Начальный этап развития усталостной трещины в оценках ресурса элемента конструкций тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

гч ^РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОВЕДЕНИЯ

НАЧАЛЬНЫЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ УСТАЛОСТНОЙ ТРЕЩИНЫ В ОЦЕНКАХ РЕСУРСА ЭЛЕМЕНТА КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 01.02.04. Механика деформируемого твердого тела

диссертации на соискание ученой степени

На правах рукописи

Гаврильева Татьяна Федоровна

УДК 620.191.33: 539.43

АВТОРЕФЕРАТ

кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Институте физико-технических проблем Севера СО РАН и Якутском государственном университете

Научный руководитель:

— доктор технических наук Владимир Петрович Гуляев Научный консультант:

— доктор технических наук Андрей Карэнович Абрамян Официальные оппоненты:

~ доктор технических наук Сергей Владимирович Петинов; ~ кандидат технических наук Борис Вениаминович Цейтлин

Ведущая организация:

-- ЦНИИ имени академика А.Н. Крылова

Защита диссертации состоится «22» декабря 1998 г. в 14 ч., на заседании Диссертационного совета Д 200.17.01 Института проблем машиноведения РАН по адресу: 199178, г. Санкт-Петербург, В.О., Большой пр., 61.

С диссертацией можно ознакомиться в ОНТИ ИПМаш РАН. Автореферат разослан « 20 » 1998 года.

Ученый секретарь Совета, к.х.н.

В.П. Глинин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Несмотря на успехи в изучении закономерностей усталостного разрушения и развитие методов повышения выносливости материалов и изготовляемых из них конструкций, количество аварийных разрушений по причине усталостного явления по-прежнему значительно. Большинство конструкций и деталей машин, работающих при циклических нагрузках, разрушаются вследствие зарождения и развития трещины в зонах концентрации напряжений. Известно, что основной характеристикой переменного нагружения выступает цикл напряжений, важным параметром которого является частота нагружения.

Разрушение конструкций может быть предотвращено либо за счет применения материалов с бездефектной кристаллической структурой, либо путем точного прогнозирования и диагностирования технического состояния силовых элементов. Очевидно, что предварительная оценка возможных изменений несущей способности силовых элементов реальных конструкций и технических систем позволит предотвратить их отказы, аварийные разрушения, избежать крупных экономических потерь. Поэтому особый интерес представляет установление характеристик сопротивления конструкционных сталей зарождению усталостной трещины и определение длительности начального этапа развития усталостной трещины в элементах конструкций.

В основу диссертации положены результаты исследований по теме 1.11.5.2. Раздел 4. «Разработка методики испытания крупногабаритных конструкций с трещиной при статическом, повторно-ударном и циклическом нагружениях и разработка методов прогнозирования долговечности элементов констру кций, работающих в условиях низких темеператур» ИФТПС СО РАН плана КП РАН.

Целью работы является количественная оценка начального этапа развития усталостной трещины при циклическом нагруже-нии деталей и элементов конструкций.

Для выполнения поставленной цели решены следующие задачи:

- обобщены теоретические и экспериментальные исследования основных стадий усталостного разрушения конструкционных сталей и влияния частоты нагружения на сопротивление развитию трещин при многоцикловой усталости;

- разработана методика специального усталостного испытания для выделения начального этапа развития усталостной трещины с учетом собственных колебаний консольных прямоугольных образцов в линейной постановке.

- экспериментально-расчетным методом определены накопление повреждений на этапах зарождения и распространения усталостной трещины в прямоугольных образцах;

- рассчитана длительность начального этапа развития усталостной трещины на участке магистрального газопровода линии Мастах-Якутск в условиях поперечных колебаний трубопроводов.

- определена длительность начального этапа развития усталостной макротрещины при экспертизе разрушения лопатки ту рбинной установки ГРЭС г. Якутска.

Научная новизна. Установлена возможность расчета длительности начального этапа развития усталостной трещины по характеру изменения частоты собственных колебаний конструкции и размеру зоны предразрушения в окрестности концентратора напряжений. Предложена методика расчета рассеянной повреждаемости конструкций из низколегированной стали, испытывающих собственные колебания.

Практическая ценность состоит в разработке метода оценки ресурса силовых элементов конструкций с концентраторами напряжений, испытывающих собственные колебания, по длительности начального этапа развития усталостной трещины.

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на: 2-ой международной конференции «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности металлических конструкций и методы их решения» - г. Санкт-Петербург, 1997г.; региональном семинаре «Технология и качество сварки в условиях низких температур» -Якутск. 1997г.; ежегодных республиканских научно-практических конференциях молодых ученых и аспирантов - г. Якутск, 1993-97 г.г.; научно-практической конференции «Наука - невостребованный потенциал», посвященный 40-летию ЯГУ - Якутск, 1996 г.: научном семинаре кафедры «Сопротивление материалов» СПбГТУ - г. Санкт-Петербург, 1997г.; научных семинарах лаборатории 214 ИФТПС - Якутск, 1997-1998г.г.; научных семинарах кафедры «Машиноведение» ИПФ ПИ ЯГУ - Якутск, 1992-98г.г.;

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 10 таблиц, 141 наименований библиографических ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены основные положения работы, которые выносятся на защиту и определяют ее научную новизну, практическую ценность.

В первой главе рассмотрена проблема количественной оценки периодов зарождения и распространения макротрещин в конструкционных сталях; обобщены результаты исследований влияния частоты нагружения на предел выносливости и пороговый коэффициент интенсивности напряжений сталей.

Основные закономерности различных видов разрушения материалов и конструкций раскрыты и обоснованы в работах А.И. Иоффе, A.A. Гриффитса, H.H. Давиденкова, И.А. Одинга, Дж. Ирвина, C.B. Серенсена и других. Теоретические и прикладные методы расчета прочности и долговечности элементов конструкций и деталей машин развиты в работах В.В. Панасюка, П.С. Париса, JI.M. Качанова, Д.Р. Райса, Г.И. Баренблатта, Ю.Н. Ра-ботнова, В.П. Когаева, В.Т. Трощенко и других исследователей. В последние годы разрабатываются нормы и правила прогнозирования потери несущей способности и оценки технического состояния конструкций.

Важное значение для прогнозирования потери несущей способности конструкций имеет информация о периодах зарождения и распространения усталостной трещины. Количественная оценка этапа зарождения трещины в сталях является специфической задачей, требующей создания новых экспериментальных методов и расчетов.

В инженерной практике период зарождения трещины устанавливается по длительности накопления повреждений материала в области вершины концентратора напряжений размером, равным зоне предразрушения d.

В работах В.В. Панасюка, B.C. Ивановой, В.Т. Трощенко, Г.П. Карзова и др. указывается, что закономерности развития трещины определяются условиями циклического нагружения, в том числе частотой нагружения. Но в общепринятых расчетах на долговечность вопросы учета образования зоны предразрушения и влияния собственных колебаний элемента конструкций в достаточной степени не отражены.

Исходя из анализа теоретических и экспериментальных работ по количественной оценке зарождения и распространения усталостной трещины сформулированы цель и задачи данного исследования.

Во второй главе представлены результаты предлагаемой расчет-но-экспериментальной оценки периодов зарождения и распространения усталостной макротрещины на прямоугольных образцах с краевым надрезом из стали 09Г2С, претерпевающих плоский изгиб.

Для исследования зарождения и роста усталостной трещины использована электродинамическая установка ВЭДС - 400А. Массивное нагружающее устройство, под действием инерционных сил приводится в колебательное движение, обеспечивая знакопеременную циклическую симметричную нагрузку в нетто-сечении образца (рис. 1).

Рис.1 Схема экспериментальной установки для циклического нагружения образцов: 1 - электродинамический вибратор; 2 - зажимное устройство; 3 - образец; 4 - зажимы нагружающего устройства; 5 - нагружающее устройство; 6 - съемный груз.

Характеристики механических свойств исследуемой конструкционной стали 09Г2С получены при испытании на одноосное статическое растяжение в соответствии с ГОСТ 11150-84 на испытательной машине "Инстрон - 1195". Усталостный излом образца изучался визуально при помощи пятикратной лупы и на металлографическом инструментальном микроскопе МИМ-2 при 30-кратном увеличении. Измерение длины различных зон роста усталостной трещины осуществлялось с точностью до 0,05мм. Металлографический анализ был проведен на оптическом микроскопе "Неофот-21".

Фракгографический анализ показал, что с самого начала разрушения имеются ямочные микрообразования, характерные для вязкого разрушения в результате возникновения и коалесценции микропустот, далее переходящих в тонкие линии скольжения, что свидетельствует о многоцикловом и квазихрупком характере разрушения. Длина усталостных макрслрещин измерялась прицельно-статистическим методом.

Расчеты напряженно-деформированных состояний для различных уровней циклических нагрузок проводились методом конечных элементов, с использованием параболических изопара-метрических элементов с восемью узлами и четырьмя точками для интегрирования по квадратурной формуле Гаусса.

Известно, что амплитудно-частотную зависимость используют для изучения усталости практически на любой стации повреждаемости материала. Поэтому для измерения амплитуд ы колебаний крайней точки нагружающего устройства сконструирован и изготовлен регистрирующий прибор, погрешность измерения которого составляет + 0,025 мм

Рис.2. Прибор регистрации амплитуды колебаний крайней точки нагружающего устройства: 1 - корпус; 2 - источник света; 3 - стекло; 4 - зеркало; 5 - рычаг.

(рис. 2).

2

В ходе экспериментов установлено, что амплшуда колебаний нагружающего устройства монотонно уменьшается и стабилизируется с завершением распространения усталостной трещины. Зафиксированное время развития трещины с момента нагружения до стабилизации амплитуды колебаний нагружающего устройства приведено в таблице 1.

Таблица 1

Зафиксированное время ^ (сск) развития усталостной трещины для разных частот нагружения

Частота колебаний образцов Г, Гц Номера образцов

1 2 3 11 12 13 14

1 2 3 4 5 6 7 8 9

40 73 85 79 83 76 78 85

45 97 95 87 95 89 93 90

50 86 78 82 78 85 98 101

55 97 83 87 75 84 73 92

60 102 97 103 98 84 70 81

65 85 87 92 110 94 83 79

По мере развития усталостной трещины жесткость балки изменяется, что приводит к уменьшению собственной частоты колебаний. Тогда изменение частоты колебаний нагружающего устройства по времени &>(1) с известными граничными условиями имеет вид кривой (рис.3). Принимая во внимание этапы зарождения и роста усталостной трещины, диапазон изменения частоты собственных колебаний разделен на два участка, где некоторому значению частоты собственных колебаний соа соответствует время ^ за которое происходит зарождение трещины. Рост усталостной макротрещины происходит за д ^ = I - ^ , где 1р - общее

время развития усталостной трещины, которому соответствует частота нагружения £

_■_I_,_

¥d ¥

Рлс.З. Интерполяция функции частота собственных колебаний co(t) .

Известно, что существует связь между размахом коэффициента интенсивности напряжений и максимальным локальным напряжением у вершины трещины:

Д Kd = 2adJmÎY, (1),

где Oj- напряжение, необходимое для преодоления трещиной зонв предразруше1шя d.

При остановке трещины длиной / размах коэффициента ин-тенцитвности напряжений:

АЛ"., = 2сг_1Л/л-(/ - d)Yx где ст, - предел выносливости.

Тогда для скоростей:

где ДК' - размах коэффициента интенсивности напряжений при скорости Ю-7 м/цикл.

При интегрировании зависимости скорости развития трещины верхняя оценка количества циклов для зарождения макротрещины размером <1 будет:

Вместе с тем, при известном значении частоты собственных колебаний количество циклов для периода зарождения макротрещины определяется как площадь под кривой &>(/) на участке от О до ^ (см. рис.3):

Я + <*>и

^ - ^^^ (5)-

Аналогично, с учетом введенных обозначений, количество циклов при росте усталостной макротрещины длиной I:

1-й / + со,.

где 1 - экспериментально фиксируемое время развития трещины.

Из соотношений (4) и (5) следует, что значение частоты собственных колебаний а>11, отвечающее моменту зарождения макротрещины длиной с1:

Ъ1

= -7Г-Я, (7).

1с1у а

Тогда из рис 3 период зарождения макротрещины <5:

*а = 1р-Л1Р (8).

где д Ср время распространения макротрещины из (6):

2(1-0)

'"(Т^жТ <9)-

Среднестатические значения количества циклов серии испытанных образцов по периодам равны соответственно:

Л + а>а

N. —-г- /, = 7x103 циклов

' 2 * и (10),

«с +/

Ы2 =-■ Д / - 5х103 циклов

что составляет при известных р, = 960 Гц, Г = 45 Гц для трещин / из (0,76; 0,92)мм 60 - 63 % период зарождения и 40 - 44 % роста усталостной трещины.

Таким образом, по известным механическим свойствам материала и заданным условиям испытаний для выбранного образца с учетом колебательного процесса по предложенной методике исследования сопротивления усталостному разрушению выделены основные периоды развития усталостной трещины: зарождение и распространение.

В третьей главе рассчитана мера повреждений на этапе зарождения макротрещины по силовому уравнению рассеянной повреждаемости для двух моделей - пластической зоны гр и зоны предразрушения с!.

Для расчета повреждаемости использована форма силового

уравнения вида:

сг

П

я =

а.

р

4

(11),

где:

о-,

ЛШ.Г

/(СГМШ,К)МР =1

с,

(12).

р

По модели пластической зоны гр расчет меры накопления рассеянных повреждений по силовому уравнению (11) состоит из следующих операций:

1. Строятся кривые усталости для гладких стандартных образцов при симметричных циклах нагружения.

2. Построение кривых усталости для прямоугольных образцов с краевым надрезом 7мм и радиусом кривизны 0,25мм.

3. Численный анализ по методу конечных элементов напря-жешю-деформированного состояния для образцов с концентратором напряжений.

4. По результатам выполненного расчета напряженно-деформированного состояния, на основании кривой усталости для материала, определяется расчетная долговечность .

5. По рассчитанному N,(6;) в главе 2 для рассеянных повреждений определяется разрушающее напряжение стрк из кривой усталости образца с концентратором.

6. Определяются функции/(стиа() по (12) для соответствующего максимального напряжения сгмах, разрушающего напряжения сгрк и расчетной долговечности Кр.

7. По значениям функции/(амах) определяется мера накопления повреждений на этапе зарождения трещины по соотношению (11), где сгр - предел прочности.

Алгоритм предлагаемой расчетно-экспериментальной оценки рассеянной повреждаемости по модели зоны предразрушения (1 состоит из следующих процедур:

1. Построение кривых усталости для материала, аналогично п. 1 предыдущей методики расчета повреждаемости.

2. Для прямоугольных образцов с краевым надрезом по ГОСТ 25.506 - 85 строятся кривые усталости.

3. Определяется К, по характеру изменения частоты собствен-

ных колебаний образца (глава 2).

4. По значению N1 из графика зависимости сг, (N4) определяется соответствующая величина действующего напряжения у вершины трещины иа„„, с учетом зоны предразрушения с!.

5. Для найденного сгЛ,аг из кривой усталости для гладкого образца определяется соответствующее расчетная долговечность

6. По N1 определяется соответствующее разрушающее напряжение арк из кривой усталости образца с концентратором.

7. Рассчитывается функция /для соотношения (11) по напряжениям СГА(1Г .

8. Определяется мера повреждаемости по соотношению (11).

Сравнение расчетов по двум моделям, показывает, что наиболее достоверные результаты, в смысле приближения к единице меры накопления повреждений, дает модель зоны предразрушения с! материала.

В четвертой главе проведен расчетно-экспериментальный анализ длительности начального этапа развития макротрещины на отдельных участках магистрального газопровода Таас-Тумус-Якутск. В качестве первичной информации были приняты сведения о трещинах и других дефектах, выявленных в ходе многолетних наблюдений за техническим состоянием данного газвопрово-да. При расчете принято, что в результате изменения расчетной схемы из-за деформации грунтов на отдельных участков газопровода появляются пролеты различной длины. Частота собственных колебаний участка газопровода с пролетом 6 м составляет 11 Гц при рабочем давлении 5,5 МПа и учете ветровых нагрузок. Тогда, длительность начального этапа развития макротрещины размером 0,3 мм будет не менее 6-7 лет от начала эксплуатации.

По предлагаемой методике осуществлен анализ возможного появления макротрещины при экспертизе аварийного разрушения лопатки первой ступени ротора газотурбинной установки ГТУ-1 ГРЭС г. Якутска. Частота изгибных колебании лопатки с учетом центробежных сил составляет 12 ГЦ. Из соотношения между частотами крутильных и изгибных колебании для плосковыпуклого профиля лопатки собственная частота крутильных колебаний равна 44,4 Гц. При известной частоте вращения ротора (50 Гц) по соотношению (В) длительность начального этапа развития трещины размером 0,1мм составляет 13500 ч. из общего времени наработки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Количественно оценены длительности этапов зарождения и распространение усталостной трещины, с учетом собственных колебаний элемента конструкции и зоны предразрушения <1 в окрестности вершины концентратора напряжений, соизмеримым со структу рным элементом стали.

2. Разработана методика специальных усталостных испытаний по определению длительности начального этапа развития макротрещины, для экспериментальной части которой сконструирован и изготовлен прибор измерения амплитуды колебаний крайней точки нагружающего устройства.

3. Рассчитана мера накопления рассеянных повреждений с введением количества циклов, зависящего от характера изменения частоты собственных колебаний. Результаты расчетов показывают адекватный прогноз повреждаемости материала.

4. Сравнительный анализ экспериментально-расчетных моделей зарождения усталостных трещин показал, что более достоверные ребзульаты по функции накопления повреждений в окрестности концентратора напряжений даст модель зоны предразрушения с1.

5. Расчетами показано, что в газопроводах, проложенных в многолетнемерзлых грунтах, появление трещин вызывается собственными колебаниями отдельных участков из-за изменения расчетной схемы нагружения. Так на участке подземного магистрального газопровода Таас-Тумус-Якутск трещина могла зародиться из-за образования пролета 6 м в течение 6-7 лет от начала эксплуатации.

6. Рассчитана длительность начального этапа развития макротрещины для лопатки первой ступени газотурбинной установки ГРЭС, равный 13500 часов, что составляет 94,4% от общей наработки.

Основные положения диссертации отражены в следующих

публикациях:

I. Исследование сопротивления росту усталостной трещины конструкционной стали. //Тезисы научно-практической конференции молодых ученых и аспирантов. - Якутск,-1994,- С.

2. Исследование одной из основных характеристик сопротивления материала развитию трещины - порогового КИН. // Тезисы научно-практической конференции «Наука невостребованный потенциал», посвященной 40-летию ЯГУ. -Якутск: Изд-во ЯГУ. - 1996. - С. 57.

3. Методика исследования циклической трещиностойкости стали при переменной амплитуде напряжений. // Там же. - С. 58.

4. Исследование напряжений в опасном сечении образцов при росте усталостной макротрещины. // Тезисы научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Молодежь и наука РС (Я)». 4.1. Технические науки. - Якутск. -1996. - С. 98.

5. Сопротивление усталости при наличии областей концентрации напряжений. // Тезисы докладов регионального семинара «Технология и качество сварки в условиях низких температур». - Якутск. - 1997. - С. 31 - 32.

6 Циклическая трещиностойкость стали при переменной нагрузке. // Сб. докладов 2-ой международной конференции «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности металлических конструкций и методы их решения». Санкт-Петербург. - 1997. - С. 26 - 29.

7. Об уточнении стадий роста усталостной трещины. // Тезисы научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Шаг в будущее». - Якутск. - 1997.- С. 37.

39.

РОССИЙСКАЯ. АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ СЕВЕРА

ЯКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Гаврильева Татьяна Федоровна

УДК 620.191.33 : 539.43

НАЧАЛЬНЫЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ УСТАЛОСТНОЙ ТРЕЩИНЫ В ОЦЕНКАХ РЕСУРСА ЭЛЕМЕНТА КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 01.02.04. Механика деформируемого твердого тела

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н. В.П. Гуляев

Научный консультант: д.т.н. А.К. Абрам я к

Санкт-Петербург 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение 3

Глава 1. Результаты исследований развития усталостных трещин в конструкционных сталях 7

1.1. Анализ основных закономерностей усталостного разрушения сталей 9

1.2. Методы экспериментальных исследований усталости 20

1.3. Влияние частоты нагружения на предел выносливости и пороговый коэффициент интенсивности напряжений 31

Глава 2. Расчетно-экспериментальная оценка периодов зарождения и распространения усталостной макротрещины 42

2.1. Электродинамическая установка для исследования развития усталостных трещин 42

2.2. Напряженно-деформированное состояние в окрестности концентратора напряжений прямоугольных образцов из стали 09Г2С 48

2.3. Методика измерения амплитуды колебаний нагружающего устройства 55

2.4. Фрактографический анализ образцов 61

2.5. Оценка отдельных периодов усталостной трещины по изменению частоты собственных колебаний образца 68

Глава 3. Накопление повреждений по оценкам этапов зарождения и роста усталостной трещины 78

3.1. Кривые усталости 79

3.2. Расчет рассеянной повреждаемости по модели пластической зоны гр 82

3.3. Количественная оценка рассеянной повреждаемости по модели зоны предразрушения d 92

3.4. Поврежденность для этапа распространения усталостной трещины 98

Глава 4. Расчет периода зарождения макротрещины для элементов конструкций и технических систем 104

4.1. Период возможного зарождения макротрещины размером d на участке магистрального газопровода Мастах-Якутск 104

4.2. Расчет периода зарождения макротрещины в лопаткеГТУ-1 ГРЭС г.Якутска 114

Основные выводы 119

Литература 121

Приложения 135

ВВЕДЕНИЕ

Проблема усталостной прочности элементов машин, приборов и аппаратов является традиционной, но за последние годы она приобрела особое значение в связи с требованиями конкурентоспособности на мировом рынке продукции энергетического и химического машиностроения, авиа-космических отраслей техники и др. Становятся актуальными попытки оценки долговечности конструкций, работающих в условиях нестационарных силовых и температурных режимов на-гружения, при которых имеется высокая вероятность развития усталостного разрушения. В первую очередь, это процессы статической усталости, возникающие в результате выдержки конструкционных элементов во времени под действием нагрузок; мало- и многоцикловой усталости, связанные с циклическим нагружением; процессы поверхностных разрушений при действии напряжений и агрессивных сред. В условиях реальной эксплуатации конструкции испытывают и другие, комбинированные воздействия. Усталостному разрушению подвержены не только традиционные металлические, но и различные другие материалы такие, как полимеры, керамика, стекло, композиты и др.

Физические процессы, обусловливающие развитие усталостных повреждений, весьма сложны, и существующие сегодня способы их описания недостаточны для использования в прочностных расчетах. Поэтому в настоящее время для разработки методов расчета на прочность при переменных напряжениях в элементах конструкций, применяют различные феноменологические зависимости, получаемые с использованием большого объема экспериментальных данных. Основные недостатки такого подхода связаны с трудоемкостью усталостных испытаний, особенно, когда ведется исследование многоцикловой усталости, соответствующей наработке в сотни тысяч и миллионов циклов нагрузки, с попытками учета многообразия факторов, существен-

но влияющих на процесс усталости (параметры окружающей среды, материал детали и способ ее обработки, режим нагружения и др.). Следовательно, оценка накопления усталостных повреждений в материалах при действии реальных нагрузок, учитывающая сопротивление их воздействию, является весьма актуальной задачей, в связи с необходимостью более правильного описания этого процесса и улучшения точности прогноза долговечности элементов конструкций.

Так как накопление усталостного повреждения происходит при переменных напряжениях, то определяющим является характер изменения напряженного состояния во времени. Основной характеристикой переменного напряжения является цикл напряжений - совокупность последовательных значений переменных напряжений за один период процесса их изменения, важным параметром которой является частота нагружения.

Как известно, совместное действие многих факторов, имеющих место при реальной эксплуатации техники не всегда поддается оценке, а синергетический результат может быть установлен лишь при постановке и осуществлении соответствующих экспериментов. В настоящее время имеется достаточно четкое представление о том, как влияет на сопротивление усталостному разрушению тот или иной фактор, действующий изолированно. Так, вследствие большого прикладного значения уделено достаточное внимание влиянию частоты нагружения на усталость. Как эксплуатационный параметр частота нагружения определяет длительность приложения максимальной нагрузки в пределах одного цикла.

Большинство конструкций и деталей машин, работающих преимущественно при циклических нагрузках, разрушаются вследствие зарождения и развития трещины в зонах концентрации напряжений. Поэтому особый интерес представляют задачи: изучение развития трещины в окрестности концентратора напряжений, предусматри-

вающее установление характеристик сопротивления материалов зарождению усталостной трещины; определение длительности этапа зарождения усталостной трещины в элементах конструкций. Работы в этом направлении получили развитие только в последние пятнадцать лет. При этом значительная часть известных работ связана с решением первой из указанных задач. И вопрос о том, каким образом количественно оценить конец первого этапа усталостного разрушения - зарождения макротрещины, еще не достаточно рассмотрен.

Исходя из вышеизложенного, данная работа посвящена разработке метода оценки этапов зарождения и распространения усталостной трещины по характеру колебаний нагруженного элемента конструкции, с учетом размера зоны предразрушения в концентраторе напряжений.

ГЛАВА 1. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ РАЗВИТИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЯХ

Начиная с работ А. Гриффитса, H.H. Давиденкова, А.И. Одинга, Дж. Ирвина, С.В. Серенсена и других [61, 88,122, 125 и др.] оценка работоспособности материала в конструкции ведется на основе выявленных закономерностей различных видов разрушений. Теоретические и прикладные методы расчета прочности и долговечности конструкций и элементов деталей машин с концентраторами напряжений развиты в работах В.В. Панасюка, В.Т. Трощенко, П.С. Пэриса, JI.M. Ка-чанова, Д.Р. Райса, Ю.Н. Работнова, Г. Нейбера, В.П. Когаева и других исследователей [37, 57, 77, 97 и др.].

Адекватный прогноз прочности и долговечности конструкции неразрывно связан с количественным анализом процесса разрушения, который учитывает вклад различных факторов в повреждаемость материала [17, 60, 106 и др.]. Информация, необходимая для проведения подобного анализа элемента конструкции в целом, приведена на схеме рис. 1.1.

Детали машин и элементы конструкций в процессе эксплуатации преимущественно подвергаются действию нагрузок, меняющихся во времени [48, 56]. При этом определяющим показателем долговечности конструкций является частота нагружения. Если уровень напряжений, вызванных этими нагрузками, превышает определенный предел, то в материале начинают происходить необратимые процессы накопления повреждений, которые приводят к образованию трещин.

В настоящее время линейная механика разрушения представляет достаточно стройную теорию для объяснения распространения усталостной трещины [16]. И в силу того, что инициирование трещин

Рис. 1.1. Схема анализа разрушения конструкций.

изучается на стыке ряда наук, то нет четко сформулированных решений количественной оценки периода зарождения усталостной трещины. Между тем, решение данного вопроса, как показано в работах [28, 65], позволяет научно обоснованно оценить ресурс эксплуатируемых элементов конструкций и технических систем, обеспечить своевременную диагностику потери несущей способности конструкций.

1.1. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ СТАЛЕЙ

Известно [34, 112], что различные механизмы образования и развития отдельных дефектов типа пор и трещин находят свое отражение в структуре поверхностей распространившейся трещины. Поэтому исследование усталостных изломов создает обоснованную базу для интерпретации протекания усталостного разрушения.

На поверхности усталостной трещины выделяются: очаг усталостного разрушения, который включает в себя фокус излома, где происходит зарождение трещины; зона субкритического роста усталостной трещины; участок долома (рис. 1.2). Для низколегированных сталей участок очага разрушения ориентирован по направлению действия максимальных касательных напряжений, в то время как зона стабильного роста усталостной трещины перпендикулярна направлению действия максимальных растягивающих напряжений [23].

Особенностями рельефа усталостного излома являются [81] усталостные линии, представляющие собой следы остановок фронта трещины, которые зависят от ряда факторов(материал, его состояние и условия нагружения), влияющих на процесс усталости.

И.А. Одингом [61] приведена схема зависимости строения усталостных изломов от вида нагружения, уровня и концентрации напряжений (табл. 1.1), где видно, что на характер излома существенно

Рис. 1.2. Поверхность усталостного излома: 1 - фокус; 2 - очаг; 3 - рост усталостных трещин; 4 - долом.

Таблица 1.1.

Влияние вида нагружения, уровня и концентрации напряжений на строение усталостных изломов цилиндрических образцов [62]

Низкие напряжения Высокие напряжения

Вид нагружения Локальный концентратор Мягкий кольцевой концентратор Острый кольцевой концентратор Локальный концентратор Мягкий кольцевой концентратор Острый кольцевой концентратор

Растяжение с изгибом

Плоский изгиб

Изгиб с вращением

Примечание. Заштрихованы зоны долома.

влияют локальные, а также протяженные концентраторы, которые изменяют направление распространения трещины и конфигурацию отдельных участков.

Методами фрактографического анализа установлено [40], что в зависимости от условий нагружения и структурного состояния материала распространение в нем трещин осуществляется путем реализации следующих микромеханизмов разрушения: транскристаллитного скола, квазискола, межзеренного скола, ямочного отрыва, расслоений по плоскостям скольжения, формирования бороздчатого микрорельефа. Поскольку в деформируемом твердом теле всегда имеются неоднородность напряжений (деформаций), и главным образом структурная гетерогенность, то разрушение происходит путем смешанной реализации нескольких механизмов зарождения микротрещин, их слияния и распространения [102].

К характерным признакам усталостной зоны на микроуровне относятся усталостные бороздки, появляющиеся за каждый цикл нагружения и ориентированные преимущественно перпендикулярно направлению ее распространения.

В основу современных представлений о строении бороздок усталости положена работа П. Форсайта [115], выделившего пластичный и хрупкий типы бороздок. Пластичные бороздки обычно группируются параллельными рядами, разделенными глубокими впадинами (рис. 1.3а). Хрупкие же связаны со скольными фасетками, покрытых исходящими из некоторых центров линиями типа речного узора (рис. 1.36).

При оценке микромеханизма распространения трещины исследуют профиль рельефа (рис.1.3в), который подразделяется на типы: пластичный (I), хрупкий (II, III) и смешанный (IV, V).

Экспериментально показано [80, 104], что формирование бороздок связано с циклическими упрочнением, видом скольжения, вторич-

II

IV

5.

8.

Рис. 1.3. Строение усталостных бороздок: а -пластичных; б - хрупких; в - разновидности профилей [40].

ными трещинами и другими физическими и структурными явлениями в вершине распространяющейся трещины.

Ясно, что исследование особенностей микрорельефа изломов позволяет количественно оценить зарождение и распространение усталостной трещины при экспертизе собственно разрушения конструкции. И эти сведения могут быть положены в основание предварительной диагностики потери несущей способности конструкции только при соответствующем статистическом анализе.

В зависимости от характера изменений структуры, вызываемых циклической пластической деформацией, различают три последовательные (иногда перекрывающиеся) стадии усталостного разрушения материала [35]: инкубационная, характеризующаяся неоднородной концентрацией микропластических сдвигов, главным образом в приповерхностных слоях деформируемого тела, вследствие их повышенной технологической дефектности и пониженного сопротивления текучести; стадия (разрыхления материала) зарождения субмик-ротрещин, их развития, слияния и образования микротрещин - нарушения структуры материала на уровне ее блоков, зерен, включений, а в поверхностном слое - образование ступенек экструзии и интрузии; стадия распространения трещины, которая начинается когда одна из микротрещин становится доминирующей и перерастает в макротрещину. Иногда выделяют еще четвертую стадию - долом, но так как скорость движения трещины на этой стадии велика, то изучение четвертой стадии не имеет практического значения.

Для диагностики потери несущей способности конструкций особую важность имеет количественная оценка периодов зарождения и распространения макротрещины [65]. Период зарождения макротрещины состоит из времени инкубации микротрещин и разрыхления материала. На этом этапе деформация протекает по всему объему материала равномерно, развитие микротрещин под действием касательных

напряжений контролируется локальными условиями в пределах одного или нескольких элементов структуры. Распространение же, включающее рост трещины и долом, происходит под действием максимальных растягивающих напряжений и локализуется у вершины трещины.

Считается [36, 112], что процесс формирования зародышевых усталостных микротрещин при циклическом нагружении под действием касательных напряжений происходит по механизму стока дислокаций и сопровождается их притуплением. Увеличение длины микротрещин наблюдается до границ ячеек дислокационной структуры. Далее происходит объединение микротрещин в масштабе зерна путем их «дорыва» (рис. 1.4).

Поскольку направление стабильного роста микротрещин является случайной величиной, то физическая оценка перехода от микротрещины к макротрещине затруднительна. Поэтому разделение этапов зарождения и распространения трещины при усталости металлов не просто, и до сих пор этот вопрос методически не достаточно решен.

В настоящее время известны следующие подходы к оценке периода зарождения, которые принимают для разделения основных этапов развития трещин усталости.

Один из методов оценки этапа зарождения базируется на установление минимальной поддающейся наблюдению длины трещины. На практике наиболее распространены методы измерения длины трещин как визуальный, фотосъемки, упругой податливости, датчиков последовательного разрыва, разности электрических потенциалов и фрактографический [110]. Кроме того, известны исследования, в которых применен метод акустической эмиссии, ультразвуковой, вихревых токов или магнитный [9]. В зависимости от разрешающих способностей средств наблюдений длина зародившейся макротрещины может

Граница зерна

Микротрецины

Рис. 1.4. Модель усталостного разрушения [36]: а-стабильный рост микротрещин; б - момент нестабильного развития микротрещин в ячейках; в -торможение макротрещин границами ячеек.

быть от 2-3 мм до десятых долей микрометра. Поэтому данный способ используют для грубого сравнения основных периодов разрушения.

В качестве момента перехода к распространению трещины принимают превращение сдвиговой трещины Форсайта в нормальную трещину отрыва [115], который формируется путем коалесценции отдельных микротрещин, наиболее благоприятно расположенных по отношению к другим, возникающим в полосах скольжения. Хотя такой подход физически обоснован, но имеются трудности в его экспериментальной реализации в связи с