Зарождение и распространение усталостной трещины при квазихрупком разрушении деталей и элементов конструкций тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

г 6 0.1

/ 6 шоп !9НЗ

На правах рукописи

Гаврильева Татьяна Федоровна

УДК 620.191.33: 539.43

ЗАРОЖДЕНИЕ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ УСТАЛОСТНОЙ ТРЕЩИНЫ ПРИ КВАЗИХРУПКОМ РАЗРУШЕНИИ ДЕТАЛЕЙ И ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 01.02.06. Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Якутск - 1998

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

Научный руководитель - доктор технических наук В.П.Гуляев

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Б.Е.Мельников кандидат технических наук В.ВЛелов

Ведущая организация - АО "ЯКУТГАЗПРОМ" РС (Я)

Защита диссертации состоится "10" июня1998 г. в 15 ч., на заседании диссертационного совета К 003.43.01 при Институте физико-технических проблем Севера ЯНЦ СО РАН по адресу: 677891, г. Якутск, ул. Октябрьская 1, ИФТПС.

Отзывы на автореферат (в 2 экз., заверенные гербовой печатью), просьба направлять по вышеуказанному адресу. Факс (4112) 44-66-65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИФТПС ЯНЦ СО РАН.

Автореферат разослан " 8 " мая 1998 г.

Заместитель председателя диссертационного совета К 003,43.01, д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Несмотря на успехи в изучении закономерностей усталостного разрушения и развитии 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 распространения трещин 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 периода зарождения усталостной трещины в элементах конструкций.

В основу диссертации положены результаты исследований по теме 1.11.5.2. Раздел 4. "Разработка методики испытания крупногабаритных кострукций с трещиной при статическом, повторно-ударном и циклическом нагружениях и разработка методов прогнозирования долговечности элементов конструкций, работающих в условия« низких температур".

Целью работы является количественная оценка периодов зарождения и распространения усталостной трещины при циклическом нагружении 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 разви-

тию трещин при многоцикловой усталости;

- разработана метод ика специального усталостного испытаю для выделения этапов зарождения и распространения усталостнс трещины с учетом собственных колебаний прямоугольных обра цов;

- экспериментально-расчетным методом определены наког ление повреждений на этапах зарождения и распространения у< талостной трещины в прямоугольных образцах;

- рассчитан период зарождения усталостной трещины на учасп магистрального газопровода линии Мастах-Якутск в условиях п< перечных колебаний трубопроводов;

- рассчитан период зарождения макротрещины при эксперт! зе разрушения лопатки газотурбинной установки ГТУ-1 ГРЭ г. Якутска, происшедшей 19.11.97г.

Научная новизна. Установлена возможность расчета периоде зарождения и распространения усталостной трещины по харакп ру изменения частоты собственных колебаний конструкции и ра меру зоны предразрушения в окрестности концентратора напр? жений. Предложена методика расчета рассеянной повреждаемое? конструкций из низколегированной стали, испытывающих со£ ственные колебания.

Практическая ценность состоит в разработке метода оценк ресурса силовых элементов конструкций с концентраторами га пряжений, испытывающих собственные колебания, по период зарождения трещины длиной, равной размеру зоны предразруше ния.

Апробация работы. Основные положения работы и результа ты исследований докладывались и обсуждались на: 2-ой меж дународной конференции "Научно-технические проблемы про гнозирования надежности и долговечности металлических кон струкций и методы их решения" - г.Санкт-Петербург, 1997 г региональном семинаре "Технология и качество сварки в ус ловиях низких температур" - г.Якутск, 1997 г.; ежегодных рес публиканских научно-практических конференциях молоды ученых и аспирантов - г.Якутск, 1993-97 гг.; научно-практи ческой конференции "Наука - невостребованный потенциал' посвященной 40-летию ЯГУ - г.Якутск, 1996 г.; научном се минаре кафедры "Сопротивление материалов" СПбГТУ г.Санкт-Петербург, 1997 г.; научных семинарах лаборатори. 214 ИФТПС - г.Якутск, 1997-1998 гг.; научных семинара

кафедры "Машиноведение" ИПФ ПИ ЯГУ - г.Якутск, 1992-98 гг.

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 11 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. Пэриса, 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 "Неофог-21".

Фрактографический 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 макротрещин 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 стадии повреждаемости материала. Поэтому для измерения амплитуды колебаний крайней точки нагружающего устройства сконструирован и изготовлен регистрирующий прибор, погрешность измерения которого составляет ± 0,025 мм (рис. 2).

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

В ходе экспериментов установлено, что амплитуда 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 ^ (сек) развития усталостной трещины для разных частот нагружения

Частота колебаний образцов ^Гц Номера образцов

1 2 3 И 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 ю(г) с известными граничными условиями имеет вид кривой (рис.3). Аналогично делению на этапы зарождения и роста усталостной трещины, диапазон изменения частоты собственных колебаний состоит из двух участков. Границей между которыми яляется частота собственных колебаний аа соответствующая периоду зарождения трещины Рост усталостной макротрещины происходит за д 1р = 1р - ^ , где 1р - общее время

развития усталостной трещины нагружения Г.

, которому отвечает частота

д-1_,_I_._

ЧЧ ¥(> ¥

Рис.3. Интерполяция функции частоты собственных колебаний &>(/).

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

= 2сга,л/я^Г1 (1),

где о,- напряжение, необходимое для преодоления трещиной зоны предразрушения б.

При остановке трещины длиной / размах коэффициента интенсивности напряжений:

где а, - предел выносливости.

Тогда для скоростей:

V*-

где ДК." - размах коэффициента интенсивности напряжений при скорости 10"7 м/цикл.

При интегрировании зависимости скорости развития трещины верхняя оценка количества циклов для зарождения макротрещины размером <3 будет:

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

№.

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

I - ё / + ЙА,

2 <6>'

где 1 - экспериментально фиксируемое время развития трещины.

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

2с1

°>* = 77Г-Л, (7).

1<Г с!

Тогда из рис. 3 период зарождения макротрещины <1: ^ = V А V (8),

где д 1р время распространения макротрещины из (6):

2(1-е!)

"'-тт^ж; <9)-

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

Р1 + <ой 2

,ЛГ/=-2— ^ = 7х103 циклов

N-Д / = 5x103 циклов

2

что составляет при известных р, = 960 Гц, I = 45 Гц для трещин I 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 (1.

Для расчета повреждаемости использована форма силового

уравнения вида:

где:

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 напряженно-деформированного состояния для образцов с концентратором напряжений.

4. По результатам выполненного расчета напряженно-деформированного состояния, на основании кривой усталости для материала, определяется расчетная долговечность 1Мр.

5. По рассчитанному ЫД со) в главе 2 для рассеянных повреждений определяется разрушающее напряжение стрк из кривой усталости образца с концентратором.

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

7. По значениям функции /(омах) определяется мера накопления повреждений на этапе зарождения трещины по соотношению (11), где ср - 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 И, по характеру изменения частоты собствен-

(И), (12).

ных колебаний образца (гл. 2).

4. По значению И, из графика зависимости (N3)' определяется соответствующая величина локального напряжения у вершины трещины су¿чах , с учетом зоны предразрушения д.

5. Для найденного <7Лиах из кривой усталости для гладкого образца определяется расчетная долговечность ТЧр.

6. По Й, определяется разрушающее напряжение <трк из кривой усталости образца с концентратором.

7. Рассчитывается функция / для соотношения (11) по напряжениям (У¿мех •

8. Определяется мера накопления повреждений 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 (1.

В четвертой главе проведен расчетно-экспериментальный анализ периода возможного зарождения 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 газопровода. При расчете принято, что в результате изменения расчетной схемы из-за деформации грунтов на отдельных участках газопровода появляются пролеты различной длины. Частота собственных колебаний участка газопровода с пролетом 6 м составляет 11 Гц при рабочем давлении 5,5 МПа. Из рабочих журналов регистрации изменения давления газа следует, что вынужденные колебания имеют частоту 2,2х10"5 Гц. Тогда, период зарождения макротрещины длиной 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 ГТУ-1 ГРЭС г.Якутска. Частота изгибных колебаний лопатки с учетом центробежных сил составляет 12 Гц. Из соотношения между частотами крутильных и изгибных колебаний для плосковыпуклого профиля лопатки собственная частота крутильных колебаний равна 44,4 Гц. При известной частоте вращения ротора (50 Гц) по соотношению (8) период зарождения макротрещины разме-

ром 0,1 мм составляет 13500 ч. из общего времени наработки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Количественно оценены периоды зарождения и распро ранения усталостной трещины, с учетом собственных колебан элемента конструкции и зоны предразрушения (1 в окрестно( вершины трещины. Установлено, что для серии идентичных п] моугольных образцов из стали 09Г2С с острым концентратор (р = 0,25 мм), нагруженных распределенной массой 4,35 кг и ч тоте нагружения 45 Гц, период зарождения макротрещины < ставляет 60 - 63 % от общего времени развития трещины.

2. Разработана методика специальных усталостных испы ний по определению периодов развития макротрещины. Для Э1 периментальной части которой сконструирован и изготовлен при( измерения амплитуды колебаний крайней точки нагружают« устройства.

3. Рассчитана мера накопления рассеянных повреждени] введением количества циклов, зависящего от характера изме! ния частоты собственных колебаний. Результаты расчетов по] зывают адекватный прогноз поврежденности материала.

4. Сравнительный анализ экспериментально-расчетных \ делей зарождения усталостных трещин показал, что более дос верные результаты по функции накопления повреждений в ок] стности концентратора напряжений дает модель зоны предраз! шения <1.

5. Расчетами показано, что в газопроводах, проложенны многолетнемерзлых грунтах, появление трещин вызывается сс ственными колебаниями отдельных участков вследствие изме! ния расчетной схемы нагружения. Так, на участке подземнс магистрального газопровода Таас-Тумус-Якутск трещина мо] зародиться из-за образования пролета 6 м в течение 6-7 лет начала эксплуатации.

6. Рассчитан период зарождения макротрещины для лопатки гервой ступени газотурбинной установки ГРЭС, равный 13500 [асов, что составляет 94,4 % от общей наработки.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1.Исследование сопротивления росту усталостной трещины инструкционной стали. // Тезисы научно-практической конфе->енции молодых ученых и аспирантов. - Якутск, 1994. - С. 39.

2.Исследование одной из основных характеристик сопротив-гения материала развитию трещины - порогового КИН. // Тези-:ы научно-практической конференции "Наука - невостребован-шй потенциал", посвященной 40-летию ЯГУ. - Якутск: Изд-во 1ГУ, 1996. - С. 57.

3.Методика исследования циклической треицшостойкости ста-ш при переменной амплитуде напряжений // Там же. - С. 58.

4. Исследование напряжений в опасном сечении образцов при юсте усталостной макротрещины // Тезисы научно-практической сонференции молодых ученых и специалистов "Молодежь и на-гка РС (Я)". 4.1. Технические науки. - Якутск, 1996. - С. 98.

5.Сопротивление усталости при наличии областей концент->ации напряжений // Тезисы докладов регионального семинара 'Технология и качество сварки в условиях низких температур". -1кутск, 1997. - С. 31 - 32.

6.Циклическая трещиностойкость стали при переменной на-рузке // Сб. докладов 2-ой международной конференции "Науч-ю-технические проблемы прогнозирования надежности и долш-¡ечности металлических конструкций и методы их решения". "анкт-Петербург, 1997. - С. 26 - 27.

7.06 уточнении стадий развития усталостной трещины // Те-1исы научно-практической конференции молодых ученых и специа-[истов "Шаг в будущее". - Якутск, 1997. - С. 34.

и

Подписано в печать 06.05.98. Формат 60x84 1/16. Бумага офс. Гарнитура Тайме. Печать офсетная. Усл. п.л. 1 Тираж 100 экз. Лицензия № 000041 от 30.01.97

Отпечатано в типографии ТИД "Кудук" г. Якутск, ул. Лонгинова 40/5