с падавение крупных выбоин, потеря материала идет через ющей волной создает поперечную зону растягивающих разрушения кромок таких язвенных образований [12–14].

напряжений. На расстоянии = 0.1250h от лицевой Продольные трещины возникают и при детонационном поверхности начинает формироваться лицевая откольнапылении, при котором скорость потока расплавленная трещина (для случая перпендикулярной ориентации ных частиц составляет 300-500 ms-1. После отрыва стенок), где h — высота боковой стенки впадины.

покрытия в круглых вмятинах на поверхности подложки, Длина трещины зависит от угла траектории состоявозникших от удара капель, можно видеть застрявшие ния, где деформация достигает критических значе зернышки напыленного материала. Продольная трещина ний = s /(8s /0 - 1) при числе циклов N = 2N0.

успевает образоваться до того, как расплавленный матеУгол находится подстановкой в уравнение (1), при риал затвердеет. Поперечные трещины при напылении этом длина поперечной трещины равна = htg(-90).

локализуются только в вершинах крупных выступов Величины и определяют размер формирующегося рельефа поверхности.

осколка.

Таким образом, из анализа экспериментальных данных Таким образом, многократные действия ударника следует, что независимо от вида импульсной нагрузки ограниченных размеров приводят к образованию микро(кавитационной, капельной, пылевой, лазерного облучеи макротрещин. На начальном этапе канальная и кольния или детонационного напыления) результат многоцевые трещины ориентированы в продольном направлекратных импульсных низкоскоростных воздействий на нии, а на заключительном этапе лицевой откол ориентипреграду идентичен с разрушением при высокоскорострован в поперечном.

ном нагружении, что является основанием для применения законов волновой механики к низкоскоростному Особенности динамической природы нагружению. Динамическая усталость должна отражать повреждаемости преграды специфические особенности распространения волновых процессов. В условиях нагружения поверхности ударпри низкоскоростных нагрузках никами ограниченных рамеров повреждаемость обязана Сравнение морфологии повреждаемости поверхности неодномерным откольным разрушениям и является следпод действием импульсного лазерного облучения с вы- ствием фокусировки или интерференции волн разгрузки, сокоскоростным нагружением обнаруживает сходство их возникающих на боковых гранях ударника.

Журнал технической физики, 2005, том 75, вып. 78 С.Н. Буравова, С.М. Гаврилкин, Ю.А. Гордополов Числовой пример В работе проведен расчет взаимодействия брускообразных частиц с квадратным сечением и трапециевидным, угол наклона боковых граней последней совпадает с углом конуса сжатия 0 = 0. В этом случае перемещение граней отсутствует, а растягивающие напряжения в канальной зоне обязаны только расходимости потока.

Предполагается, что разрушение происходит мгновенно, как только растягивающие напряжения достигнут критической величины. Результаты расчета представлены на рис. 2–4. Позиции 1, 2, указанные на рисунках, относятся к квадратному и трапециевидному сечениям соответственно. Расчет проведен для s = 0.0313.

Диапазон скоростей нагружения включает область динамической усталости и переход к высокоскоростному Рис. 4. Зависимость параметров поперечной повреждаемости от числа Маха.

нагружению, когда разрушение возникает при однократном нагружении и N0 = 0. Как видно из рисунков, реакция материала преграды на импульсное нагружение в значительной мере определяется геометрией частиц.

Pages:     || 2 |



© 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.