Накоплению повреждений

Уровень накоплении повреждений, IN/Np

О ОД 0.2 0,3 0.4 0.5 0,6 0,7 0,8 0,9 Уровень накоплении повреждений, N/Np

В литературе нет сколько-нибудь существенных данных о влиянии условий монтажа крупногабаритных конструкций на ее надежность. Вероятно, считается, что роль этого этапа в накоплении повреждений относительно невелика по сравнению со стадией изготовления. Тем не менее, недостаточная техническая культура выполнения монтажных работ может привести к появлению дефектов в виде вмятин. Соответствующими нормативными документами допускаются определенные локальные деформации элементов конструкций. При силовом и термическом нагружении в результате релаксационных процессов размеры дефекта могут изменяться вплоть до его полного исчезновения. Однако возможен и противоположный исход, когда местные пластические деформации могут послужить причиной дальнейшего перенапряжения конструкции и ее разрушения. Поэтому в конкретных случаях необходимо учитывать поврежденность, полученную на стадии монтажа.

Эмиссия при многократном нагружении. При повторном нагружении АЭ резко уменьшается и вновь начинает регистрироваться после достижения максимальной нагрузки первого цикла. Это явление называют эффектом Кайзера. Он особенно хорошо проявляется на гладких образцах и хуже — на образцах с надрезом. Последнее свидетельствует о накоплении повреждений при повторных нагрузках.

В литературе нет сколько-нибудь существенных данных о влиянии условий монтажа колонны на ее надежность. Вероятно, роль этого этапа в накоплении повреждений относительно невелика по сравнению со стадией изготовления. Тем не менее, недостаточная техническая культура выполнения монтажных работ может привести к появлению дефектов в виде вмятин. Соответствующими нормативными документами допускаются определенные локальные деформации элементов аппаратов. При силовом и термическом на-гружении в результате релаксационных процессов размеры дефекта могут изменяться вплоть до его полного исчезновения. Однако возможен и противоположный исход, когда местные пластические деформации могут послужить причиной дальнейшего перенапряжения конструкции и ее разрушения. Поэтому в конфетных случаях необходимо учитывать поврежденность, полученную на стадии монтажа.

При циклическом нагружении методологической основой оценки поврежденности колонны служат гипотезы о накоплении повреждений. К настоящему времени обширные теоретические и экспериментальные исследования в области мало- и многоцикловой усталости привели к разработке большого числа специальных методов, реализующих концепцию накопления повреждений. Поскольку для сосудов давления число циклов нагружения в течение срока службы обычно не превышает 5-Ю5 (верхний предел для области малоцик-лозой усталости по ГОСТ 25 859-83), интерес представляют гипотезы, рассматривающие именно эту область усталостного разрушения. Общий обзор работ, посвященных методам суммирования повреждений как в случае изотермического малоциклового нагружения, так и при термоциклической усталости, дан в [60].

Независимо от назначения ЭЦИ одним из основных условий эквивалентности испытаний является обеспечение подобия в накоплении повреждений при испытаниях и в эксплуатации [55]. Однако расчеты повреждаемости при испытаниях и в эксплуатации опять-таки ведутся на основе вышеуказанных представлений и допущений. В результате введения на стадиях расчета и экспериментального определения циклической долговечности дисков вышеотмеченных упрощений и допущений весьма сложные ПЦН как по видам входящих в их состав нагрузок, так и по вариантам сочетания и наложения друг на друга последних можно приводить фактически к простому пульсирующему циклу (рис. 1.7)

детали связана с акустической эмиссией (АЭ) [126-130]. Феномен АЭ заключается в испускании материалом упругих волн, вызванных динамической, локальной перестройкой его структуры при накоплении повреждений под действием циклической нагрузки. Волны напряжений — последовательное деформирование объемов материала в направлении распространения энергии, поступающей в материал от внешнего источника. Это может быть энергия, являющаяся реакцией материала на это воздействие (например, у кончика трещины). Тогда от зоны пластической деформации в вершине трещины и от зоны перед вершиной трещины в связи с формированием свободной поверхности имитируются в окружающие объемы материала волны напряжений, которые достигают датчика-приемника сигналов АЭ.

Переход на следующий, мезоскопический, масштабный уровень отвечает началу доминирования ротационных мод деформации с возрастающими разориентировками фрагментированной структуры вплоть до 11 типа. Самоорганизованный переход на этот уровень определяется размером около 0,1 мкм [74]. Дефектная структура, например, ОЦК металлов при переходе на рассматриваемый масштабный уровень состоит из дислокационных листов [77]. Толщина этих листов составляет 0,05-0,1 мкм. Поэтому можно считать, что до перехода на новый масштабный уровень основную роль в накоплении повреждений играют процессы внутри листов, Далее происходит взаимодействие между ними и созданная избыточная плотность дислокаций создает предпосылки для возникновения разориентировок в дефектной структуре порядка 20-40' [77].

На практике (см. главу 1) закон накопления усталостных повреждений рассматривают на основе линейной гипотезы Пальмгрена-Майнера [96, 97] и в области малоцикловой усталости описывают связь между уровнем деформации и числом циклов до разрушения по соотношению Коффи-на-Мэнсона [85, 86]. Допущение о линейном накоплении повреждений тем достовернее, чем ближе развитие разрушения к области малоцикловой усталости, когда большая часть долговечности приходится на период роста усталостной трещины [90, 98-101].

цикла ЗВЗ, действие которого обусловливает формирование мезолинии усталости. В процессе всего цикла ЗВЗ существенное значение в накоплении повреждений вносит вибрационная нагрузка. В результате ее повреждающего действия на материал у кончика трещины происходит постепенное ее подрастание в полетном цикле между двумя соседними мезолиниями, аналогично тому, как это было продемонстрировано применительно к лопаткам компрессоров. Такое развитие событий у кончика трещины за цикл ЗВЗ подтверждается характером рельефа между усталостными линиями (псевдобороздчатый рельеф), формированием самих линий преимущественно за счет эффекта пластического затупления вершины трещины и расстоянием между линиями. Оно значительно больше величины максимального шага усталостных бороздок, характеризующего предельные возможности материала сопротивляться стабильному распространению трещины при регулярном его нагружении (без перегрузок). Описанная морфология рельефа иллюстрируется закономерностями развития разрушения в кронштейне центрального закрылка самолета (рис. 14.11).

Таким образом, разрушению металлов предшествует пластическая деформация. Пластическая деформация приводит к накоплению повреждений структуры и разрыхлению металла. На ранних стадиях деформации - за счет размножения дислокаций, на более поздних - инициированием и развитием микродефектов. Микротрещины возникают преимущественно в полосах скольжения в

Выше рассмотренные критерии в основном относятся к статическим нагружениям. В некоторых случаях испытания проводятся циклическим давлением. Нестационарность на-гружения приводит к накоплению повреждений в металле и усталостному разрушению. Для трубопроводов характерна малоцикловая усталость [13], ускоряемая наличием коррозионных сред. Рассмотрим основные закономерности разрушения в условиях малоциклового нагружения.

2. Наиболее опасными для технических объектов оказываются вибрационные воздействия. Знакопеременные напряжения, вызванные вибрационными воздействиями, приводят к накоплению повреждений в материале, что вызывает появление усталостных трещин и разрушение. Кроме усталостных напряжений в механических системах наблюдаются и другие явления, вызываемые вибрациями, например постепенное ослабление («разбалтывание») неподвижных соединений. Вибрационные воздействия вызывают малые относительные смещения сопряженных поверхностей в соединениях деталей машин, при этом происходит изменение структуры поверхностных слоев сопрягаемых деталей, их износ и, как результат, уменьшение силы трения в соединении, что вызывает изменение диссипативных свойств объекта, смещает его собственные частоты и т. п.

2. Наиболее опасными для технических объектов оказываются вибрационные воздействия. Знакопеременные напряжения, вызванные вибрационными воздействиями, приводят к накоплению повреждений в материале, что вызывает появление усталостных трещин и разрушение. Кроме усталостных напряжений в механических системах наблюдаются и другие явления, вызываемые вибрациями, например постепенное ослабление («разбалтывание») неподвижных соединений. Вибрационные воздействия вызывают малые относительные смещения сопряженных поверхностей в соединениях деталей машин, при этом происходит,изменение структуры поверхностных слоев сопрягаемых деталей, их износ и, как результат, уменьшение силы трения в соединении, что вызывает изменение диссипативных свойств объекта, смещает его собственные частоты и т. п.

Диагностика места расположения усталостной трещины основана на принципе пространственно временной селекции регистрируемых сигналов АЭ [127, 128]. На объект устанавливается множество датчиков в виде антенной решетки. Ячейки решетки выбирают по геометрии различной формы в зависимости от алгоритма обработки информации. При визуализации результатов анализа по накоплению повреждений в наиболее повреждающейся зоне их представляют в виде кластера сигналов АЭ наибольшей интенсивности. Достоверность диагностирования зоны появления и развития трещины существенно зависит от спектра шумов и метода их фильтрации.

Большинство лабораторных циклических испытаний проводится в условиях постоянной амплитуды напряжений, в то время как усталостное нагружение в условиях эксплуатации происходит при переменной амплитуде или даже при совершенно случайном нагружении. Стандартные исследования по накоплению повреждений касаются соотношений между долговечностями в условиях постоянной и меняющейся амплитуды. Многочисленные критерии накопления повреждений, предложенные для металлов, отражали попытки связать развитие поврежденности с числом прошедших циклов. Большинство критериев связывает поврежденность с отношением числа циклов n/N, т. е. числа прошедших циклов к ожидаемому числу циклов до разрушения при той же постоянной амплитуде напряжений. Это происходит потому, что в металлах единственным легко обнаруживаемым видом повреждения является изолированная трещина, развивающаяся на последней стадии испытания.

Температурно-силовые воздействия на ротор приводят к структурным и фазовым изменениям металла, накоплению повреждений в процессе ползучести и малоцикловой усталости.

Другим существенным вопросом, который необходимо учитывать в процессе оценки повреждений при длительном малоцикловом нагружении, оказывается наблюдаемый в ряде случаев эффект большего повреждающего действия выдержек при растяжении, чем при растяжении — сжатии или только сжатии, проявляющийся в испытаниях как в режиме мягкого (ползучесть), жесткого (релаксация), так и промежуточного между мягким и жестким нагруженном. В работах [80, 203, 216] на аустенитной нержавеющей стали типа 18Сг—8Ni (600—650° С) отмечается при наличии выдержек в цикле растяжения двукратное снижение числа циклов до появления макротрещины. На рис. 1.2.2, б в качестве примера приведены данные для стали Х18Н9 (650° С) по накоплению повреждений при длительном малоцикловом нагружении с выдержками при растяжении. Отмечается понижение для указанного режима величины D до 0,5 [80].

Оценка прочности таких конструкций может быть предпринята с позиций деформационно-кинетического подхода к накоплению повреждений, оказывающегося достаточно эффективным при формулировке критериев малоцикловой прочности в области нормальных, повышенных и высоких температур.

Следует отметить, что, например, повышение температуры испытания и при обычной усталости приводит к накоплению повреждений в области границ зерен, однако при термоциклическом нагружении эта тенденция проявляется в большей степени, хотя время пребывания материала при высокой температуре в этом случае меньше.

Основной целью изучения низкотемпературной механической прочности материалов является накопление сведений о характере деформирования материалов при низких температурах с учетом влияния напряженного состояния, концентраторов напряжений и других факторов, способствующих накоплению повреждений. Получаемые данные необходимы для установления критериев несущей способности, позволяющих прогнозировать работоспособность материалов в условиях низких температур при одновременных интенсивных силовых воздействиях. Устройства для низкотемпературных механических испытаний конструкционных материалов описаны в работах [88—90].