Накоплением усталостных

Разрушение металла при эксплуатации оборудования интерпретируется как кинетический процесс со стадийным накоплением повреждений. В общем случае в число переменных кинетического уравнения процесса разрушения входят компоненты тензора напряжений Тст деформаций ТЕ, ее скорость Tg , время t, температура Т и др.

Испытания на надежность и испытания по всем критериям, связанным с накоплением повреждений, требуют длительного времени. Считается, что решение первоочередной задачи техники — обеспечение необходимой .надежности оборудования затрудняется невозможностью достаточно быстрой оценки надежности. Поэтому проблема ускоренных испытаний является весьма актуальной.

Разрушение металла при эксплуатации оборудования интерпретируется как кинетический процесс со стадийным накоплением повреждений. В общем случае в число переменных кинетического уравнения процесса разрушения входят компоненты тензора напряжений Т„ деформаций Те, ее скорость 1\, время t, температура Т и др.

6. Что касается сущности старения, то были выдвинуты сотни гипотез и теорий старения, связывающих его с внешними и внутренними факторами, нарушениями в различных органах, клетках, внутриклеточных структурах, с теми или иными продуктами обмена веществ. Из числа наиболее проверенных можно отметить теории о связи старения с накоплением повреждений генетического аппарата клетки, о роли свободно радикальных процессов, протекающих преимущественно с участием кислорода, в повреждении и возрастных изменениях клеток, о системных и нейроэндокринных механизмах старения.

элемента системы, обычно сопровождается накоплением повреждений, то оценка вибрационной надежности основана на рассмотрении процесса накоплений повреждений (изменения структуры металлических материалов, возникновения различных дефектов и трещин). Как правило, вибрационное на-гружение сопровождается процессом накопления усталостных повреждений. Поэтому та периодичность и стадийность процесса усталости, которая была рассмотрена в предыдущих разделах учебного пособия, может быть целиком применима к вибрационному нагружению.

Структура полимерного материала способствует чрезвычайно неравномерному распределению внутренних усилий между отдельными молекулами. Основную нагрузку несут не более 20% цепных молекул. В основе разрушения наиболее нагруженных молекул лежит термо-флуктуационный механизм, согласно которому некоторые разрушенные связи восстанавливаются, но с ростом нагрузки число актов разрушения превышает число восстановлений (рекомбинаций). В соответствии с термофлуктуационной (кинетической) концепцией долговечность нагруженного тела как фундаментальная характеристика механической прочности отражает усредненную скорость протекания разрушения, связанного с накоплением повреждений в твердом теле. Систематические экспериментальные исследования долговечности твердых тел различной природы, в том числе и полимерных, привели к установлению основной закономерности, связывающей напряжение, абсолютную температуру и долговечность, известной как уравнение долговечности Журкова [38]:

На схеме показаны основные этапы формирования закона распределения / (t). Вначале имеет место рассеивание параметров изделия / (а) относительно своего математического ожидания а0. Это связано с рассеиванием начальных показателей новой машины, с возможностью ее работы при различных режимах и с протеканием таких процессов, как вибрация, деформация и др., которые проявляются сразу же при работе машины. Затем на ухудшение параметров изделия в процессе эксплуатации сказываются медленно протекающие процессы, например, износ. В общем случае процесс изменения параметра может начаться через некоторый промежуток времени Тв, который так же является случайной величиной и связан с накоплением повреждений (например, усталостных) или с действием внешних причин.

витие микротрещин, поверхностное окисление), в работе [181] использовали установку, изготовленную на базе микроскопа МИМ-7. Методика позволяет вести непрерывные наблюдения за накоплением повреждений на шлифе.

Процесс циклического нагружения элемента конструкции в условиях эксплуатации сопровождается постепенным накоплением повреждений в материале до некоторого критического уровня, который может быть охарактеризован с привлечением различных методов и средств исследования. Выбор средств определяется применяемыми критериями в оценке самого предельного состояния и его фактической реализацией к рассматриваемому моменту времени, как это было рассмотрено в предыдущей главе. Даже при отсутствии в детали трещины можно с большой достоверностью утверждать, что после длительной наработки в эксплуатации последующее после проверки нагружение может вызвать быстрое зарождение и далее распространение усталостной трещины. Оценка состояния материала с накопленными в нем повреждениями и прогнозирование последующей длительности эксплуатации до появления трещины, установление периодичности контроля за состоянием детали подразумевают использование структурного анализа на базе физики металлов. Это подразумевает обязательное применение методов механики разрушения для оценки длительности роста трещины и обоснования периодичности осмотров на всех стадиях зарождения и распространения трещин. Однако многопараметрический характер внешнего воздействия на любой элемент конструкции делает неизбежным введение в рассмотрение процесса накопления повреждений в конструкционных материалах с позиций синергетики, следовательно, возникает новое представление о процессе распространения трещин. Всю совокупность затрат энергии внешнего воздействия, вызвавших разрушение элемента конструкции, интегрально характеризуют: достигнутое на определенной длине трещины предельное состояние, единичная реализация процесса прироста трещины и сформированная в результате этого поверхность разрушения.

нагружения. При МЦУ трещины возникают под действием сдвиговых напряжений аналогично тому, как это происходит в области МНЦУ, но зона зарождения разрушения не локализована, и наблюдается множественное растрескивание материала в направлении, перпендикулярном (или близком к перпендикулярному) к пакету а-плас-тин [73]. Поэтому в очаге наблюдается несколько фасеток раскалывания материала по пакету ос^-пластин. Растрескивание по поверхности может произойти уже при наработках в 20 % от общей долговечности, и его плотность с увеличением наработки возрастает [88]. Это обусловлено нелокализованным накоплением повреждений в материале при его перенапряжении, но после наработки в 60 % от долговечности увеличение плотности растрескиваний прекращается и идет интенсивное нарастание магистральной трещины во внутренних объемах материала. Сокращению периода до зарождения трещин способствует увеличение размеров зерен, что повышает неоднородность пластической деформации в локальных объемах металла и ускоряет образование магистральной трещины. При МЦУ усталостные бороздки величиной от 1 до 2-Ю"7 м/цикл формируются уже в очаге разрушения. С увеличением уровня напряжений шаг начальных бороздок может существенно возрастать.

Рассматриваемые два вида разрушения относят к нерасчетным случаям нагружения и работы лопаток, поэтому они не могут быть использованы для анализа реализуемой в эксплуатации ситуации с накоплением повреждений при достижении лопатками предельного состояния в расчетных условиях.

В процессе стендовых испытаний осуществлялось слежение за накоплением усталостных повреждений в гидроцилиндре с помощью сигналов АЭ по методике [2]. Регистрировалась суммарная АЭ (Л'дэ) и ее активность — количество превышений сигналами АЭ установленного порога ограничения за выбранный временной интервал 5 мин.

По результатам фиксации изменения сопротивления Д^?1 и Л/?г тензодатчиков, вызванного накоплением усталостных повреждений 3 их проволочках, пользуясь тарировочными диаграммами (рис. 56), рассчитывают коэффициенты Ki и Къ Испытания на усталость проводят до резкого увеличения сопротивления • тензодатчиков (до чисел циклов A/I и Л/2 при напряжениях а\ и сг2 соответственно).

Локальные усталостные характеристики изучают с помощью микромеханических усталостных испытаний, и в результате наблюдения за накоплением усталостных повреждений в локальных зонах в процессе испытания макрообразцов. Используют оптический, электронг ный микроскоп, рентген, электрические, оптические характеристики и др.

При этом показано, что применяемая в ряде случаев оценка 'повреждений в относительных долговечностях, когда разрушающее число циклов определяется по кривой стационарного мягкого либо жесткого нагружения без учета одностороннего накопления .деформаций, может дать достоверные результаты лишь для случаев с превалирующим накоплением усталостных повреждений. На рис. 1.1.12 приведены данные о накоплении повреждений к моменту образования трещины для режимов с хорошим «переме-

На рис. 2 представлены результаты исследования электропроводности по схеме, описанной в работе [10]. Электропроводность измерялась в пучности напряжений после определенного числа циклов озвучивания. Анализ результатов исследования изменения электропроводности у, величины 0гаах циклического нагружения и числа Nv циклов озвучивания показывает, что резкое снижение электропроводности стали ст. 3 начинается непосредственно перед разрушением (после Л^ц= 6-105; 1,5 • 106 и 5 • 106 циклов и соответственно (Ттах=41, 28 и 21 кгс/мм2). Явление это, следуя данным работы [4], можно объяснить накоплением усталостных повреждений.

Расчетная оценка малоцикловой долговечности. На базе полученной информации о циклических деформаций в опасной точке детали и кривых малоцикловой усталости оценим долговечность телескопического кольца, используя деформационно- кинетический критерий прочности при постоянных температурах [см. соотношение (1.3)]. Разрушения детали (см. рис. 3.2) в условиях эксплуатации, а также модели при стендовых испытаниях в условиях высокотемпературного малоциклового нагружения имеют преимущественно усталостный характер (наличие сетки мелких трещин, инициирующих магистральное разрушение, без признаков накопления односторонних деформаций) , поэтому расчетное критериальное уравнение, описывающее предельное состояние материала, обусловленное накоплением усталостных повреждений, принимаем в виде

Предельно изношенные коленчатые валы по сравнению с новыми деталями имеют следующие значения относительного остаточного предела выносливости: Д-240; СМД-14; ЯМЗ-236 (238) и СМД-60 соответственно 0,79; 0,75; 0,70 и 0,83. Значения этой величины для деталей, шлифованных последовательно под ремонтные размеры, находятся в пределах 0,77...0,94. Новые коленчатые валы двигателя Д-50, шлифованные сразу под четвертый ремонтный размер, теряют 9,7 % предела выносливости. Следовательно, в большей степени усталостная прочность коленчатого вала снижается при эксплуатации в связи с накоплением усталостных повреждений в опасных сечениях.

Расчетная оценка малоцикловой долговечности. На базе полученной информации о циклических деформаций в опасной точке детали и кривых малоцикловой усталости оценим долговечность телескопического кольца, используя деформационно- кинетический критерий прочности при постоянных температурах [см. соотношение (1.3)]. Разрушения детали (см. рис. 3.2) в условиях эксплуатации, а также модели при стендовых испытаниях в условиях высокотемпературного малоциклового нагружения имеют преимущественно усталостный характер (наличие сетки мелких трещин, инициирующих магистральное разрушение, без признаков накопления односторонних деформаций) , поэтому расчетное критериальное уравнение, описывающее предельное состояние материала, обусловленное накоплением усталостных повреждений, принимаем в виде

Особенно велика роль усталостных повреждений и развития трещин для деталей и узлов, испытывающих вибрационные нагрузки. Примером служат авиационные двигатели, работающие в условиях высоких температур, под действием скоростных потоков, переменных и вибрационных нагрузок. Хотя в авиационных двигателях кроме механических процессов важную роль играют процессы преобразования энергии и управления, около 60% отказов в двигателях имеют механическое происхождение. Среди последних около 80% отказов связано с накоплением усталостных повреждений, развитием усталостных трещин и родственными явлениями. Аналогичную картину наблюдаем в конструкциях внутри-

Существенное влияние циклических свойств материала, режимов нагружения и температуры на сопротивление малоцикловому разрушению вытекает из данных, представленных ранее. Деформация нулевого полуцикла е^ и число циклов Np до разрушения для циклически разупрочняющейся стали ТС при мягком нагружении (симметричный цикл напряжений) оказываются значительно меньше, чем для циклически упрочняющейся (с повышением температур) аустенитной нержавеющей стали Х18Н10Т. В первом случае это объясняется интенсивным накоплением квазистатических и усталостных повреждений, во-втором— отсутствием накопления квазистатических повреждений и уменьшающейся с увеличением числа циклов нагружения скоростью накопления усталостных повреждений, зависящей от ширины петли. Циклически стабильная при комнатной и слабо упрочняющаяся при повышенной температуре сталь 22к при мягком нагружении занимает промежуточное положение. При жестком нагружении (симметричный цикл деформаций) различия в деформациях е^ и числах циклов Np определяются только накоплением усталостных повреждений, зависящих в основном от располагаемой пластичности стали. При этом режиме нагружения различие в долговечностях получается меньше, чем при мягком, и меньшие долговечности соответствуют материалам, склонным к деформационному старению.