Определение характеристик сопротивления многоцикловой усталости металлов с позиции уточненных подходов линейной механики разрушений тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

государственный научный центр российской седерации

научно-производственное объединение по технологии машиностроения (гнц рф цниитыаш)

На правах рукописи

ДОМОЕИРОВ Леонид Иванович

определение характеристик сопротивления иногоциюювои усталости металлов с позиции уточненных подходов линьйнои механики разрушения

01.02.06 - Динаикка, прочность ыашин, приборов и аппаратуры

автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 199а

Работа выполнена в Научно-производственном объединении по технологии машиностроения "ЦНИИТМАШ"

Научный консультант - член-корреспондент ран

h.a. Махутов

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

E.U. Морозов

- доктор технических наук, профессор B.S. Терентьев

- доктор технических наук H.A. Воробьев

Ведущее предприятие - Всеросийский научно-исследовательский

институт велезнодоронного транспорта (ВНИИдТ)

Защита состоится " п аек&сУпу 1993 г. в /¿f часов на заседании диссертационного Совета 145.03.04 в Государственной научном центре - Научно-производственном объединении по технологии машиностроения "ЦНИИТМАШ" по адресу: 109088, г. Москва, Шарико -подшипниковская ул., д.4.

*

С диссертацией ыоино ознакомиться в библиотеке ЦНИИТМАШ.

Автореферат разослан *// ^/Zf'^Z/S 1993 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета, к.т.н. ' ___-- Д.Н. Клауч

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми. Усталость материалов является наиболее частоЛ причине;": разрушения деталей машин и конструкций, подвергавшихся циклическому кагругеки».

Технс.-сг'лчзск/е и эксплуатационные дефекты могут привести к .скиаен;:ю характеристик сопротивления усталости металлов, что ' необходимо учитывать при определении свойств материалов и расчетах . ка прочность для обеспечения высокой надежности и долговечности мзс;:н и конструкций. 5та проблема особенно актуальна для современных касин в связи с увеличением их мощности, грузоподъемности и других параметров, приводящих к увеличение кагруаенности деталей машин, и при изготовлении которых используются высокопрочны? стали, обладающие, как правило, ловывенной чувствительность» к дефектам.

Структурная неоднородность и исходные дефекты поликристаллических металлических материалов приводят к зарождению усталостных трекин в отдельных локальных зонах материала на ранней стадии циклического нагруеения и доминирующему влиянию процесса развития трещины на сопротивление усталостному разрушению.

В связи с этим разработка и развитие методов исследования усталости металлов и расчета на прочность деталей мавин и конструкций с учетом негодных, технологических и эксплуатационных дефектов типа трещин с единых позиций по критериям механики разрушения являются вааными научными и практическими задачами.

В настоящее время при исследовании ынсгоцнкловой усталости и расчетах на прочность деталей мавин и конструкций с учетом трепан зирско используется линейная механика разрушения (ЛМР). Однако подходы ЛМР из-за ограничений, обусловленных учетом лишь главного (сингулярного) члена полного решения упругой задачи о распределе-

нии иапрязений в теле с трещиной, применимы когда характерный размер трещины превывает протяяенность пластической зоны з эе вер-пике более чем з 50 раз. Лля ЗольшоЙ группа сталей трещины протя-некнсстью itense 0,2-2 им (короткие трещины) не отвечают указанному условия, а применение подходов ЛМР к такчм трещинам приэсдит к завышению оценок долговечности и разругавши напряаениЯ.

• • -Для описания развития коротких усталостных трещин используют- ' ся подходы нелинейно;! механики разрушения. Однако их широкое прак тическое применение сдерзивается трудностями, связанными с необходимостью экспериментального определения соответствующих характеристик материала на образцах с коротки;-.! трещинами. Предложены такае модели, описывающие кинетику коротких трещин на основе под* ходов ЛМР. Во многих из них используется предел выносливости гладких образцов з качестве базовой характеристики модели, что исключает анализ таких образцов с позиций ме/лники разрувения. Кроме того, некоторый /з зт;;х моделей не отвечая-: принятым представлениям об усталостном разрувении металлов.

Цель работы. Основная цель работы состояла в разработке научных основ, аналитических и расчстно-экспер/.чентальных методов определения характеристик сопротивления многоцикловой усталости металлических материалов с учетом дефектов и повреадений типа трещин, имеющих небольвие размеры.

Научная новизна. Усовершенствованы подходы ЛМР с учетом несингулярных членов, входящих в полное решение упругой задачи о распределении напряаений вблизи вероииы трещины, и на их основе разработаны методы определения характеристик сопротивления усталости материалов с учетом исходных трещин различной, протяиеккости.

На основе полоаения о связи кинетчки усталостной трещины с прстяаенностьа пластической зона в ее зегзине и оценок этой зоны с учетом несингулярных членов в качестве параметра, контролирувае-

го рост тресни произвольной длины, обосновано применение приведенного коз^кциекта интенсивности капря1ений Характеристики цак-лическсй трекиностойхости, определяемые на основании параметра К^, инвари&кгкы к размерам треккн и при заданных условиях испытаний являются постоянными материала.

Установлены аналитические соотнесения, описывавшие связь предела 'выносливости материала с протяженность» трекини и механическими характеристиками материала. На основе этих соотновений предложено обсбвенное уравнение, которое описывает единой кривой зависимость предела выносливости различных материалов от протяаенкос-тк трещин. Показано, что применительно к гладким стальным образцам диам. 7-10 ыы расчетные значения предела выносливости хороао согласуется с экспериментальными результатами при представлении ■ исходных дефектов материала в виде тресни, протяаенность которых сопоставима с реэ»ер.ами характерного элемента микроструктуры.

Сбссконаио и экспериментально подтверядело половенис об описании с достаточной для практических целей точностью единой кривой (обобщенная кркзая усталости) связи ыеаду долговечностью образцов с исходными тресиками различно!: протякекности и приведенным коэф-4ИЦИ2КТСЫ интенсивности напряге кг. Г: К,. Сообщенная кривая усталое-ти объединяет традиционные подходы и методы механики раэрувеккя при представлении характеристик сопротиаления усталости.

Разработаны рз счетко-экспсрименталыше методы определения характеристик сопротивления усталости объекта (образца) с учетом его индивидуальных свойств путем определения протяьенности начальной трсиины по обобщенной кривой усталости.

Установлены аналитические соотношения для описания диаграмм предельных амплитуд напряаекий для тел с исходными трещинами различной протяЕенности и зависимости коэффициента чувствительности

предела выносливости к асимметрии цикла напрЯЕекий ст размеров трещин, механических л циклических характеристик материала. Применительно к телам с гладкой поверхностью получено аналитическое соотношение, связывающее коэффициент с относительны« уровнем предела выносливости тела при симметричном цикле

Проведен анализ влияния абсолютных размеров поперечного сечения образцов на предел выносливости при асимметричных циклах наг-руаения. Показано, что маситабная зависимость предела выносливости металлических материалов усиливается при переходе от симметричного цикла нагрунения к асимметричным со средними растягивающими напряяениями.

Практическая значимость. Показана возмовность описания кинетики физически коротких трещин через характеристики циклической тре-щиностойкости материала, определяемые по принятым методикам на образцах с большими трещинами.

Получены аналитические зависимости, устанавливающие количественную связь характеристик сопротивления усталостному разрушению с трещиной произвольной длины.

Определение коэффициента чувствительности предела выносливости к асимметрии цикла нагруаения через параметр (31//Ъ'Т позволяет учесть влияние различных факторов (свойств материала, технологии изготовления деталей и образцов, условий их эксплуатации к испытаний и т.д.) на величину у^.

Разработанные и защищенные авторскими свидетельствами на изобретения расчетно-экспериментальные методы определения характеристик сопротивления усталости, базирующиеся на обобщенной кривой усталости, позволяют построить кривую усталости по результатам испытаний одного образца в области ограниченной долговечности, а такне значительно сократить количество образцов и арекя их испытаний при

исследовании рассеяния характеристик сопротивления усталости.

Представление в виде трещин локальных зон материала, в которых инициируется усталостное разруаение, и рассмотрение этих трещин в начесиве одной из основных характеристик материала, влияющих на усталостные свойства гладких образцов, дает возможность допускать наличие трещин определенных размеров в деталях иашин и конструкций. '

Разработаны рекомендации по расчетам на прочность деталей машин и конструкций с учетом технологических дефектов и эксплуатационных повреждений типа трещин, имеющих "гебольпие размеры. Представлены диаграммы для определения коэффициента запаса прочности по длине трещины п^ при заданных значениях коэффициента запаса прочности по напряаениям п^ и протяиенности обнарузенных дефектов и поврендений, а такне диаграммы для определения протявенности допускаемых дефектов по заданным значениям п.^ и пе •

Результаты диссертационной работы использозаны при разработке отраслевого регламентирующего документа РТМ 108.242.02-83 "Турбины гидравлические радиально-осевые. Методы расчета ка прочность рабочих колес" (НПО ЦКТИ), проектировании и изготовлении рабочих колес мощных гидротурбин на ПОТ ЛМЗ. Экономический э4>фект от внедрения результатов раббты составил около 300,0 тыс. руб. в ценах 1982-1983 годов.

Апробация работы. Основные полоаения и результаты работы докладывались на: 'Всесоюзном симп. "Прикладные вопросы механики разрушения в машиностроении" (г. Ленинград, 1977 г.), семинаре "Проблемы разрушения металлов" секции металловедения и термической обработки при ВДЬ'ТП (г. Москва, 1979 и 1985 г.г.), I Республиканской конференции по поьшению надекности н долговечности машин и соорувений 1г. Киев, 1982 г.), научно-техническом семинаре "Применение иехакики разрушения для оценки эксплуатационной надеанос-

- Б -

ти сварочных соединений и-конструкций" (г. Ленинград, 1983 г.), IV и V Всесоюзных симпозиумах по малоцикловой усталости (г. Краснодар, 1933 г., г. Волгоград, 1987 г.), IX конференции по усталости металлов (г. Москва, 1986 г.), XXII Всесоюзном научном совещании по проблемам прочности двигателей (г. Москва, 1988 г.), совещании "Проблемы комплексной оценки повреадаемости и предельного состояния силовых систем" (г. Гомель, 1990 г.).

Публикации. Основные результаты, изложенные в диссертации,-опубликованы в 26 печатных работах, в т.ч. в 3 авторских свидетельствах на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов,"списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 292 страницах, содержит 98 иллюстраций и таблиц. Список литературы включает 253 наименования.

Автор защищает:

- усовершенствованные подходы линейной механики разруаения

с учетом несингулярных членов, обеспечивающие адекватное описание развития трещин произвольной длины; ,

- комплекс аналитических соотношений, описывающих влияние трещин произвольной длины, механических и циклических характеристик на предел выносливости металлических материалов;

- представление в виде трещин локальных зон материала, в которых инициируется, усталостное разрушение, и аналитическое описание усталостных свойств гладких образцов с учетом этих трещин по критериям механики разрушения;

- определение коэффициента чувствительности предела выносливости к асимметрии циклического нагругения Ч^ через относительный уровень предела выносливости /<от ;

- расчетный метод определения масс абной зависимости предела выносливости при асимметричных циклах нагругения;

- описание единой кривой (обобщенной кривой усталости) зависимости долговечности образцов с исходными трещинами разной протя-

*

менности от приведенного коэффициента интенсивности напряжений К^;

- комплекс ускоренных расчетно-эксперименталышх методов определения характеристик сопротивления усталости с учетом индивидуальных особенностей исследуемого объекта (образца) на основе обобщенной* кривой усталости.

ОСНОВНОЕ СОДЕРйАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе (литературный обзор) приведены основные понятия и термины, принятые в области сопротивления усталости металлов. Рассмотрены традиционные и современные методы исследования, сопротивления усталости металлических материалов.

В традиционных подходах к проблемам усталости материал представляется, как правило, однородным, а усталостные свойства описываются на основании различных усредненных характеристик материала, определяющих состояние макрообьемов тела, и классических теорий прочности. К настоящему времени накоплен огромный экспериментальный материал-о влиянии различных факторов (свойств и структуры материалов, состояния поверхности, разиеров образцов, концентраторов напрянений, технологии .изготовления деталей, условий эксплуатации и т.д.) на характеристики сопротивления усталости. Развиты представления о статистической природе усталостного разрушения и изучены закономерности рассеяния характеристик сопротивления усталостному разрушению металлических материалов. Однако в рамках традиционных подходов невозмогно аналитическое.описание влияния трещиноподобных дефектов материала на его усталостные свойства.

Рассмотрены подходы ЛЧР, вироко применяемые в настоящее время при исследовании влияния трещин на сопротивление уст&юсти материалов и учете технологических дефектов и эксплуатационных поврекде-

ний типа трещин в расчетах я а прочность. Однако подходы JlliP из-за ограничений, обусловленных асимптотический представлением распределения напряжений у вершины трещины, применимы если характерный размер трещины существенно больше зоны пластичности в ее вершине. Для большой группы конструкционных сталей протяненность таких трещин должна превышатьт 0,2 - 2 мы. Применение подходов ЛМР к трещинам, протяженность которых меньше 0,2-2 мы (физически короткие трещины), приводит к завышению оценок долговечности и предельных нагрузок.

Различным проблемам разрушения тел с короткими трещинами посвящены работы как отечественных, так и зарубеяьых ученых (А.Н. Ва-сютин, H.A. Махутов, Е.М. Морозов, A.B. Прокопенко, О.Н. Романив, В.?. Трощенко, Г.М. Хажинский, X. Китагава, Да. Ленкфорд, К. Миллер, К. Танака, Т. Топпер, м. Хаддад и др.). Результаты экспериментальных исследований показали, что короткие трещины могут развиваться при значениях К^ ниве К^ и имеют аномальный характер развития при напряжениях выше порогового уровня. Другой особенностью развития усталостных трещин малой длины является заметное влияние структуры материала на их кинетику.

Для описания развития физически коротких трещин предложены различные модели, базирующиеся на подходах линейной и нелинейной механики разрушения. Большинство из предложенных моделей содержит параметры, определяемые экспериментально на образцах гладких или с короткими трещинами. Это ограничивает и затрудняет применение на практике таких моделей или исключает анализ усталостного разрушения гладких образцов с позиций механики разрушения.

Отсутствие к настоящему времени приемлемых для практического использования моделей развития коротких трещин затрудняет разработку методов оценки характеристик сопротивления усталостному разрушению материалов на основе концепции начальных трещин, имитиру-

юких влияние неоднородности структуры и исходных дефектов материала на его усталостные свойства.

Во второй главе на примере бесконечной пластины с центральной сквозной трещиной, подвергнутой одноосному растявению, рассмотрено влияние несингулярных (дополнительных) членов на распределение на-пряаений около вершины трещины. С учетом несингулярных членов проведены оценки протяженности пластической зоны в вершине трещины нормального отрыва при различном напряженно-деформированном состо- • янии в вераккс трещины и разных критериях текучести.

С учетом дополнительного члена, связанного с внешней нагрузкой, выражения для оценки протяженности пластической зоны в вершине трецииы при плоско-деформированном состоянии имеют вид:

для критерия текучести Треска

_ (/-г^? Г /г, 1г 2% I «'¿и<?/&т)СГг1 '

для критерия текучести Ыизеса

^ _ «у _у ^

где - козф4ициент Пуассона.

Из соотноиений (1) и (2) следует, что протяженность пластической зоны в вервине трещины для заданного материала зависит не только от параметра К^, как принимается в подходах ЛМР, но и от уровня относительного напряжения &/Су . При одинаковых значениях К^ величина увеличивается с росток СЗС/С^., что будет приводить к большей протяженности пластической зоны для более коротких трещин. Выражения (1) и (2) для заданного материала представляют собой двухлараметрическую ¿ункци»

4 ш

Вид функции / зависит от принимаемого критерия текучести и вида напрЯЕб! pro состояния. В соответствии с записью (3) протяаенносгь пластической зоны мсзно однозначно связать с параметром, имеющим размерность коэффициента интенсивности напрязений, а выраненпе (3) представить в виде

С4)

»

где - приведенный коэффициент интенсивности напрянений.

Выранения для К^ , найденные ка оснозании формул (1) и (2), имеют соответственно вид

К? = --г- / 15)

К. - • (о).

' " //- (1-у 2)(э ГУ

Из соотношений (5) и (6) следует, что К^ больше К^ . Различие меаду ними не связано с размерами хренин, а зависит только от уровня относительного напрягения <5/<Зт и выбираемого критерия текучести (рис. 1). При (э/(?т< 0,различие меаду К^ и К^ незначительно и им ка практике моено пренеоречь. С повышением уровня . * 0>/(эт различие меаду К^ и К^ возрастает и при высоких значениях

относительного напряаекия становится сусестзенным. Например, при

»

■ различие меаду К^ и К^ достигает 4и-60*. Заметное

*

влияние выбираемого критерия текучести на величину К^ в рассматриваемом примере наблюдается лииь при 0,9.

Параметр К^ , отразая через силовые условия нагруяения, по своему физическому содержанию являете« деформационным критерием развития трещин. При использовании приведенного коэффициент интенсивности напряжений снимается ограничения на разыури трецлн и для С - 0 расчетные предельные напр.чаения принимают конечные

Относительное напряжение <э/<зг

Рис. 1. Различие мевду коэффициентами К^ и К^:

1 - для критерия текучести Треска,

2 - для критерия текучести Ииэеса

значения.

Третья глава посвящена результатам теоретического анализа условий нераспространения коротких трещин. Получены аналитические соотношения, устанавливающие связь предела выносливости с размерами трещин, механическими свойствами и характеристиками циклической трещиностойкости материала. Рассмотрено обобщенное уравнение, опи-

I

сывающее единой кривой влияние трещин произвольной длины на предел выносливости различных материалов. Результаты расчетов сопоставле- ' ны с экспериментальными данными и показано их хоровее совпадение.

В качестве параметра, контролирующего развитие усталостной трещины, принята протяненность пластической зоны в вершине трещины обр. . Считается, что независимо от уровня напряжений и схемы нагрувения скорость распространения трещин различной длины будет одинаковой при равных значениях <£р . Условие нераспространения трещин устанавливается выравением

¿Р « (7)

где (¿р - постоянная материала при заданных условиях испытаний.

Таким образом, для теоретического анализа условий нераспространения усталостных трещин, необходимо получить соотношения для оценки прогягенности пластической зоны в зергине трещины. Поскольку размеры малых трещин сопоставимы с пластической зоной, то при оценках а?р необходимо учитывать несингулярные члены.

Применительно к бесконечной пластине с центральной сквозной трещиной, подвергнутой растягени», ссотнозение, связывающее протя-яенность пластической зскы <£р с уровнем напряаений С> , для критерия текучести Мизеса имеет вид

Предел выносливости получим из соотношений (8) и (9) при подстановке в них условия (?) и замене предела текучести на

циклический предел текучести (р^т

Ло /¿Г0'5/^ -Г Г*5"/,

„а -

В выраяение (10) входит параметр (хр , который, как указывалось выиз, не зависит от протяненкости трещины и, следовательно, его монно представить через пороговый коэффициент интенсивности напряаений Я^.^ на основании подходов ЖР. и учетом сказанного соотношение (10) применительно к телу произвольной формы и для различных схем нагрунения представим в виде

$

где У - поправочная функция, учитывающая размеры трещин и тела (образца), а также схему нагруяеикя.

Из уравнения (11) следует, что предел выносливости зависит от протяженности трещины в и следующих характеристик материала: циклического предела текучести , порогового коэффициента интенсивности капрякений К^^ и коэффициента Пуассона^ .

Трещины протяяенностью (принимаем = 0,7<эг;= 0.3; У=1)

е <0>-Г(К±ь/<?т)г' (12)

практически не влияют н; предел выносливости и соотношение (11) приводится к виду

¿п-О^Э&г . ЦЗ)

Предельный размер трещин, отвечающих условию (12), увеличивается с уменьшением уровня прочности сталей и составляет 0,002 и 0,03 мм для сталей с <от - 1200 и 300 мпа соответственно. Для трещин протяженностью

a>2,s(Kth/Grf (И)

выражение (11) переходит в соотношение ЛМР

а предел выносливости зависит от уровня К^ и протяаеннос'тй трещины. Предельный размер трещин, отвечающих условию (14), составляет 0,04 и 0,7 мм для сталей с <ог = 1200 и 500 МПа соответственно.

Влияние трещин на предел выносливости, описываемое соотношением (11), определяется по отношению к циклическому пределу текучести. Это позволяет на основе уравнения (11) проводить анализ усталостного разрушения гладких, образцов с позиций механики разрушения, представляя исходные дефекты материала в виде начальных трещин €0> и рассматривать параметр £0 а -качестве одной из основных характеристик материала, определяющих его усталостные свойства. Показано, что для гладких образцов диам. 7-10 мм из деформируемых сталей расчетные значения £0 составляют 5-30 мкм и сопоставимы с размером характерного структурного элемента.

Обобщенное уравнение, получаемое из (11), принимает вид

= ¿? ?9 ({ + о,2 е/е*) (-б)

и через параметр е/в* , где = /&т описывае-

единой кривой зависимость предела выносливости различных материа-

лов от протяженности трещин" (рис. 2). Величина является

обобщенным параметром, однозначно определяющим влияние трещин произвольной длины на относительный уровень предела выносливости различных материалов.

Уравнение (16) имеет те ае особенности, что и выражение (11). Так трещины 1 практически не влияют на предел выносливос-

. I

ти и'величина б>_/ определяется из выражения (13), а для трещин

20 применимы подходы ЛИР (пунктирная линия на рис. 2). 1 Соотношение (16) описывает единой кривой влияние трещин на предел выносливости образцов различных размеров.

Анализ связи предела выносливости гладких металлических образцов с прочностными свойствами материалов, выполненный ца основе соотношения (16), показал следующее. Для низкопрочных сталей ( & <, 300 МПа) -с 1 и исходные дефекты материалов практи- "

чески не влияют на предел выносливости, который в данном случае будет пропорционален пределу текучести материала. Для высокопроч-

I

ных сталей ( <3Т > 1400 МПа) 7 и их предел выносливости

слабо зависит от предела текучести материала.

Анализ влияния размеров трещин на пороговым! коэффициент интенсивности напряжений К^ , определяемый в соответствии с подходами ЛМР, показал, что нарушение инвариантности К.^ в области малых < трещин (рис. За) не связано с размерами трещин, а определяется уровнем относительного напрякеккя . Для сталей различного

уровня прочности уменьшение значений К^^ начинается при напряжениях * 0,2-0,5. Протяженность трещин при этом составляет 0,02-2 мм и увеличивается с уменьшением прочности сталей.

Определение величина К^ по формуле

К* - —---К±н --(17)

приводи? к постоянным значениям К^,^ для больших и малых трещин

*

(рис. 36). Инвариантность К^ свидетельствует о том, что механизм развития усталостных трещин в припороговой области остается одинаковым для трещин различной протяаенности.

В четвертой главе рассмотрена кинетика коротких трещин с учетом повышенного уровня номинальных напряжений, необходимого для развития таких трещин. '

Для анализа влияния уровня напряаений на кинетику трещин при- ' нята степенная зависимость скорости развития трещины от протяаенности пластической зоны в ее вершине

„ т,

оее/0еж-с1 <гР . ш)

Коэффициенты С^ и по^ уравнения (18) принимаются постоянными материала для различных уровней нагрузки при условии, что механизм усталостного разрушения не изменяется.

Параметр </р а соотношении (18) рассматривается как расчетная величина и для преобразования зависимости (18) к удобному для практических целей виду использованы выранения (1) и (2). Уравнение (18) после преобразования принимает вид для критерия текучести Треска

с [Г.

для критерия текучести Мизеса

¿е/м- с [*< ,20,

В соответствии с вырааениями (19) и (20) увеличение уровня напряаений при фиксированных значениях К^ додано приводить к повышению скорости распространения трещины, которое будет тем сильнее, чем выше нагрузка и показатель степени т . При этом кривые ско-

- — с "у -1- •X. «5Г—' 1 _ь. о-< о-г д-з -) о-«

—— к- •ч

рз гг^5 &

ц -к

N

< <о <оо е /е„

Рис. 2. Влияние тредик на предел выносливости ивталлических

материалов (1 - сталь 5М41, 2 - эвтектоидная сталь, 3 - сталь 20X13, 4-сплав АМг-61)'

I а

Длана тнчемм

£

.* 5 б ж

5 4

| ч I! I ¡. • §

—А _ « 1 ■1 1|- 1 |

• 1 г" -а г | I I I

_ — I _П йс, >—^ а

-В" с —яи О! I ¿г I |

11 --и—■ _Л —1 г- 3'Е п I г I

—с п-----с с —т-1 I I

а»

4 10

Длина т/*щи*ч С, мм

Рис. 3. Пороговые значения коэффициента интенсивности напряжений для трещин различной протяженности (1 - сталь 20X13, 2 - сталь с 0.22Х С, 3 - эвтектоидная сталь, 4 -сплав АМг-61)

а

рости роста трещин, соответствующие различным уровням напряаений, на кинетической диаграмме разрушения долины располагаться параллельно. Более корчтким трещинам при одинаковых значениях К^ соответствует более высокий уровень капряаений и, следовательно, скорость их долина быть выше по сравнению с длинными трещинами.

Влияние уровня напряаений на скорость развития усталостной трещины в стали 06Х12НЗДЛ показано на рис. 4. Видно, что при использовании параметра К^ скорость развития усталостной трещины не описывается единой кривой. Повыиение напряаений приводит к параллельному смещению вверх экспериментальных результатов на кинетической диаграмме. Из этого следует, что влияние уровня напряаений на

скорость роста трещин не зависит от их протявенности, составлявшей

*

з данном случае 0,5-25 мм. При использования параметра К^ экспериментальные результаты для различных уровней нагрузки укладываются на единую линию (рис. 46). Зто свидетельствует о хоровем отракении соотношением (20) характера влияния уровня напряаений иа скорость распространения усталостной трещины в стали 06Х12НЗДП.

Рассмотрены модели развития усталостных трещин в поверхностном слое тела и около концентраторов напряаений, базирующиеся на использовании приведенного коэффициента интенсивности напряаений. Показано, что ускоренное развитие трещин здесь связано с повышением относительного чапряиения (?/&т . В первой случае повышенный уровень обусловлен сиинением предела текучести материала

в поверхностном слое тела, а во втором - высокими местными напряжениями около концентратора. Высокий градиент местных напрякений в вериине концентратора колет приводить к снияенкю К^ при продви-. гении трещины в результате интенсивного уменьвения , что

приведет к уыеньпению скорости трещины на начальном этапе ее развития . Приведены примеры кинетических диаграмм усталостного раэру-аения для случаев развития трещин в поверхностном слое тела и из

— —

концентраторов напряаений.

Пятая глава посвящена разработке расчетно-экспериыентальньм методов определения характеристик сопротивления усталости материалов с позиций механики разрушения. Усталостное разрушение представляется как процесс развития усталостной трещины от начального размера 60 до критического £с .

'Обосновано и экспериментально подтверждено положение об описании с достаточной для практических целей точностью единой кривое (обобщенной кривой усталости) связи ыеаду долговечностью образце!

с исходными трещинами различной протявенности и приведенный коэф-

*

фициентоы интенсивности напряаений К^ (рис. 5). Обобщенная крипа;

1

усталости строится по результатам стандартных усталостных/испытаний серии образцов с исходными однотипными трещинами или трещино-подобными надрезами.

Обобщенная кривая усталости позволяет определить характеристики усталости образцов (тел) с исходными дефектами и повреадениям]

типа трещин, если имеются данные о размерах этих трещин, или найт! »

сначала значения К^ по результатам усталостных испытаний образцо) (тел) и установить протяженность исходных трещин, а затем опредв' лить и характеристики усталости.

Обобщенная кривая усталобти объединяет традиционные представл« ния и подходы механики разрушения при определении характеристи) усталости образцов (тел) с гладкой поверхностью. По результата) усталостных испытаний гладких образцов на основании обобщенно! кривой усталости находятся значения К^, а затем рассчитываете: протяаенность начальной трещины ¿0 для каадого образца. Величин;

яряяется интегральной характеристикой, связанной как с исход ными дефнектами материала, так п с локальными свойствами материал, в зоне зарондения трещиньг и начального этапа ее развития. Парамет; ¿0 для гладких образцов имеет определенное рассеяние, обусловлен-

:<х:

i

5 ««

о -1 А-Д.

о -з а-Н

□а

/»о

У

Й2С

'го

-СО-

I_I

! 00 "г V-

ТЖ

у—

40 ¡0 10 тэ

К/.

ЭЕ

1<Г

«7

50 НИИ

Ггпаргм

с

Рис. 4. Кинетическая ^иагрвша усталостного разрузения стали 06Х12НЗДЛ (1. 2, 3 и 4 - & = 100, 200, 330 и 420 ЫПа соответственно)

кое статистической природой исходных дефектов и локальных свойств поликристаллических металлических материалов.

Разработан ускоренный расчетно-зксперкментальный метод определения характеристик сопротивления усталости при ограниченном числе испытываемых образцов. Метод позволяет по результатам испытаний одного образца построить кривую усталости, а по результатам испытаний серии образцов определить эмпирические функции распределения ' долговечности при различных уровнях нагрузки и предела аыносливос- -ти, а танке построить семейство кривых усталости для заданных вероятностей разрушения.

Проверка разработанного метода показала хорошее совпадение расчетных результатов с экспериментальными данными. Расчетные значения протякенности исходных трещин в гладких образцах в зависимости от материала и размеров образцов составили от 0,04 до 2 мм, чтс указывает о применимости обобщенной кривой усталости для больвих и малых трещин.

В сестои главе приведены результаты анализа влияния асимметрии цикла напряаекий на сопротивление усталости с позиций механики ра-эрупения.

Влияние средних напряжений на сопротивление усталости гладких образцов описывается коэффициентом , характеризующим относительное изменение предела ьыносливостк при переходе от симметричного цикла кагрукекин к отнулевому, а образцов с макротрещинами описывается коэффициентом V , характеризующим влияние коэффициента асимметрии цикль напрягений Я на размах порогового коэффициента интенсивности напряжений аК^. К настоящему времени имеются обширные зкспери1'::;тсльные данные о влиянии средних напряжений на со-противленгэ усталости образцов гладких и с макротрещинами. Однако различные подходы определения коэффициентов У^- и V не позволяет проводить их сопоставление.

Число циклов /V

Рис. 5. Зависимость долговечности образцов из стали 06Х12КЗД с трециноподобными надрезами от К^ (1, 2, 3 и 4 - надрез глубиной 2, 1, 0,5 и 4 мм соответственно)

Показано, что связь мевду коэффициентами и описывается соотношением

Ч^ = (21)

Анализ значений чу для различных сталей показал, что имеются принципиальные различия ыекду образцами гладкими и с макротрещинами. Во-первых, для гладких образцов коэффициент Ч^ заметно кике, чем для образцов с трещинами: * 0-0,3 и 0,55-0,75 соответственно. Во-вторых, для гладких ооразцоз увеличивается с ростом уровня прочности сталей, а для образцов с трещинами коэффициент Ч^ практически не зависит от прочностных свойств сталей. Показано, что эти различия связаны с разной протяненкостью исходных трещин в образцах гладких и с макротрецинами.

Выраиение для коэффициента Ч^ , полученное на основе определения условий нераспространения трещин при симметричном и отнуле-вом циклах нагруаения через приведенный коэффициент интенсивности нппрявекий, нкеет вид

Кз соотношения (22) следует, что величина коэффициента Ч^ определяется тем, насколько протяаенность трещины отличается от размеров пластической зоны в ее вершине. Если лротякенность трещины существенно мерысе пластической зоны, то ~ 0. При обратной ситуации, имеющей место для больвих трещин, коэффициент при-

нимает свои предельные значения, определяемые выражением (21).

В соответствии с соотношением (22) коэффициент ЧС зависит от протявенности трещины, предела текучести и порогового коэффициента интенсивности напряжений, а такве от величины V • Коэффициент"'/^ увеличивается с ростом £ , , у и уменьшением

Характер влияния протяженности трещин на коэффициент для сталей разного уровня прочности показан на рис. 6. Видно, что с ростом 6 коэффициент увеличивается от 0 при С * 0 до пре-

дельного уровня, наступающего у сталей разной прочности при различной длине трещины. Для гладких образцов расчетные значения коэффициента хорошо согласутся с экспериментальными данными, если-'принять протяженность исходных трекин сопоставимой с характерным элементом структуры материала.

При известном значениии предела выносливости образца (тела) выражение (22) можно представить в виде

4% -/',6 - Г, \ (23)

/ •

На рис. 7 показаны зависимости коэффициента от уровня относительного предела выносливости (зг , описываемые уравнением (22) для различных значений V (сплоиные линии на рис. 7). Видно, что коэффициент возрастает с уменьаением и увеличением V . На рис. 7 представлены также экспериментальные значения ^ (темные точки) для гладких образцов, имевших различные размеры поперечного сечения и испытанных при различных видах наг-ружекия и температурах. Результаты испытаний располояены практически в области, определяемой расчетом. " -

Для предварительной оценки коэффициента можно принять

V = 0,65 (среднее значение коэффициента V для сталей). В э^ом случае соотношение (23) принимает вид

% = /г,** - - (24)

Из анализа влияния уровня V на коэффициент » а также диапазона значений V для сталей следует, что максимальная ошибка при оценке Ч^ , связанная с усреднением величины V , не превышает тридцати процентов.

Длине треиц/ми В, мм

Рис. 6. Зависимость коэффициента ^ от длины трещины для сталей различного уровня прочности

Рис. 7. Зависимость коэффициента У^ от б'_//£з'г (1, 2 и 3 - ^ « 0,5; 0,65 и 0,8 соответственно)

В соотношение (24) входит лишь предел текучести и выносливости при симметричной цикле нагрувения, значения которых приведены в справочной литературе для большой группы материалов, что облегчает использование данного соотношения на практике. Определение коэффициента через параметр (51,,/<3^ позволяет учесть влияние различных факторов (свойств материалов, технологии изготовление образцов к деталей, условия .их испытания и эксплуатации и т.д.) на величину ^ .

Разработан расчетно-экспериментальный метод определения предела выносливости при асимметричных циклах нагруаения, заключающийся в определении предела выносливости исследуемого объекта при симметричном цикле нагруаения и установлении расчетным путем влияния средних напрявений на предел выносливости на основании данных о за-зависимости i Kt|) от коэффициента асимметрии цикла нагруаения. Установлено, что влияние средних напрявений на предел выносливости усиливается и характер этого влияния изменяется с увеличением размеров образцов.

На основании гипотезы о преимущественном влиянии дефектов материала на масштабную зависимость предела выносливости проведен анализ масштабного эффекта (ЫЗ) при асимметричных циклах нагруаения. Показано, что переход от симметричного цикла нагруаения к асимметричным приводит к усилению МЭ. Это связано с повышением чувствительности предела выносливости более крупных образцов к средним напрявениям из-за увеличения протяненности исходных дефектов .

Разработан метод оценки МЭ при отнулевом цикле нагруаения на основании данных о МЭ при симметричном цикле негрукения и расчетной оценки коэффициента через параметр Si,./<jt • Приведены примеры масштабной зависимости предела выносливости ряда сталей при симметричном и отнулевом циклах нагруаения.

В седьмой главе рассмотрен« различные аспекты расчетов на прочность д-л-алей машин и конструкций с учетом трещин при нагрузках, переменных во времени.

Показано,-что определение живучести путей интегрирования уравнения Париса приводит к завышению долговечности из-за неучета влияния уровня напряжений на скорость распространения усталостной трещин». Влияние уровня напряжений на расчетные значения долговеч- ' ности учитывается при использовании уравнений (19) или (20), что получило экспериментальное подтверждение при исследовании сопротивления усталости образцов из сгали 06Х12НЗД с исходным» трощинспо-добными надрезами различной глубины.

1

Методом численного интегрирования проведена оценка долговечности с учетом изменения поправочной Функции У(£ ). учитывающей относительную длину трещины в выражениях для коэффициента интенсивности напряжений. Показано, что погреиность при оценках долговечности, обусловленная неучегоы изменения функции У(£ ) с ростом

трещины, зависит от вида функции У(1), уровня долговечности и от- ,

i

носительной длины начальной трещины. Определены условия,' при которых расчет зивучести можно проводить без учета изменения поправочной функции У(£ ). Разработаны также рекомендации для использования приблиаенных значений' циклического коэффициента вязкости разрушения К при расчетах живучести.

Разработаны рекомендации по расчетам на прочность деталей ма-син и конструкций по коэффициентам запаса прочности с учетом технологических дефектов и эксплуатационных повреждений типа трещин, имеющих небольшие размеры.

Представлена диаграмма, иллюстрирующая зависимость коэффициента запаса прочности яо длине трещины пе от протяженности трещины и уровня прочности сталей (рис. В). Показано, что при заданных значениях коэффициента ззпаса прочности по напряжениям гг^ , опре-

Рис. 6. Диаграмма,-иллюстрирующая зависимость •коэффициента пе от протякеннссти трещин и уровня прочности сталей

деляемых без учета влияния трещин, величина г%е уменьшается не только . с увеличением протяженности дефектов, но и с повышением прочности материалов.

Получены диаграммы для определения пе при заданных значениях п^ и протяженности обнаруженных дефектоз, а такае диаграммы для определения протяженности допускаемых дефектов по заданным значениям и

Показано, что при наличии небольших треаиноподобных дефектоэ принимаемые обычно запасы прочности по напряжениям не во всех случаях обеспечивают надежную работу деталей мапин и конструкций. Например, при п^ ■ 2 и наличии- трецин протявенностью 0,5-1 мм имеем п( > 1,5-3 для сталей с пределом текучести ниже 4С0 ЫПа и П.е< 0,5-1 для сталей с пределом текучести визе 1000 ЫПа.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Резена важная научная проблема, имекдая больвое прсктич^ское значение и заключающаяся в разработке научных основ, аналитических и расчетно-экспериыентальных методов определения характеристик сопротивления усталостному разрусениа • и расчетов на прочность с учетом дефектов и повреждений типа трецин по критериям механики разрувения.

Основные результаты и выводы диссертационной работы за.члюча-ются в следующем:

1. Усовврсенствова.чы подходы линейкой механики разрушения

с учетом несингулярных членов, входящих з изрестные решения упру-<

гой задачи о распределении напряжений в зоне трещины.

На основании оценок пластической зоны в зерпине трешины с учетом несингулярных членов в качестве пзрзметра, контролирующего кинетику трецин произвольной длины, обосновано использование призе-

♦

денного коэффициента интенсивности напряжений К^. Соотношения

- а -

на основе параметра к]| адекватно описывают развитие больших и малых трещин и при низких напряжениях принимают вид известных в линейной механике разрушения уравнений.:

Характеристики циклической трещиностойкости, определяемые на основании параметра К| , инвариантны по отношении к размерам трещин и при заданных условиях испытаний являются постоянными ма-треала, что позволяет описывать развития физически коротких трещин по данным, определяемым на образцах с болыаими трещинами.

2. Получены аналитические соотношения, которые описывают связь предела выносливости с протяженностью трещин произвольной длины и устанавливают характеристики материала, определяющие его усталостные свойства. В общем случае предел выносливости материала определяется циклическим пределом текучести (3^ г , пороговым коэффициентом интенсивности напряжений , коэффициентом Пуассона

и протяженностью трещины. £.

Соотнесения приводят к конечным значениям предела выносливости при 6 * 0. Установлены размеры трещин, которые практически не влияют на предел выносливости материала.

3. Получено обобщенное уравнение, которое через параметр €/€*,

о

где ■£ I « 0,1(К<Л /&7 У , описывает единой кривой зависимость относительного предела выко'сливости различных материа-

лов от протяженности трещин.

Показано, что для гладких образцов днем. 7-10 мм из деформируемых сталей расчетные значения предела выносливости соответствуют экспериментальным данным при представлении исходных дефектов материала в виде трещин, протяженность которых сопоставима с характерным элементом микроструктуры.

4. Определен аналитические соотношения для описания диаграмм предельных амплитуд напряжений и определения коэффициента чувствительности предела выносливости к асимметрии цикла нагруаения Ч^

с учетом трещин различной протяженности. Установлены характеристики, определяющие усталостные свойства материала при асимметричном нагрунании. Поггазаяо, что коэффициент ^ зависит от протяженности трещины С , циклического предела текучести С/4Г, порогового коэффициента интенсивности напряаений к^ и коэффициента V , характеризующего влияние асимметрии нагругения аа & К^ . Показано, что* увеличение £ , » V и снижение К^ приводят к повы-

шению коэффициента .

Для практического применения предлоаено аналитическое соотно-иенке, связывающее коэффициент с откоситсльним прзделси выносливости (¿-¿у'&г . Параметр сС/уб^- позволяет учесть влияние различных факторов (свойств материала, технологии изготовления образцов и деталей, их размеры, условий испытаний и т.д.) на асличи-ну

5. Проведена оценка ыасатабной зависимости предела выносливости при асимметричных циклах нагруаення.- Установлено усиление масв-табного эффекта с увеличением асимметрии цикла нагруаения, что связано с повышением чувствительности предела выносливости к.средним напряжениям из-за увеличения протяженности исходных дефектов.

Разработан метод оценки масштабного эффекта при отнулевом цикле нагруаения на основании Данных о зависимости предела выносливости от размеров образцов при симметричном цикле нагруаения и оце -нках коэффициента через параметр (51//&т • .

6. Обосновано и экспериментально подтверядено полоаение об описании с достаточной для практических целей точностью единой кривой (обобщенной кривой усталости) связи между долговечностью образцов

с исходными трещинами "различной протязенности и приведенным ноэф-

»

фициентом интенсивности напряаений К^.

Обобщенная кривая усталости позволяет определить долговечность при известных параметрах трещины или определить протяженность

трещин в конкретных образцах (телах) по результатам их усталостных испытаний. •

7. Разработаны расчетно-экспериментальные методы определения характеристик сопротивления усталостному разрушению материалов, базирующиеся на обобщенной кривой усталости. Они позволяют определить предел выносливости и построить кривую усталости по результатам - испытаний одного образца, а также значительно сократить коли- 1 чество образцов и время их испытаний при исследовании рассеяния характеристик сопротивления усталостному разрушению.

8. Разработаны рекомендации по расчетам на прочность деталей машин и конструкций по коэффициентам запаса прочности с учетом дефектов типа трещин, имеющих небольшие размеры.

Получены диаграммы, показывающие зависимость коэффициента^ запаса прочности' по длине трещина пг от протяженности трещины и уровня прочности сталей, а такие диаграммы для определения протявенности допускаемых трещин при заданных значениях коэффициентов запаса прочности по напряжениям и длине трещины п.е -

Показано, что при наличии дефектов типа трещин протявенностью 0,5-1 им и запасе прочности по напряжениям п^ - 2 значения коэффициента " запаса прочности по длине трещины составят пе > 1,5-3 для сталей с пределом текучести ниже 400 ИПа и п.< 0,5-1 для

с

сталей с пределом текучести Еыае 1000 ЫПа.

Основные результаты диссертационной работы отражены в публикациях:

1. Зайцев Г.З., Доможиров Л.Я. Усталостная и коррозионко-уста-лостная прочность стали 00Х12НЗД - !.!.: Груды ЦНШ'МАШ, № 119, 1974. - С. 62 - 66. я

2. Коррозионно-уеталостная прочность", сталей, применяемых в гидротурбостроении/ Зайцев Г.З., Максимов А.И., ¿оможиров Л.И.,

Мамаева Е.И.// Сб. Вопросы прочности крупных деталей машин. - У.: глашиностроение, 1976. - С. 183 - 189.

3. Домоаиров Л.И., Зайцев Г.З. Исследование развития усталостных трещин в корпусных сталях//Прикладнне вопросы механики разрушения: Тез. докл. Всесоюзного сими. - и.: 1977. - С. 43 - 45.

4. Домоаиров Л.И., Зайцев Г.З. К оценке влияния дефектов на:-усталостную прочность стали 00Х12!Щ//Проблемы прочности.-' 1977. - № 11. - С. 22 - 24.

5. Домоаиров Л.И., Зайцев Г.З. Исследование развития усталостных трещин в сталях 00Х12НЗД и 15Х2НМФА//Физ.-химическая механика материалов. - 1978. - » 4. - С. 93 - 98.

6. ДомоЕнров Л.И. О некоторых закономерностях развития усталостных трещин//Сб. Проблемы разрушения металлов. - М.: МДНТП, .

1980. - С. 97 - 100.

7. Домоаиров Л .11." К оценке влияния трещиноподобных дефектов на циклическую прочность конструктивных элементов//Проблемы прочности. - 1981. - ^ 7. - С. 27 - 32.

8. Хлебников Г.З., Домоаиров Л.И. Исследование закономерное- ( тей развития усталостной трещины а стали марки 0(5Х12НЗД с применением метода акустической эмиссии. - Ы.: Труды ЦНИИТМАШ, № 163,

1981. - С. 20 - 29.

9. Домоаиров Л.И. К оценке долговечности элементов конструкций, содеркащих трещиноподобные дефекты// I Республ. конф. по повышению надевности и долговечности машин и конструкций: Тез,докл.-Киев: Наукова думка, 1982. - Ч. 2. - С. У - 10.

10. Домоаиров Л.И. Теоретический анализ влияния коротких трещин на предел выносливости материалоБ//Проблемы прочности. -1983.— !Р 7. - С. 35 - 40.

• 11. Домоаиров Л.И. Влияние.уровня напрявекий на протяаеннооть пластической зоны а вершине трещины и скорость ее развития при

циклическом нагрувении//1У Всесоюз. симп. "Ыалоцикловая усталость-механика разрушения, живучесть' и материалоемкость конструкций": Тез. докл. и сооб. - Краснодар, 1983. - Вып. 1. - С. 37 - 39.

12. Домхиров Л.И. О применимости линейной механики разрушения для описания скорости роста усталостной трещины при повышенных^ уровнях нагрузки//Проблемы прочности. - 1986. - ® 4. - С. 10 - 15.

*13-. Доможиров Л.И. О пороговом*значении коэффициента интенсивности напряжений для тел с короткими трещинами//Заводская лаборатория. - 1986. - Р 7. - р. 59 - 62.

14. Домохиров Л.И. Циклическая трещиностойкость при малых трещинах/ZV Всесоюз. симп. "Ыалоцикловая усталость - критерии разрушения и структуры материалов": Тез. докл. и сообщ. - Волгоград: 1987. - Ч. 2. - С. 109 - 110.

15. ДомоЕиров Л.И. Разработка подходов механики разрушения применительно к малым трецинаи//Х#Л1 Всесоюз. сов. по проблемам прочности двигателей: Тез. докл. - к.: 1966. - С. 87 - 88.

16. Махутов H.A., Домонироп Л.И. Двухпараметрический критерий разрушения в связи с уточненными размерами пластической зоны//Заводская лаборатория. - 1989. - IP 1. - С. 54 - 59.

17. Домокиров Л.И. Механика усталостного разрушения металлических материалов, содержащих' малые трещиноподобные дефекты//ХШ Всесоюз. научно-техн. конф. по тепловой микроскопии "Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур": Тез. докл. - Каунас, 1989. - Ч. 1. - С. 24 - 25.

18. Доможиров Л.И. К анализу влияния асимметрии цикла нагруае-ния на предел выносливости материалов//Проблемы прочности. 1989. -

7. - С. 36 - 41.

19. Доыоаиров Л.И., Махутов H.A. Влияние свойств поверхностного слоя металлов на развитие малых усталостных трещин//4из.-химическая механика материалов. - 1989. - £ 5. - С. 13 - 18.

20. Дсмогпрсв Л.И. О применении механик;: разрушения для определения предела выносливости гладких образцов// Заводская лаборатория . - 1990. - да 10. - С. 50 - ¿4.

21. Дсасаиров Л.;!. Сценка влияния средних напряжена;": на ссг,-ротизлекие усталости с учетом масштабного ¿актера//Заводская лаборатория. - 1993. - $ с. - С. 50 - 54.

-22. Дсмовиров Л.Сценка влияния асимметрии цикла нзгрузекия на сопротивление усталостному разрушения нзт2ри2лгз//с2зсдская лаборатория. - 1554. - £ 4. - С. 41 - 4с.

23. ДомоЕирсз Л.;!. Сбобшекксе уравнение для оценки влияния трэцин на предел выносливости матерналсвУ/Заэсдская ла£орзтсркя. -1995. - * 10. - С.-2? - 32.

24. Домоакров Л.;'., Кривко М.А. Споссо получения а образце поверхностной трееикы//А.С. # 1291644. - 1986. 1

25. Домоаироз Л.И. Способ определения предела выносливости материала//А.С. # 1460554. - 1968.

26. Домоаироз Л.П., .'.'.зхутов Н.А. Способ определения предела выносливости элементов конструкций при асимметричных циклах нагру-яения//А.С. К? 1748010. - 1992.

сакаэ 12_Тага 100

Группа э^ектрограСйц НЕС 1^-1111 ГГМАП ^ардкопод^пкдкаЕска«, 4



о

и

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЯ

президиум ВАК~РоИ1|Ршм:

4- :

I .(.

* \

Ученую стелем /А »ГК

"■^¡к^ха:^- • ... ,,.„

■-'•-а. .^хыпжзд

Ачададнг

ВАК р

На правах рукописи

» 'С'» ^ I в©нид|Иванович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ; ХАРАКТЕРИСТИК СОПРОТИВЛЕНИЙ МН0Г0ЦИКЛ0В01 УСТАЛОСТИ МЕТАЛЛОВ С ПОЗИЦИЙ УТОЧНЕННЫХ ПОДХОДОВ ЛИНЕЙНОЙ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ

01.02.08 - Динамика, прочность машин» приборов и аппаратуры

Диссертация на соискание ученой степени доктора.технических наук

Научный консультант чл.-корр. РАН Махутов Н.А,

Москва - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................... 5

1. МЕХАНИКА РАЗРУШЕНИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ (литературный обзор).......... 13

1.1. Сопротивление усталостному разрушению

металлов (основные понятия)......................... 13

1.2. Общие положения механики разрушения................. 27

1.3. Закономерности развития усталостных трещин.......... 50

1.4. Особенности развития коротких трещин

при циклическом нагружении.......................... 61

1.5. Влияние структурных факторов, на циклическую трещиностойкость металлов.........................„. 87

1.6. Выводы по литературному обзору

и задачи исследования............................... 95

2. РАЗВИТИЕ ПОДХОДОВ МЕХАНИКИ КОРОТКИХ ТРЕЩИН НА БАЗЕ РЕШЕНИЯ УПРУГОЙ ЗАДАЧИ О РАСПРЕДЕЛЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЙ

В ВЕРШИНЕ ТРЕЩИНЫ........................................ 99

2.1. Распределение упругих напряжений

в концевой зоне трещины............................. 100

2.2. Оценка протяженности пластической зоны

в вершине трещины................................... 110

2.3. Приведенный коэффициент

интенсивности напряжений К^ ........................ 124

2.4. Выводы к главе...................................... 134

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЙ ПРОТЯЖЕННОСТИ ТРЕЩИН

НА ПРЕДЕЛ ВЫНОСЛИВОСТИ И ПОРОГОВЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ................................. 136

3.1. Теоретический анализ влияния коротких трещин

на предел выносливости металлических материалов..... 136

3.2. Влияние длины трещины на пороговый

коэффициент интенсивности напряжений................ 153

3.3. Обобщенное уравнение для оценки влияния

трещин на предел выносливости материалов........... 163

3.4. Исследование влияния трещиноподобных дефектов

на сопротивление усталости стали 06Х12НЗД.......... 173

3.5. Выводы к главе..................................... 191

4. ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ РАЗВИТИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН

МАЛОЙ ДЛИНЫ............................................. 194

4.1. Влияние уровня напряжений на скорость развития усталостных трещин................................. 195

4.2. Исследование влияния уровня напряжений на скорость развития усталостной трещины

в стали 06Х12НЗДЛ.................................. 205

4.3. Влияние свойств поверхностного слоя металлов

на развитие малых усталостных трещин............... 213

4.4» Развитие усталостных трещин у вершины надреза...... 225

4.5. Выводы к главе.....................................................240

5. АНАЛИЗ ЯВЛЕНИЙ УСТАЛОСТИ НА ОСНОВЕ ПОДХОДОВ

МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ.......... .......................... 242

5.1. Обобщенная кривая усталости материалов............. 245

5.2. Ускоренная расчетно-экспериментальная оценка

предела выносливости гладких образцов.............. 252

5.3. Определение характеристик сопротивления усталости материала при небольшом числе испытываемых объектов.....................................................265

5.4. Выводы к главе..................................... 283

6. ВЛИЯНИЕ АСИММЕТРИИ ЦИКЛА НАГРУШШИЯ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ

УСТАЛОСТНОМУ РАЗРУШЕНИЮ МАТЕРИАЛОВ...................... 236

6.1. Теоретический анализ влияния протяженности трещин на чувствительность предела выносливости

материалов к асимметрии цикла нагружения........... 28?

6.2. Связь между коэффициентом Ч^ и пределом выносливости при симметричном цикле нагружения..... 305

6.3. Оценка влияния средних напряжений на сопротивление

усталости с учетом масштабного эффекта............. 313

6.4. Выводы к главе..................................... 327

7. РАСЧЕТЫ НА ПРОЧНОСТЬ ПРИ МНОГОЦИКЛОВОМ НАГРУ1ЕНИИ

С УЧЕТОМ ДЕФЕКТОВ ТИПА ТРЕЩИН........................... 332

7.1. Определение долговечности на стадии развития усталостной трещины................................ 332

7.2. Долговечность образцов из стали 06Х12НЗД

с исходными трещиноподобньши надрезами..........................344

7.3. Расчеты по коэффициентам запаса прочности..........352

7.4. Выводы к главе......••...•.•.«•••••.•....••».«•.•••• 303

8. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.............................................................365

9. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................371

10. ПРИЛОМЕНЙЕ..................................................396

ВВЕДЕНИЕ

Большинство разрушений элементов конструкций и деталей машин вызвано усталостью материалов, представляющей собой процесс накопления повреждений (зарождение усталостной трещины) и развития усталостной трещины до критического размера.

Явления усталости в традиционных подходах, развиваемых уже более ста лет, описываются обычно на основании различных усредненных характеристик материала, определяющих состояние макрообъемов тела. Основные характеристики сопротивления усталости, необходимые для выбора материала и определения размеров деталей, в рамках этих подходов обычно устанавливаются по результатам испытаний гладких полированных образцов небольших размеров.

Неоднородность свойств отдельных структурных элементов поликристаллических материалов, большое количество разнообразных дефектов, присущих как самому материалу, так и появляющихся в процессе изготовления деталей машин и элементов конструкций, обуславливают локальный характер усталостного разрушения, зарождение усталостной трещины на раннем этапе циклического нагружения и доминирование процесса развития усталостной трещины в формировании характеристик сопротивления усталости материалов.

Наличие исходных дефектов материала, а также появление дефектов и повреждений при изготовлении оборудования и его эксплуатации необходимо учитывать при оценке свойств материалов и расчетах на прочность для обеспечения высокой надежности и долговечности оборудования. Эта проблема особенно актуальна для современных машин и конструкций, которые характеризуются повышенными мощностями и уровнем нагруженности и при изготовлении которых широко используются высокопрочные материалы, обладающие, как правило, повышенной чувствительностью к дефектам, а аварии и разрушения некоторых из них могут привести к большим людским и материальным потерям или к не-

восполнимым экологическим последствиям.

К настоящему времени достаточно полно разработаны критерии усталостного разрушения и методы расчетов на прочность, а также методы оценки характеристик циклической трещиностойкости материалов, базирующиеся на подходах линейной механики разрушения (ЛМР). В ЛМР принимается асимптотический характер распределения напряжений у вершины трещины, который описывается единственным параметром - коэффициентом интенсивности напряжений К-^ (для трещин нормального отрыва). Однако подходы ЛМР в силу ограничений, возникающих из-за асимптотического представления распределения напряжений у вершины трещины, применимы для случаев, когда протяженность зоны нелинейности (пластической зоны) в вершине трещины оказывается существенно меньше самой трещины. Для пластичных сталей это условие соблюдается для трещин протяженностью выше 0,2 - 2 мм, которые, как правило, не допускаются в ответственных элементах конструкций и машин. В связи с этим подходы ЛМР используются главным образом для определения характеристик циклической трещиностойкости материалов и поверочных расчетов на прочность при наличии макротрещин.

Исходные дефекты материала в большинстве случаев имеют небольшие размеры и большая часть долговечности тела с такими . дефектами приходится на небольшое подрастание усталостной трещины. В связи с этим характеристики сопротивления усталостному разрушению многих материалов будут определяться кинетикой развития коротких трещин.

Различным проблемам механики разрушения тел с короткими трещинами посвящены работы отечественных и зарубежных ученых (А.Н. Васю-тин, H.A. Махутов, Е.М. Морозов, A.B. Прокопенко, О.Н. Романив, М.Н. Степнов, В.Т. Трощенко, X. Китагава, Дж. Лэнкфорд, К. Миллер, К. Танака, Т. Топпер, М. Эль-Хаддад и др.). Результаты экспериментальных исследований показали, что короткие трещины по сравнению с длинными могут развиваться при значениях К^, меньших чем и

имеют аномальный характер развития при напряжениях выше порогового уровня.

Для описания развития коротких трещин разработаны различные модели, наибольшую известность из которых получила модель Эль-Хаддада и Топпера. Ими предложено увеличивать длину трещины в на величину £ определяемую на основании предела выносливости гладких образцов, и описывать развитие трещины ( 6 + ¿0 ) в соответствии с известными подходами ЛМР. Особенности развития малых трещин в этих моделях связываются с размерами трещин и описываются соотношениями, ряд параметров которых определяется экспериментально на образцах гладких или с короткими трещинами. Это ограничивает и затрудняет применение на практике таких моделей. Некоторые из них к тому же не имеют достаточно четкого физического обоснования,

При оценках характеристик сопротивления усталости с учетом трещин последние рассматриваются в качестве причины, снижающей усталостные свойства материала, а усталостные свойства гладких образцов считаются базовыми характеристиками материала, относительно которых и проводится учет влияния трещин. Такое положение вызвано особенностями моделей, описывающих развитие коротких трещин, и рядом других причин. Так, в одних моделях материал гладких образцов принимается бездефектным - 0) и их характеристики например, предел выносливости) считаются константами материала и входят в соответствующие аналитические соотношения. Ряд моделей приводит к оценкам протяженности исходных трещин в гладких образцах, значительно превышающим размеры характерного элемента микроструктуры, что не отвечает принятым представлениям об усталостном разрушении поликристаллических материалов. Еще одной причиной является сложность идентификации протяженности исходных трещин в гладких образцах.

Представление характеристик сопротивления усталости гладких образцов с позиций механики разрушения позволит рассматривать протя-

женность исходной трещины в качестве одной из основных характеристик материала, определяющих его усталостные свойства, и перейти от качественного или эмпирического к аналитическому описанию влияния дефектов и повреждений типа трещин на сопротивление усталости.

Основная цель работы состояла в разработке научных основ, аналитических и расчетно-экспериментальных методов определения характеристик сопротивления многоцикловой усталости металлов с учетом дефектов и повреждений типа трещин различной протяженности с позиций механики разрушения. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

- усовершенствовать подходы ЛМР путем учета несингулярных членов для адекватного описания развития больших и малых трещин;

- провести теоретический анализ влияния протяженности трещин

на предел выносливости и пороговый коэффициент интенсивности напряжений;

- исследовать развитие усталостных трещин при повышенных уровнях номинальных напряжений;

- разработать подходы определения характеристик сопротивления усталости гладких образцов с позиций механики разрушения;

- провести теоретический анализ влияния асимметрии цикла наг-ружения на сопротивление усталостному разрушению;

- определить масштабную зависимость предела выносливости при асимметричных циклах нагружения;

- разработать комплекс расчетно-экспериментальных методов определения характеристик сопротивления усталостному разрушению с учетом индивидуальных свойств исследуемых объектов (образцов);

- разработать рекомендации по расчету живучести и коэффициентов запаса прочности деталей машин и элементов конструкций с учетом дефектов и повреждений типа трещин, имеющих небольшие размеры.

- g -

Разработка подходов механики разрушения, применимых при упругом деформировании тела для трещин различной протяженности, проведена с учетом несингулярных членов, входящих в точное решение краевой задачи линейной теории упругости о распределении напряжений в зоне трещины. В качестве параметра, контролирующего кинетику усталостной трещины принят размер пластической зоны в вершине трещины, что позволяет учесть влияние всех компонент тензора напряжений на развитие трещины. На основании учета вклада несингулярных членов в расчетные оценки протяженности пластической зоны в вершине трещины получены соотношения, адекватно описывающие развитие больших и малых трещин и принимающие при низких уровнях нагрузки вид известных в JIMP уравнений.

На примере бесконечной пластины с центральной трещиной, подвергнутой растяжению на бесконечности, проведен анализ распределения напряжений с учетом несингулярных членов. Расчетные оценки протяженности пластической зоны в вершине трещины с учетом несингулярных членов свидетельствуют о том, что размеры этой зоны зависят не только от коэффициента интенсивности напряжений К^, как это принимается в JIMP, но и от относительного уровня напряжений (У/с^у..

На основании принятого положения о связи кинетики усталостной трещины с протяженностью пластической зоны в ее вершине и уточненных оценок размеров этой зоны в качестве параметра, контролирующего рост

трещины произвольной длины, вводится приведенный коэффициент интенсив* *

ности напряжений К-^. Параметр К^ однозначно определяет протяженность пластической зоны в вершине трещины произвольной длины и по своему физическому содержанию является деформационным критерием развития трещин. Характеристики циклической трещиностойкости, определяемые на ос*

новании параметра К-^, инвариантны по отношению к размерам трещин и при заданных условиях испытаний являются постоянными материала.

Получены фундаментальные аналитические соотношения, устанавливающие связь предела выносливости с протяженностью трещины и с другими

характеристиками материала. Предложено обобщенное уравнение, описывающее единой кривой зависимость предела выносливости различных металлических материалов от протяженности трещин. Оно инвариантно по отношению к размерам образцов и позволяет установить протяженность исходных трещин в гладких образцах. На основании полученных уравнений установлены границы размеров трещин, не влияющих на предел выносливости, и проведен анализ причин изменения соотношения между пределами выносливости и текучести для сталей разного уровня прочности.

Проведенным анализ влияния уровня напряжений на развитие усталостных трещин показал, что скорость роста трещин зависит не только от коэффициента интенсивности напряжений Кр как следует из подходов ЛШ3» но и от уровня относительного напряжения Получены соотношения, описывающие развитие усталостных трещин на среднем участке кинетической диаграммы усталостного разрушения с учетом влияния уровня напряжений. Показано, что особенности развития физически коротких трещин не связаны с их размерами, а определяются повышенным уровнем напряжений, необходимым для развития таких трещин.

Разработаны модели развития усталостных трещин в поверхностном слое тела к вблизи концентраторов,•учитывающие пониженный уровень предела текучести материала в поверхностном слое тела и повышенный уровень местных напряжений в зоне концентратора.

С позиций механики разрушения проведен анализ влияния асимметрии цикла нагружения на сопротивление усталости и установлены характеристики материала, определяющие чувствительность предела выносливости к средним напряжениям. Подучены аналитические соотношения, которые устанавливают связь коэффициента , описывающего относительное изменение предела выносливости при переходе от симметричного цикла, нагружения к отнулевому, с размерами трещин и другими характеристиками материала.

Установлены причины разного уровня коэффициента и различный

характер влияния прочностных свойств сталей на коэффициент У^ для образцов гладких и с макротрещиннами. Для практического применения получены аналитические соотношения, связывающие коэффициент У^ с относительным уровнем предела выносливости (51//<3"г • Параметр

позволяет учесть влияние различных факторов (свойств материала, технологии изготовления образцов или деталей, условий их испытаний и эксплуатации и т.п.) на величину У^ . На основании данных о влиянии размеров образцов на предел выносливости (масштабный эффект) при симметричном цикле нагружения и разработанных методов оценки влияния средних напряжений на сопротивление усталости исследован масштабный эффект при асимметричных циклах нагружения.

Разработаны принципиально новые подходы для определения характеристик сопротивления усталости тел (образцов) при различной пов-режденности материала. Эти подходы базируются на экспериментально подтвержд�