Накопление продуктов

Вид предельного состояния, связанного с необратимостью разрушения или нестабильностью пластической деформации, зависит от соотношения энергий, идущих на изменение объема и формы. Основной предпосылкой в теории Г.К. Си является предположение о том, что накопление повреждения в материале можно однозначно связать с величиной энергии, которая рассеивается единицей объема материала. Это позволило выделить пороговые стационарные значения функции плотности энергии деформации.

Наличие такого цикла необходимо учитывать при назначении режимов испытания материалов и деталей машин. Поскольку часто срок службы изделия определяется ресурсом, выраженным в часах (элементы паровых котлов, металлургическое оборудование, изделия авиационной техники), то возможно накопление повреждения различной величины в пределах одного и того же ресурса, если, например, режимы эксплуатации одинаковых изделий различны. Таким образом, в пределах одного и того же ресурса число циклов термонагружения деталей может быть различным. В связи с этим в некоторых отраслях машино-

Закономерности процесса накопления усталостных повреждений подвергаются исследованию прямыми и косвенными методами, т. е. путем сопоставления опытных данных при нестационарном переменном нагружении с феноменологическими гипотезами, с одной стороны, и измерением изменения твердости, акустической или магнитной проницаемости, с другой. Устанавливаются границы применимости простого линейного суммирования относительных долговечностей, оправдывающегося в основном для напряжений, превышающих предел усталости, и оценивается нижняя граница повреждающих напряжений, существенно меньшая исходного предела усталости. Для уровней напряжений, находящихся в окрестности предела усталости, накопление повреждения оказывается замедленным по сравнению с линейной гипотезой, и для ее использования предлагаются поправки, зависящие главным образом от формы спектра. Они оказываются особенно существенными для контактных напряжений. Наряду с использованием гипотез о накоплении повреждения используются свойства вторичных кривых усталости, получаемые для параметров типизированных спектров эксплуатационной нагруженное™. Эти результаты способствовали усовершенствованию расчета на усталость при нестационарном нагружении, отразив в ряде случаев существенную роль для запаса прочности части спектра напряжений ниже предела усталости.

Опыт показал, что испытания на служебную выносливость во многих случаях не могут быть проведены из-за высокой стоимости испытаний натуральных объектов. Кроме того, получить результаты в более короткое, чем при естественной эксплуатации, время можно лишь при форсировании режима нагрузки. Однако это приводит к изменению первоначальной цели служебных испытаний, так как вопрос о долговечности окончательно не будет выяснен. Поэтому испытание на служебную выносливость обычно сопровождается опытами по изучению накопления усталостного повреждения, проводимыми на образцах материала конструкций, на отдельных деталях или их моделях. Цель таких испытаний состоит ее в точной передаче режима эксплуатационной нагрузки, а в выяснении принципиальных вопросов накопления повреждения и эквивалентности режимов. В связи с этим для испытаний могут назначаться разнообразные условия чередования нагрузок и спектры. Служебные испытания и опыты на накопление повреждения являются экспериментальной проверкой гипотез, положенных в основу расчетной оценки долговечности при нестационарных режимах нагружения. По иолученным результатам можно уточнить параметры расчетных соотношений. .

Источником ошибок при расчете является неопределенность границ напряжений, при которых принятая гипотеза справедлива. Формально эти ошибки вносятся в расчет при выборе параметров I и k (формулы (1.28) — (1.31)). Границы повреждающих напряжений определяются согласно принятой гипотезе. Естественными границами для вычисления повреждения могут быть границы спектра эксплуатационных нагрузок, если они попадают в область повреждающих напряжений. Однако спектры эксплуатационных нагрузок в основном состоят из малых значений амплитуд и лишь небольшую их часть составляют повреждающие нагрузки. По условиям статистической обработки эти участки спектра не разделяются. Они описываются общей аналитической зависимостью Ф'(а), как правило, выходящей за пределы повреждающих напряжений. В области перехода от неповреждающих напряжений к повреждающим Ф'(а) является очень быстро убывающей функцией. При больших значениях <т это убывание имеет асимптотический характер. Если кривая усталости N(a) представляет собой функцию, убывающую более медленно, чем Ф'(с) в области перехода (что чаще всего бывает в реальных деталях), результаты расчета ресурса оказываются существенно зависимыми от величины параметра k. С физической точки зрения это означает, что накопление повреждения происходит в основном вследствие большого числа циклов эксплуатационной нагрузки, незначительно превышающей нижнюю границу повреждающих напряжений (или напряжений, способствующих развитию усталостной трещины). Поскольку эта граница очень влияет на результат расчета, необходимо точно ее определить.

Трехчленный критерий разрушения. В связи с тем, что в условиях жесткого нагружения при ширине петли б = 0 в соответствии с двучленным критерием разрушения повреждение а = О, то имеющиеся по роторным сталям экспериментальные данные [33, 112 — 114] можно аппроксимировать с помощью трехчленного критерия разрушения, учитывающего накопление повреждения в упругой области:

Для сокращения разрыва между значениями параметров, определяющих накопление повреждения при сложных эксплуатационных циклах, полученными в лабораторных условиях и имеющими место в системе «деталь—условия эксплуатации», разработаны различные образцы-свидетели. Такие образцы, содержащие конструкционные концентраторы, трещины (в том числе в зоне сварных швов) или систему трещин и коррозионных язв, моделируют напряженное состояние исследуемой зоны и испытывают в эксплуатационных условиях при воздействии рабочей среды. Часть образцов изготовляют из отбракованных в процессе эксплуатации деталей (роторов или дисков), содержащих характерные повреждения, в том числе накопленные при длительной эксплуатации. Это позволяет получить уточненный прогноз предельного остаточного ресурса. К числу зон, в которых в первую очередь должны быть установлены образцы-свидетели, относятся центральные полости РВД и РСД и зоны фазового превращения рабочей среды, в частности, зоны отборов за 19, 21 и 23-й ступенями ЦСД турбины Т-100/130 ТМЗ.

Как «расслоение», так и относительное время пребывания вибросостояния в каждом слое, следовательно, и накопление повреждения индивидуальны для каждой точки конструкции.

жения, может сильно отличаться от единицы, в зависимости от предварительно накопленного повреждения и типа материала (упрочняющий, разупрочняющий или стабилизирующий). Влияние того или иного вида нагружения на дальнейшее накопление повреждения зависит также и от того, на какой стадии нагружения происходит смена ступеней и в какой последовательности. Для большинства материалов переход от ступени с меньшим ресурсом (по долговечности) в условиях монотонного нагружения к более низкой ступени (по деформации или нагрузке) дает значительное отличие повреждения от единицы при суммировании по циклам nt/Npi, не учитывающим кинетику петли гистерезиса и односторонне накопленной деформации. Последнее обстоятельство требует также корректировки закона линейного суммирования повреждений по числу циклов и накопленной деформации в ступенях нагружения посредством введения постоянных а и Ь, как это отражено в зависимости (4.45).

Накопление повреждения определяется по правилу линейного суммирования повреждений, за критерий усталостного повреждения материала в пластической зоне принимается уравнение Коффина — Мэнсона Де,-р АЛ1' = Ст. Подставляя выражение для N из уравнения Коффина — Мэнсона в выражение для правила линейного суммирования повреждения, авторы работы [2] получили условие разрушения перед вершиной трещины

В рассмотренные выше зависимости входят в основном характеристики механических свойств материалов, определенные при статическом нагружении. При этом предполагается, что развитие трещины происходит в каждом цикле, пбэтому не учитывается накопление повреждения и изменение характеристик механических свойств материала у вершины при циклическом нагружении. Силовые, энергетические и деформационные характеристики режимов циклического нагружения, определяемые расчетом, используемые в указанных зависимостях, не учитывают влияния остаточных напряжений, изменение толщины образцов и коэффициента асимметрии цикла на реальное напряженно-деформированное состояние материала у вершины трещины, когда размеры пластических зон достаточно велики, но не происходит пластического течения всего оставшегося сечения образца. Все это ограничивает применение рассмотренных зависимостей, как правило, только исследованными-материалами, условиями испытаний, режимами нагружения и толщинами образцов и не позволяет прогнозировать условий перехода к нестабильному развитию трещин и закономерностей нестабильного развития трещин.

Разновидностью коррозии металлов при трении является фреттинг-коррозия, которая отличается от коррозии при трении (коррозионного износа) тем, что возникает в таких местах, где не предусмотрена возможность свободного движения одной плоскости относительно другой, но где наблюдается вибрационное движение с микроскопической амплитудой (например, две поверхности деталей, плотно соединенных болтами). При этом становится возможным накопление продуктов разрушения. Наличие кислорода, следы которого уменьшают истирание, наоборот, увеличивают разрушение в результате фреттинга, который в присутствии

К недостаткам относятся: пределы их применения — до окружной скорости на валу v^5...6 м/с из-за шачительных потерь на трение при вращении; возможность прим( нения при температурах не свыше 70...100°С (за исключением туго! лавкнх смазок); высокое сопротивление вращению при низких тед пературах; менее интенсивное охлаждение подшипника; удержание и накопление продуктов износа, способствующие прогрессиру! ццему износу подшипников; необходимость разборки и промывки узла при полной замене смазки.

При контактной сварке по мере накопления в щели продуктов коррозии возникают усилия, способствующие их деформации и механическому разрушению в местах сварки. При увеличении шага сварки увеличивается приращение толщины пакета деталей (рис. 53). Между линиями А и Б развитие коррозионных процессов приводит к значительной деформации деталей, а при вариантах шага, находящихся левее линии А, накопление продуктов коррозии незначительно сказывается на изменении геометрических параметров сваренной детали. Приведенные данные способствуют правильному выбору шага контактной сварки.

2. Конкуренция процессов репассивации и анодного растворения. Анодное растворение металла в вершине дефекта, накопление продуктов

сидных пленок на протяжении каждого цикла деформирования. По мере развития коррозионноусталостных повреждений происходит накопление продуктов коррозии внутри трещины, вследствие чего они могут играть роль клина при действии сжимающих напряжений и способствовать чисто механическому развитию трещин. Вместе с тем появление продуктов коррозии значительно изменяет состав и свойства внутрищелево-го раствора, нарушает его процессы обмена с окружающей коррозионной средой и уменьшает содержание в нем кислорода. Все это приводит к снижению пассивирующей способности внутрищелевого раствора и усиливает степень его влияния на развитие коррозионной трещины. В результате изменение химического состава металла и структурных факторов, влияющих на кинетику протекания анодных процессов, в условиях периодического нарушения пассивности может кардинально изменять поведение металла при малоцикловом нагружении в коррозионной среде и создает условия для существенно более сильного влияния различных факторов, чем при коррозионном растрескивании.

Пятна на поверхности, образование бугристости; визуально заметный налет, развитие микроорганизмов внутри пленки и под ней; изменение физико-механических свойств покрытия (потеря эластичности, прочности, вздутия, отслаивания, растрескивание); образование и накопление продуктов коррозии под пленкой (рН водной вытяжки до 1); сквозные питтинги в пленке покрытия

1 В случае нестационарных процессов такое равенство может приближенно выполняться, когда речь идет об электрохимических процессах, связанных с доставкой реагента к поверхности, реакцией его на поверхности и отводом продуктов реакции в раствор. Если вызванное нестационарностью процесса накопление продуктов реакции или реагирующего вещества у поверхности будет незначительным по сравнению со скоростью превращений вещества, то скорости всех последовательных стадий могут считаться равными.

1 В случае нестационарных процессов такое равенство может приближенно выполняться, когда речь идет об электрохимических процессах, связанных с доставкой реагента к поверхности, реакцией его на поверхности и отводом продуктов реакции в раствор. Если вызванное нестационарностью процесса накопление продуктов реакции или реагирующего вещества у поверхности будет незначительным по сравнению со скоростью превращений вещества, то скорости всех последовательных стадий могут считаться равными.

Металлографические (рис.1&в) и электронномикроско-пическне исследования показывают, что продесс обезуглероживания начинается по границам зерен. При этом продуктом реакции обезуглероживания является метан. Размер молекул метана (
Согласно расчетам (рис. 13), давление метана в этих условиях может достигать больших значений, в результате чего возникают напряжения, превышающие прочность металла. Период времени, когда происходят локализованные реакции и накопление продуктов реакции, но с не наблюдается заметного снижения прочностных и пла- js стических свойств стали, является первым этапом обезуглероживания, называемым индукционным периодом.

ны пакета сваренных деталей. От начала координат до линии А находятся соединения с вариантами шага сварки, при которых накопление продуктов коррозии незначительно сказывается на изменении геометрических параметров соединенных деталей. Здесь накопление в щели продуктов коррозии уменьшает со временем активную поверхность анода, затрудняет доступ электролита, а также увеличивает сопротивление системы коррозии.