Содержание
Введение.................................................................4
Глава 1. Современные методы оценки характеристик сопротивления усталости материалов...........................................................7
1.1 Контроль качества полуфабрикатов но критерию сопротивления
усталости.......................................................7
1.2 Экспериментальное определение усталостных характеристик материала....................................................................9
1.3 Сравнительный анализ существующих подходов в учете асимметрии
цикла нагружения...............................................15
1.4 Статистические теории усталостной Iгрочности....................24
1.4.1. Теория подобия усталостного разрушения................. 24
1.4.2. Учет микроструктуры материала в статистических теориях усталостного разрушения..........................................28
1.4.3. Статистическая теория усталостного разрушения микроскопически неоднородной анизотропной среды........................34
1.4.4. Статистическая теория рассеивания случайной координаты повреждения тела...............................................39
1.4.5. Статистическая теория усталостной прочности поликристал-лического материала........................................... 46
]Г5 Фу нкция распределения микронапряжений..........................49
1.6 Сравнительный анализ уравнений диаграммы деформирования материала.................................................................53
Выводы..................................................................55
Глава 2. Расчет и построение кривой усталости элемента конструкции при
симметричном цикле нагружения..................................57
2.1 Теоретическое обоснование уравнения диаграммы деформирования
материала......................................................57
2.2 Расчет функции распределения микронапряжений...................64
2.3 Построение кривой усталости единичного зерна...................68
2.4 Расчет кривой усталости детали по данным статических испытаний и
ограниченному усталостному эксперименту.......................76
Выводы................................................................84
Глава 3. Оценка характеристик сопротивления усталости детали с учетом асимметрии цикла нагружения...........................................86
3.1. Асимметричное нагружение единичного зерна......................86
3.2. Асимметричное нагружение детали в целом........................91
3.3. Примеры расчета диаграмм предельных амплитуд /тля различных
материалов....................................................97
3.4. Пример расчета диаграммы предельных амплитуд для болта из стали
40ХН2МА.......................................................100
Выводы...............................................................107
Общие выводы Библиография.
113
Введение
Предотвращение усталостного разрушения деталей машин становится все более актуальным. Ото вызвано, во-первых, требованием снижения материалоемкости машин, выполнение которого связано с повышением уровня напряженности их деталей и в первую очередь вибрационной напряженности, во-вторых, - требованием увеличения ресурса машин, что приводит к большому количеству циклов переменных напряжений за срок их службы и к возрастанию влияния малых переменных нагрузок, которых трудно избежать в процессе эксплуатации, в-третьих, - расширением набора используемых в технике материалов, характеристики сопротивления усталостному разрушению которых, с учетом влияния технологии, изучены недостаточно. Поэтому знание достоверных характеристик сопротивления усталостному разрушению материалов имеет большое значение.
Усталость авиаконструкций имеет общие черты с усталостью деталей других машин, особенно транспортных средств, такие как:
- зависимость усталостной долговечности от многих факторов техно-
логического и эксплуатационного характера;
- рассеяние усталостной долговечности;
- зависимость усталостной долговечности от знака постоянной компо-
ненты - среднего напряжения.
Помимо перечисленных выше факторов, усталость авиаконсгрукций имеет ряд особенностей. Прежде веет, это высокая нагружешюсть элементов силовой конструкции самолета, связанная с требованием высокой весовой эффективности, минимизации массы и максимальным использованием резервов прочности самолегосгроительных материалов.
До настоящего времени основным источником информации об усталостных характеристиках материалов являлся усталостный эксперимент. В связи
с разбросом усталостных характеристик, fia который уже указывалось выше, объем и трудоемкость усталостного эксперимента могут быть весьма велики Проведение обширного усталостного эксперимента может привести к существенному повышению себестоимости разработки новых авиаконструкций, особенно с применением новых конструкционных материалов. Возможность решить проблему прогнозирования ресурса деталей машин без проведения эксперимента, или при ограниченном объеме испытаний давно привлекает к себе ученых и инженеров в различных отраслях машиностроения. Однако, существующая теоретическая база позволяет решить эту проблему с некоторыми ограничениями, например для определенного, достаточно узкого диапазона конструкционных материалов, либо .для ограниченного набора режимов нагружения и т д. Решения как правило базируются на феноменологическом подходе и не учитывают особстсосгей микроструктуры материала.
В предлагаемой работе предпринята попытка разработки новою метода оценки усталосгиых характеристик конструкционных материалов, основанной на свойствах микроструктуры металла.
Актуальность этого исследования состоит в том, что анализ усталостных характеристик проводится в нем с учетом асимметрии цикла нагружеш1Я. В авиационной промышленности и других отраслях машиностроения большинство элементов конструкций находятся в условиях асимметричного нагружения. Особенно это относится к разнообразным крепежным деталям, в частности болтам, соединяющим боковины барабанов авиаколсс и диски автомобильных колес со ступицей, которые получают большое усилие затяжки и испытывают переменное растяжение - сжатие при взлете и посадке самолета, а также при движении самолета (автомобиля) по земле. Таким образом, болты работают r условиях асимметричного цикла перемены напряжений с большим средним напряжением цикла. Трудность проведения эксперимента с большой асимметрией цикла напряжений на натурных деталях и лабораторных образцах, его большой объем и стоимость, высокие характеристики ста-
тической прочности материала болтов приводят к необходимости теоретического исследования данной проблемы, которая, тем не менее, слишком широка, чтобы быть полностью решенной в пределах данной работы.
Целью работы является исследование механизма усталостного разрушения материала на уровне микроструктуры с целью разработки методики, позволяющей оценивать характеристики сопротивления усталости материала в условиях асимметричного цикла нагружения на основе статистических теорий прочности при сокращении материальных и временных затрат на планирование и проведение усталостного эксперимента.
Задачи исследования; г Разработка модели асимметричного цикла нагружения на базе* одной из статистических теорий усталостной прочности. г Сравнительный анализ существующих моделей усталости металлов с учетом асимметрии цикла нагружения,
з. Разработка модели диаграммы деформирования материала.
4 Анализ распределения микронапряжений по зернам металла.
5 Разработка методики оценки характеристик сопротивления усталости материалов при симметричном цикле нагружения по результатам усталостных испытаний на одном уровне напряжений.
Основная часть исследований была выполнена на кафедре ’’Механика материалов и конструкций" РГТУ - МАТИ им. К.Э.Циолковского под руководством профессора, к. т. н. В.А.Пашкова В работе были использованы экспериментальные данные, полученные в ходе научной работы кафедры в разные годы, главным образом под руководством Заслуженного деятеля науки, профессора, д г. н МН. Стен нова и заведующего кафедрой, профессора, д. т. н. Л.В.Агамирова. Часть исследований проводилась на Авиационной корпорации "Рубин” под руководством доцента, к. т. н. А.Н.Лисина и к. т. н. В.В.Мозалева.
Глава 1. Современные методы оценки характеристик сопротивления усталости материалов.
1.1. Контроль качества полуфабрикатов по критерию сопротивления усталости.
Различные статистические методы контроля качества продукции, широко используемые в ведущих отрослях производства, позволяют получить значительные результаты по следующим показателям:
1. Обеспечение контроля качества закупаемого сырья;
2. Экономия сырья и рабочей силы;
3. Повышение качества производимой продукции;
4. Снижение количества брака;
5. Снижение затрат на проведение контроля;
6. Улу чшение взаимосвязи между производством и эксплуатацией;
7. Облегчение перехода производства с одного вида продукции на другой.
Одним из основных принципов контроля качества при помощи статистических методов является стремление повысить качество продукции, осуществляя контроль на различных этапах производственного процесса (а не на завершающем этапе), поскольку изменить качество конечного продукта производства зачастую невозможно. В связи с этим решающим можно считать контроль качества полуфабрикатов по характеристикам, которые в первую очередь определяют эксплуатационные свойства изделий, таким, как предел выносливости, критический коэффициент интенсивности напряжений (КИМ) И др.
Вопросам контроля качества материалов, полуфабрикатов и изделий посвящено большое количество научно-методической и нормативнотехнической литературы [24, 35, 40, 42, 43, 59]. В известной литературе и нормативно-технической документации (НТД) главное внимание сосредото-
чено, в основном на задании определенной границы, ниже или выше которой контролируемый параметр быть не может
Следует добавить, что, как правило, в соответствии с отраслевой НТД контролируются параметры, лишь косвенно оценивающие эксплуатационные свойства изделий. В частности, установлено, что ресурс барабанов авиационных или дисков автомобильных колес в большей мере определяется сопротивлением усталости, нежели статическими свойствами полуфабриката. Но, тем не менее, контроль механических свойств штамповок выполняется но пределу прочности и относительному остаточному удлинению, что лишь косвенно характеризует эксплуатационные свойства изделия. Следует добавить, что в этом случае велико влияние субъективного фактора 11апримср, в работе [34] приведены экспериментальные функции распределения относительного остаточного удлинения и предела прочности, полученные в процессе существующего (штатного) входного контроля и имеющие ярко выраженный минимальный порог, который совпадает с контрольной, субъективно установленной величиной по НТД. Физически наличие порога трудно объяснить.
Поскольку сопротивление усталости имеет ярко выраженную статистическую природу, то методы контроля по этому признаку, основанные на наличии какого-либо предела или порога, мало эффективны. Однако, экспериментальная оценка сопротивления усталости, связана с существенными экономическими издержками, что требует учета баланса затрат и прибыли от внедрения методов контроля качества изделий с позиций сопротивления усталости. В связи с этим, во-первых, целесообразно перейти непосредственно к контролю того признака (сопротивления усталости), который непосредственно характеризует эксплуатационное свойство изделия, и, во-вторых, - к применению более гибкого критерия плана контроля.
Учитывая вышесказанное, в работах [28, 32] предложена технико-экономическая модель оценки эффективности входного контроля качества полуфабрикатов по критериям сопротивления усталости материала. В связи с
этим возникает необходимость разработки методики оценки характеристик сопротивления усталости материала, способной снизить затраты на подготовку и проведение лабораторною и натурною усталостного эксперимента.
1.2. Экспериментальное определение усгалосгных характеристик материала.
Для оценки характеристик сопротивления усталости материала проводят усталостные испытания гладких (без концентрации напряжений) полированных лабораторных образцов малых размеров. Чаще всего испытания проводят при изгибе с вращением образцов диаметром с!0 = 7,5 мм [23, 49, 54].
В зависимости от требований к точности и полноте получаемых характеристик, применяют либо обычную методику построения кривой усталости по результатам испытания 10 образцов, либо испытывают досгаточно большое число образцов (более 50- 100 штук), и но результатам испытаний строят полные вероятностные диаграммы усталости [53]. Эш диафаммы представляют собой либо семейство кривых распределения усталостной долговечности в координатах: вероятность разрушения Я, % - число циклов до разрушения N с параметром аа (амплитуда переменных напряжений), либо семейство кривых усталости в координатах оа- N с вероятностью Р, %, либо семейство кривых распределения офаниченных пределов выносливости <х/Лг в координатах <7-1 к- Л %, соответствующих различным циклам до разрушения /V.
Кривые усталости строят в двойных логарифмических координатах 1д<та - /#Л/, или в полулогарифмических координатах ста - /#/V. В обоих случаях кривые усталости аппроксимируются двумя прямыми линиями: наклонной в диапазоне чисел циклов 104 - (1 * 3) 10б и горизонтальной или слабонаклоненной при N > (1 т 3) К/' циклов. Для характеристики этого участка кривой используется величина напряжения, называемая пределом вынос-
- 10-
ливости, который определяется как максимальное напряжение цикла, при действии которого не происходит усталостного разрушения. Однако для широкого ряда конструкционных сплавов оказалось, что физического предела выносливости (величины, ниже которой усталостное разрушение не имеет места) не существует и можно оценить лишь величину, непревышение которой обеспечивает достаточно большую усталостную долговечность, например 107 или 109 циклов. Это число циклов называется базой определения предела выносливости. Кроме того, величина предела выносливости зависит от асимметрии нагружения. Обычно предел выносливости о# выражается величиной амплитуды напряжения цикла, но для отнулевого цикла напряжений и близких к нему предел выносливости характеризуют максимальным напряжением цикла. В любом случае, для определения предела выносливости необходимы три величины: максимальное напряжение цикла отах, одна из характеристик асимметрии {Лс, а, и или сгт) и база определения предела выносливости. Если
7 8
нет информации о базе, то она равна 10 циклов для сталей и 10 циклов для алюминиевых сплавов.
При оценке прочности и долговечности элементов коне фу кций важное значение имеет обоснование уравнения кривой усталости и оценка ее параметров. В работе М.Н.Стеинова [53] приводится ряд уравнений, используемых для аппроксимации кривых усталости. Так для сплавов на железной основе при симметричном цикле нагружения в широком диапазоне долговечности хорошее соответствие экспериментальным данным имеет уравнение Вейбулла
сга-<г_1=с](М + В)-а ИЛИ 1 &аа-(7 ,) = с-а\%{ М + В) (1.2.1)
где ст./, а, Б и с = ^С/ - параметры.
Значение параметра В для многих материалов лежит в пределах от 0 до 5x104 циклов, поэтому его можно не учитывать при обработке результатов усталостных испытаний, если минимальная долговечность образцов превышает 105 циклов [53]. В этом случае уравнение Вейбулла принимает вид
- Київ+380960830922