Диагностика машин
1 РАСПРОСТРАНЕНИЕ ТРЕЩИН УСТАЛОСТИ
1.1 Усталостная трещина по Пэрису
Правила проектирования
деталей машин и стальных сварных
конструкций обычно направлены на исключение
трещин усталости на протяжении всего
целесообразного времени
Развитие механики трещин дает возможность решения такой проблемы, позволяет оценивать остаточную прочность (долговечность) конструкций, разработать правила эксплуатации, контроля состояния и восстановления конструкций. Возможность включения некоторой части процесса подрастания трещины в срок службы конструкции составляет основу для современной концепции проектирования, которая называется «damage-tolerant design», «проектирование и эксплуатация с допускаемым повреждением».
Начало распространения
трещины усталости в
Например, если исследуется процесс разрушения в микроструктуре поликристаллического металла, то трещина может обнаруживаться, когда ее глубина соизмерима с размером зерна. При визуальном осмотре вагонных тележек, крановых конструкций, конструкций судового корпуса, опорных конструкций нефтедобывающих платформ можно обнаружить трещины длиной в несколько миллиметров или даже сантиметров (рис.1).
Рис.1. Трещина в поперечной раме (шпангоуте) судового корпуса (Lloyd’s Register, 2003)
При наблюдении разрушения в микроструктуре с началом циклического нагружения на поверхности в отдельных зернах обнаруживаются признаки микропластической деформации, линии сдвига. Линии сдвига образуются в результате согласованной разрядки дислокаций на поверхности и формирования скоплений дислокаций на внутренних преградах, выражающейся в виде экструзий (линейных выступов) и интрузий, щелевидных впадин. В линиях сдвига, ориентированных примерно под углом 450 по отношению к направлению главного растягивающего напряжения, появляются микроскопические трещины. Границы зерен или блоков (субзерен) служат барьерами для дальнейшего роста трещины. Если напряжения невелики (ниже предела усталости), или системы скольжения в соседних зернах существенно разориентированы, трещина распространяться не будет. При напряжениях выше предела усталости и примерном согласовании плоскостей скольжения в соседних зернах трещина скачкообразно подрастает (рис.2), причем у границ зерен скорость роста трещины уменьшается.
Рис.2. Скорость подрастания трещины усталости в начальном периоде
По мере подрастания трещины флуктуации темпа роста сглаживаются. В случае значительной разориентировки скольжения в соседних зернах микротрещина может остановиться на границе зерна.
В интенсивно деформируемом
объеме возможно формирование нераспространяющихся
трещин наряду с трещиной, становящейся
магистральной благодаря
Общий характер кинетики макроскопических трещин в лабораторных условиях достаточно хорошо исследован на различных объектах - пластинках с центральным отверстием и боковыми надрезами, и т.п., при циклическом нагружении с заданными параметрами усилия (максимальная и минимальная нагрузки в цикле) и с заданными перемещениями нагружающего устройства.
Первый вид нагружения (обычно применяющийся в лабораторных исследованиях разрушения) характерен для статически определимых элементов конструкции, второй - для элементов конструкции с высокой степенью статической неопределимости.
В первом случае
после формирования макроскопической
трещины ее скорость на протяжении
более или менее длительного
периода оказывается
В конструкциях
процесс разрушения может быть отличным:
при подрастании трещины
Если податливость конструкции при росте трещины изменяется мало, то скорость разрушения может даже уменьшаться. В тонкостенных конструкциях благодаря появлению свободных кромок у пластин при развитии трещины могут появиться условия для потери устойчивости панелей, перераспределения внутренних усилий, возникновения вторичных трещин усталости или вязких разрывов, завершающихся разрушением конструкции (например, так произошло разрушение крыла моста Александра Невского в 1982).
Хотя общие черты усталостного разрушения вполне ясны, в каждом примере конструкции или детали машины длительность процесса, пропорции фазы образования обнаруживаемой трещины, фазы устойчивого роста, заметно различаются. Поэтому необходимо установить условия тождества усталостного повреждения (в системе «образец – конструкция») для создания моделей усталости, которые могли бы использоваться в инженерных расчетах.
На основании обработки опытных данных предложено значительное число эмпирических (не вскрывающих физическую природу явления) зависимостей, описывающих закономерности распространения трещин в стадии устойчивого роста, а также учитывающих условия страгивания трещины и быстрого разрушения.
Согласно длительному опыту исследований усталости сложилось понимание того, что для описания роста трещин следует связать скорость роста и соответствующие ей механические условия у носка трещины, - напряжения или деформации.
Однако при этом встретились противоречивые особенности проблемы: с одной стороны, при упругой деформации напряжения перед носком трещины неограниченно высоки при любых усилиях, приложенных к объекту. Так, концентрация напряжений у вытянутого эллиптического отверстия в тонкой пластине, ориентированного перпендикулярно потоку растягивающих напряжений, характеризуется коэффициентом:
(1)
где а – большая и b – малая полуоси эллипса. При , когда отверстие становится почти трещиной, коэффициент концентрации напряжений, и значит, максимальное напряжение у конца эллипса неопределенно возрастают.
С другой стороны, эти напряжения, очевидно, должны быть ограничены:
- силами взаимодействия между элементами кристаллической структуры материала при упругой деформации;
- силами сопротивления пластической деформации;
- кроме того, наблюдения показывают, что в малой области перед трещиной возможно дробление структурных элементов, фрагментация зерен и блоков, в результате которой сопротивление материала в этой области существенно снижается.
Считая роль пластического деформирования материала у вершины трещины решающей для разрушения, С.Мэнсон (1965) вывел соотношение, определяющее скорость подрастания трещины:
(2)
где – длина или углубление трещины, - размах пластической деформации перед кончиком трещины, и – эмпирические «константы» материала.
Практически применять
эту формулу оказалось
П.Пэрис и Ф.Эрдоган (1963) на основании анализа опытных данных заключили, что наилучшее приближение для описания скорости роста трещины дает соотношение, основанное на использовании обобщенной характеристики поля напряжений у трещины - коэффициента интенсивности напряжений, точнее, размаха этого коэффициента, . Несколько раньше Дж.Ирвин (1957) определил коэффициент интенсивности напряжений как параметр, который характеризует напряжения у вершины трещины.
Использование коэффициента интенсивности напряжений приводит к соотношению, в котором темп трещины зависит от свойств материала, но не от размеров, конфигурации, условий нагружения образцов и конструкций:
(3)
где и - опытные характеристики свойств материала, примерно, и , для многих конструкционных материалов. Благодаря отмеченным особенностям, формула Пэриса-Эрдогана (3) получила наибольшее распространение в экспериментальных и расчетных исследованиях, а также при оценках надежности конструкций.
Опытные данные
о подрастании трещины
Рис.3. Опытные данные, сталь повышенной прочности (09Г2), (a), и «S-образная» схематизация полной кривой (b)
Эта кривая отражает
наблюдаемые закономерности роста
трещин: для страгивания трещины
необходимо, чтобы коэффициент
Данные рис. 3 (б) показывают, что уравнение (3) характеризует только устойчивый рост трещины. Известны многочисленные попытки (см. Трощенко В.Т. и Сосновский Л.А., 1987, и др.) аппроксимировать переходные режимы усталостного разрушения. Например, Форман и др. (1967) для характеристики докритического роста трещины (предшествующего разрушению) предложили такие зависимости:
(4)
где - коэффициент асимметрии цикла нагружения.
Большое число
подобных аппроксимаций (более 40) указывает
на то, что общая модель подрастания
трещины еще не создана, а частные
уравнения относятся к
Между тем, тщательный анализ поля напряжений у трещины, например, с учетом остаточных напряжений, возникающих вследствие пластической деформации материала, технологических факторов, перераспределения остаточных сварочных напряжений при подрастании трещины показывает, что во многих практических задачах может успешно применяться уравнение Пэриса-Эрдогана (3).
Как было показано, коэффициент интенсивности напряжений есть мера напряжений и деформаций в окрестности вершины трещины. Коэффициент интенсивности напряжений сохраняет свое значение лишь тогда, когда пластическая зона мала. В этом случае можно также ожидать, что степень распространения трещины за цикл определяется коэффициентом интенсивности напряжений. Если две различные трещины имеют два одинаковых распределения напряжений, т. е. равные коэффициенты интенсивности напряжений, то они должны распространяться с одной и той же скоростью.
Если циклическая нагрузка меняется от нуля до некоторой положительной величины (постоянной амплитуды), то коэффициент интенсивности напряжений меняется в интервале ΔK = Kmax ÷ Kmin, где Kmin = 0. Следовательно, распространение трещины за один цикл при циклическом процессе нагружения (скорость распространения трещины) есть величина, зависящая от амплитуды изменения интенсивности напряжений ΔK:
(5)
где Sa — амплитуда изменения напряжения (символ S — общепринятое в литературе обозначение циклических напряжений). Пэрис, Гомез и Андерсон первыми пришли к этому выводу и проверили его на практике. Если использовать результаты только одного испытания, то уравнение (5), очевидно, удовлетворится автоматически: в этом случае любая зависимость dа/dn от ΔK подтвердит уравнение (5).
Рассмотрим результаты двух испытаний на распространение трещин, изображенных на рис. 4, а. Амплитуды изменения напряжений были одинаковыми и постоянными в каждом испытании. Скорость распространения трещины, очевидно, увеличивалась с ростом трещины. Скорость dа/dn можно определить из наклона кривых. Величина ΔK получается из соотношения при подстановке соответствующего значения а. На рис. 4, б график зависимости dа/dn от ΔK изображен в логарифмическом масштабе по обеим осям. Данные, полученные при больших амплитудах изменений напряжений, указывают на сравнительно большие значения ΔK и dа/dn в начале процесса. Другие данные получены при малых величинах ΔK и dа/dn, которые, однако, достигают таких же больших значений, как и в первом испытании.
Рис. 4. Распространение усталостной трещины
а — кривые роста трещины; б — скорость распространения трещины
Данные двух испытаний, выполненных при различных условиях, располагаются на одной кривой, что подтверждает полезность уравнения (5). Очевидно, между двумя испытаниями, из которых в одном имеется маленькая трещина и большое напряжение, а в другом — длинная трещина и малое напряжение, нет никакой разницы, если величины ΔK в них одинаковы; в обоих испытаниях скорость распространения трещины одна и та же.
На графике зависимости dа/dn от ΔK, построенном в логарифмическом масштабе по обеим осям, экспериментальные точки часто ложатся на прямую линию. Поэтому уравнение (5) было принято в виде:
(6)
где C и n — константы. Было получено большое количество значений n, которые обычно лежали в пределах от 2 до 4. Однако уравнение (6), как оказалось, плохо согласуется с данными испытаний. Па практике график зависимости dа/dn от ΔK имеет форму буквы S или, по крайней мере, состоит из участков разного наклона. В испытаниях, связанных с ограниченным диапазоном изменения ΔK, получена экспоненциальная зависимость типа (6); в этом случае значение п зависит от величины амплитуды ΔK (большие, малые и промежуточные значения ΔK). Когда трещина достигает критического размера, при котором отношение dа/dn обращается в бесконечность, при определении максимального значения амплитуды ΔK могут появиться погрешности. Общее разрушение происходит за один цикл, в котором интенсивность напряжений достигает .
Циклическое напряжение определяется двумя параметрами: амплитудой и средним напряжением . Если = , то минимальное напряжение за цикл равно нулю. Это означает, что максимальная интенсивность напряжений за цикл . Если , то максимальная интенсивность напряжений превышает значение ΔK. Не вызывает сомнений, что скорость роста трещины зависит от максимальной интенсивности напряжений. Поэтому более общей формой уравнений (5) является соотношение
(7)
и называется коэффициентом асимметрии цикла.
Докритический медленный рост раковины может происходить не только под действием циклических нагрузок, но и за счет других механизмов, из которых наиболее важным является механизм коррозионного растрескивания под напряжением. Как и в случае роста усталостной трещины, скорость роста коррозионной трещины при заданных условиях взаимодействия материала со средой (а, следовательно, и время до разрушения) определяется коэффициентом интенсивности напряжений. Одинаковые образцы с одинаковыми начальными трещинами, но нагруженные до различных напряжений (разные начальные значения К), разрушаются через различное время, как показано схематически на рис. 5. Образец, нагруженный до значения , разрушается сразу. Образцы, нагруженные до значений К, меньших определенного порогового уровня, не разрушаются никогда; это пороговое значение обозначают через , где индекс «крн» означает коррозионное растрескивание под напряжением.
Рис. 5. Зависимость времени до разрушения в процессе коррозионного растрескивания под напряжением от начального зна чения коэффициента интенсивности напряжений K
Рис. 6. Коррозионное растрескивание под напряжением
В процессе коррозионного растрескивания под напряжением нагрузка может оставаться постоянной. Поскольку трещина расширяется, интенсивность напряжений непрерывно увеличивается. В результате скорость роста трещины за единицу времени da/dt увеличивается в соответствии с уравнением
(8)
Когда трещина достигает размера, при котором К становится равным КIc, происходит окончательное разрушение, как показано на рис. 6.
Пороговое значение коэффициента для процесса коррозионного растрескивания под напряжением и скорость роста трещины зависят от материала и условий окружающей среды. Из рис. 7 следует, что деталь с трещиной определенного размера, нагруженная до такого напряжения σ, что разрушается в самом начале процесса нагружения. В деталях, нагруженных до значений К, равных или больших (заштрихованная область), трещина будет расти вплоть до разрушения. Положения механики разрушения применимы к коррозионному растрескиванию под напряжением, однако ее возможности в этом плане пока еще весьма ограниченны. Поэтому в настоящей книге задачам коррозионного растрескивания под напряжением уделяется небольшое внимание.
Рис. 7. Зависимость длины трещины от напряжения
при коррозионном растрескивании под напряжением:
1 — пороговое напряжение при коррозионном растрескивании под напряжением:
2 — коррозионное
растрескивание под
3 — окончательное разрушение:
1.2 Зависимость, полученная на основе формулы Шенли
Зависимость длины трещины от числа циклов нагружения по Шенли имеет следующий вид:
(9)
где m - показатель степени кривой усталости; С - константа.
Параметры m и С определяются методом минимального среднеквадратического отклонения при аппроксимации данных.
m = 7,9 ; C = 6,75∙10-18 .
При данных значениях параметров m и С формула (9) примет следующий вид
(11)
График функции (11) приведен на рис. 5.8 , там же приведены значения скорости lтр.
Рис. 8 Зависимость длины трещины от числа циклов нагружения по Шенли
На рис.9 совместно приведены графики функции (11).
Рис. 9 Зависимость длины трещины от числа циклов нагружения по Пэрису и Шенли
В точке пересечения графиков с координатами lТРкр=5,27мм , Nкр= 6·108 цикл происходит разрушение.
На рис. 10 приведены графики кривой усталости и кривой, аппроксимирующей изменение напряжений в зависимости от числа циклов нагружения. Кривая усталости описывается уравнением:
(12)
где m=7,9; N0=2·106 циклов; σ0= 7,4 МПа.
Зависимость напряжений, расчитанных по формуле, от числа циклов аппроксимируется следующей зависимостью:
(13)
где - коэффициент пропорциональности,
В нашем случае α = 2,23х10-9 .
Рис. 10 Графики кривой усталости и кривой, аппрокси- мирующей изменение напряжений в зависимости от числа циклов нагружения
Кривые на рис.10 пересекаются в точке с координатами σ =71МПа, N =1,01·109 циклов. В пересчете на сутки это составляет T=484 сут.
2 УСТАЛОСТНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛА КРУПНОГАБАРИТНЫХ ДЕТАЛЕЙ.
В статье представлены статистически точные и надежные оценки параметров кривых усталости материалов образцов, вырезанных из крупногабаритных поковок диаметром 1300 мм из четырех марок сталей, используемых для изготовления несущих деталей металлургического оборудования, при усталостных испытаниях на изгиб с вращением и симметричном цикле нагружения, а также полные вероятностные диаграммы усталости, отображенные уравнениями регрессии, содержащими новый параметр — вероятность разрушения, и обладающие высокой точностью и надежностью. Продемонстрирована новая методология последовательного и корректного применения ЭВМ для построения полных вероятностных диаграмм усталости, без каких-либо допущений, упрощений и ручных графических построений, обеспечивающая их высокую информативность и надежность. Предлагаются новые научные задачи, решения которых обеспечат повышение экономичности и информативности усталостных испытаний.
По статистическим
данным обследования эксплуатационной
прочности зарубежного и
В настоящее время при конструировании материал детали назначается исходя из интуитивной (иногда расчетной) оценки нагруженности и ответственности детали, а также величин механических свойств материала, приводимых в справочной литературе. Но, как правило, эти величины определены при испытании единичных образцов, взятых из прокатанного металла, претерпевшего не менее чем 100-кратную вытяжку, и ни в коей мере не связаны с уровнем и качеством технологий выплавки стали, ковки и термообработки реальной крупногабаритной детали, существующих на заводе-изготовителе. Твердость назначается исходя из марки стали, габарита детали и режима термообработки, при этом величина достигаемой твердости фиксируется в нескольких точках поверхности, и открытым остается вопрос о распределении механических свойств по сечению детали. Таким образом, ни марка стали (механические свойства), ни твердость не связаны с конечной целью — обеспечением заданной работоспособности детали и ее срока службы, т.е. требуемых служебных свойств. На сегодняшний день отсутствуют количественные зависимости, отражающие функциональную или вероятностную связь между механическими свойствами, параметрами режимов легирования и термообработки (макро и микроструктуры) с конечными эксплуатационными свойствами материала детали. Кроме того, при решении краевых задач исследования напряженно-деформированных состояний единственными представителями, описывающих исследуемую среду, т.е. реологические свойства материала детали, являются модули упругости первого или второго рода и коэффициент Пуассона, связи которых, как структурно-чувствительных и достаточно стабильных по маркам стали параметров, с макро-характеристиками материала (механическими и служебными свойствами) отсутствуют. Также полностью отсутствуют данные об усталостных свойствах крупногабаритных деталей.
Рис. 11 Поле корреляции ограниченной долговечности образцов из стали 50 при усталостных испытания на изгиб с вращением
Поэтому повышение надежности и долговечности при снижении материалоемкости технологического оборудования на стадии проектирования для обоснованно выбранных его конструктивных структур (схем) может быть достигнуто либо управлением формой и размерами сечения детали, либо обеспечением заданных величин и постоянства на определенной глубине (толщине) сечения механических, усталостных или иных служебных свойств материала, в том числе и остаточных напряжений, за счет управления технологиями плавки, ковки, сварки и термообработки. Первый путь реален и организуется САПР, второй (создание материалов с заданными свойствами) требует нахождения связей между служебными (в данном случае – усталостными) свойствами и параметрами технологий, хотя бы на макроуровне, для чего необходимо выполнение большого объема экспериментальных работ.
С целью получения полных вероятностных диаграмм усталости, определения пределов ограниченной выносливости и количественных соотношений между механическими, структурными и усталостными свойствами сталей, из которых изготавливают несущие, наиболее ответственные детали прокатного и другого металлургического оборудования, были выполнены усталостные испытания.
Усталостные испытания на изгиб с вращением проводились по ГОСТ 25.502-79 на стандартных образцах, изготовленных из крупногабаритных поковок с наружным диаметром 1300 мм, внутренним — 500 мм и высотой 300 мм из сталей марок 50, 60ХН, 34ХН1М и 38ХГН. Поковки были изготовлены по техническим условиям рабочих чертежей натурных деталей (рабочие и шестеренные валки, шпиндельные муфты и т. п.) и прошли весь технологический цикл плавки, ковки и термообработки по реальным технологиям, сложившимся в условиях металлургического производства ОАО «Уралмаш». Термообработка поковок производилась при условиях:
Рис. 12 Вероятностная диаграмма усталости образцов из стали 50 при изгибе с вращением
Из слоя толщиной 250 мм от поверхности поковки (по диаметру) на продольно-строгальном станке вырезались заготовки квадратного сечения для образцов. Из каждой заготовки изготовлялся стандартный образец типа I диаметром 12 мм, длиной 230 мм с круговой (сегментной) выточкой диаметром 7,5 мм. Испытания образцов на изгиб с вращением проводились при симметричном цикле нагружения (амплитуда напряжения) на машинах УБМ. Перед испытаниями были проверены работа счетчиков числа циклов и показания шкалы машины по нагруженности. Для проверки работы машин по нагруженности показания машины сравнивались с показаниями динамометра в диапазоне нагрузок от 50 до 550 Н. Проверка работы счетчиков числа циклов проводилась путем сравнения показаний приборов четырех машин. Статистическая обработка результатов измерений подтвердила, что расхождение показаний не превышает 2%. Такая точность измерения достаточна для проведения статистической обработки результатов испытаний, построения вероятностных диаграмм усталости, определения предела ограниченной выносливости и получения корреляционных зависимостей между долговечностью и механическими свойствами сталей.

- Диагностика межличностных отношений
- Диагностика межличностных отношений в классе
- Диагностика межличностных супружеских отношений
- Диагностика мелкой моторики ребенка
- Диагностика, методы терапиии профилактика крупозной пневмонии у животных
- Диагностика, методы терапии и профилактика миокардоза у животных
- Диагностика, методы терапии профилактика перикардита у животных
- Диагностика лжи при допросе
- Диагностика лимфаденопати
- Диагностика линейной части трубопровода
- Диагностика личной эффективности
- Диагностика личности
- Диагностика личности
- Диагностика личности. Самоанализ