Результатов усталостных

На практике находят применение оба метода исследований, дополняющие и контролирующие друг друга. Сопоставление результатов ускоренных и длительных исследований позволяет в ряде случаев получить для них соответствующий коэффициент пересчета, что иногда освобождает от необходимости проведения длительных испытаний.

Идеальным является, конечно, испытание в «естественной» среде, т. е. в среде, максимально приближающейся к эксплуатационной. Однако система покрытий достаточно эффективно выполняет свои функции защиты от коррозии, и период разрушения в этих условиях становится слишком длительным. В связи с этим проводят ускоренные коррозионные испытания, непрерывно поддерживая режим максимальных механических напряжений, изменяя температуру или влажность либо используя искусственную среду с повышенной коррозионной активностью. Хотя с помощью этих средств разрушение возникает за несколько дней, часов и даже минут (в крайних случаях), ускоренные испытания могут вызвать коррозию, отличную от возникающей в условиях эксплуатации, из-за сложного характера процесса коррозии. Таким образом, прогнозирование срока службы или способа разрушения на основании результатов ускоренных испытаний можно считать обоснованным только после соответствующих уточнений в ходе тщательных натурных испытаний.

С целью выяснения скорости деградации свойств материалов или изделий под воздействием природных факторов уже в первой четверти XX века в промыщлен-но развитых странах (Англии, США, Германии, Швеции и др.) были организованы коррозионные (климатические) станции. Однако испытания на коррозионных станциях не могут дать исчерпывающих характеристик коррозионной стойкости металлических систем для районов, где испытания не проводились, и тем более •— для климатических зон, существенно отличающихся от исследованных. Следовательно, возникает первая задача-экстраполяция результатов коррозионных испытаний, полученных в немногочисленных климатических зонах, на зоны с другими климатическими характеристиками. Вторая задача связана с развитием методов прогнозирования скорости атмосферной коррозии на базе результатов ускоренных испытаний в камерах искусственного климата. Решение этих задач, имеющих исключительное значение для повышения качества и надежности техники, оказывается возможным только путем всестороннего исследования причинной связи скорости атмосферной коррозии с метеорологическими элементами, которые прямо или косвенно влияют на коррозионный процесс.

В последние годы ускоренные испытания, имеющие своей целью прогнозирование коррозионной стойкости металлов или покрытий, получили дальнейшее развитие. В табл. 12 сопоставлены наблюдаемые и рассчитанные из результатов ускоренных испытаний скорости коррозии цинка, кадмия и алюминия в различных климатических зонах. В расчетах использовали вышеприведенные модели атмосферной коррозии. Полученный к настоящему времени экспериментальный материал [84, 85] свидетельствует о хорошей корреляции рассчитанных по результатам ускоренных испытаний и реально наблюдаемых величин коррозии.

В Лаборатории прикладных исследований ВМС США было исследовано влияние микробов на коррозию и разрушение металлов в глубоководных условиях, связанных с большим гидростатическим 'давлением, осмотическим давлением и пониженными температурами воды. Все перечисленные физические факторы обычно подавляют клеточную активность (за исключением некоторых адаптированных к таким условиям организмов) и поэтому могут оказывать существенное влияние на биологические коррозионные механизмы. Необходимость в подобных исследованиях возникла в связи с ожидаемым использованием дна океана для различных целей, в том числе для сооружений систем противолодочной обороны. Натурные испытания материалов были предприняты с целью получения надежных коррозионных данных в реальных условиях. Эти данные служат критерием при анализе результатов ускоренных коррозионных л'абораторных испытаний и, конечно же, дополняют другие данные о коррозионном поведении различных металлов на больших глубинах.

Оценка результатов ускоренных испытаний. Для сравнения конструктивных вариантов деталей, узлов и машин необходимо выбрать критерии появления отказа. При решении этого вопроса возникает ряд трудностей. Так, например, можно ли, оценивая долговечность детали или сборочной единицы при испытании циклической прочности, ограничить срок службы началом появления трещин, или во всех случаях конструкцию необходимо доводить до полного разрушения. Наиболее часто сроки появления первых трудноустранимых разрушений принимают за критерий для оценки долговечности.

Для правильной оценки результатов ускоренных испытаний, необходимо воспроизводить один или несколько типичных эксплуатационных режимов нагружения, чередующихся в определенной последовательности. Для выбора таких режимов необходимо определить типичные условия эксплуатации, характерные для машин данного типа и назначения; выявить типичные режимы нагружения детали, сборочной единицы или агрегата, соответствующие типичным условиям эксплуатации машины, а также выявить характерные циклы нагружения, многократно повторяющиеся в условиях эксплуатации и более всего способствующие разрушению исследуемых деталей, сборочных единиц или агрегатов.

В качестве показателя долговечности, например бульдозера, при ускоренных испытаниях можно принять число циклов при заданной дальности перемещения с максимальной нагрузкой на отвал. Такой показатель может оказаться более точным, чем число часов работы под нагрузкой. По числу циклов можно определить долговечность и установить коэффициент ускорения для сопоставления результатов ускоренных испытаний с эксплуатач ционными до появления одинаковых видов разрушения деталей сборочных единиц и агрегатов.

Для качественной оценки результатов исследования при ускоренных испытаниях могут быть использованы различные методы. Ускоренные испытания на выносливость и износ сопровождаются разбросом данных по отдельным деталям, сборочным единицам и агрегатам. В связи с этим для объективного определения исходных характеристик выносливости изделий надо проводить статистическую обработку результатов ускоренных испытаний, например метод регрессионного анализа, который позволяет оценить надежность при небольшом количестве испытанных деталей. Пользуясь методом линейного регрессивного анализа, можно установить границы рассеяния и получить уравнения характеристик выносливости (долговечности).

При отсутствии внутренних повреждений (включений и т п.), являющихся очагами концентрации напряжений, вполне вероятно совпадение результатов ускоренных и длительных испытаний.

-5 настоящее время расчетным методом нельзя установить ••ависимость для пересчета результатов ускоренных испытаний аппаратов Я8 нормальный реаим эксплуатации. Поэтому неизбежно следует вывод об экспериментальном определении этих зависимостей ъ условий их существования. Практически это представляется как проведение испытаний нескольких групп однотипных аппаратов в различных режимах.

Известны попытки математического моделирования процесса КР и прогнозирования времени наработки до отказа магистральных газопроводов. Так, например, У.Л. Мерсер с помощью математической обработки результатов усталостных испытаний, получив эмпирическую зависимость длины трещины от времени, нагрузки и температуры, сделал попытку распространить эту модель для количественного описания процесса КР [178]

трещины, с другой - модель Пэриса используется только для расчета распространения трещины на среднем участке кривой циклической трещиностойкости. Поэтому, на наш взгляд, более правильным является комбинированный подход к решению данной задачи - использование модели Коффина - Мэнсона на этапе до зарождения усталостной трещины, и модели Пэриса - на стадии ее развития. Кроме того, использовать модель Пэриса без проведения дополнительных исследований по разрушению реальных труб некорректно в связи с неоднозначностью в определении начала стадии неконтролируемого развития разрушения. Для реальных трубопроводов эта стадия разрушения протекает, как правило, по вязкому механизму (вязкий долом), и прямое использование линейной механики разрушения не представляется возможным. Поэтому более правильным, на наш взгляд, является использование для прогнозирования этой стадии модели, предложенной Кейфне-ром и др. [135], использовавших соотношения линейной и нелинейной механики разрушения. Данный подход и был использован для обработки результатов усталостных испытаний.

У.Л.Мерсер с помощью математической обработки результатов усталостных испытаний получил эмпирическую зависимость длины трещины от времени приложения нагрузки, ее величины и температуры и сделал попытку распространить модель для количественного описания процесса КР.

ческой трериностойкости. Поэтому, на наш взгляд, более правильным является комбинированный подход к решению данной задачи - использование модели Коффина - Мэнсона на этапе до зарождения усталостной трещины и модепи ТЬриеа на стадии развития трещины. Даша.Л подход был использован для обработки результатов усталостных испытаний трубной стали 17Г1С в условиях, моделирующих натурные (катодная "оляризация. среда). В результате проведенных исследований с использованием компьютерной обработки экспериментальных данных было установлено, что с увеличением, по абсолютной величине, значения наложешюы потенциала величина показателя степени модели Коффина - Мэнсона уменьшается с 0.61 для потенциала 0,0 В, НВЭ (отключение катодной завиты) до 0,48 для потенциала минус 0.68 В, НВЭ (катодная поляризация) (;ис. 2.3), что объясняет ,ве-лкчение времени до зарождения трещины. На этапе развития трещины. при таком же изменении потенциала (см. табл. 2.1), отмечается увеличение скорости роста трещины и показателя степени модели Пэ-риса. Последний эффект объясняется результатами проведенных экспериментов по определению водорода, доказавших, что с уменьшением

Материал цилиндра литая сталь Ст20 (а0 2 == 297 П/мм2; ов = 41)8 Н/мм2; б ==23,8%). Обработка результатов усталостных испытаний образцов из данной стали ь соответствии с формулой Париса (30.1) приводит к следующим значениям постоянных С и п = т :

Для получения достоверных сведений по усталостной прочности титановых сплавов конкретной структуры необходима количественная оценка разброса результатов циклических испытаний. При этом предел выносливости определяют с заданной вероятностью неразрушения, т.е. оценивают его надежность/Уже первые статистические обработки результатов усталостных испытаний титановых сплавов показали высокие значения коэффициента вариации условного предела выносливости [96— 98]. Учитывая большой разброс, наиболее правильно для анализа усталостных свойств титановых сплавов применять методы математической статистики и теории вероятности. Для этого строят полные вероятностные диаграммы, например по системе, предложенной Институтом машиностроения АН СССР [ 99, 100]. Эта система основана ра разделении процесса усталостного разрушения на две стадии: до появления макротрещины и развитие трещины до разделения образца на части. При анализе предела выносливости гладких образцов это разделение не имеет принципиального значения, так как долговечность до появления трещины Nt и общая долговечность до разрушение.образца Л/р близки. Часто для построения полных вероятностных диаграмм усталости за основу берут наиболее простой метод, предложенный В. Вейбуллом [101; 102, с. 58— 64]. Для построения полной вероятностной кривой необходимо испытать достаточно большие партии образцов (30—70 шт.) на нескольких уровнях амплитуды напряжений, которые должны быть выше предела выносливости (см., например, рис. 92). На каждом из этих уровней по гистограмме определяют вероятность разрушения при данной амплитуде напряжений. Далее строят кривую Веллера по средним значениям долговечности. По гистограммам строят кривые равной вероятности в тех же координатах (аа — Ig/V). Затем строят семейство кривых, определяющих не только зависимость долговечности от амплитуды-напряжений, но и вероятности разрушения от заданных амплитуды напряжений и долговечности. Далее, принимая математическую форму распределения вероятности, на данном уровне напряжений можно строить кривые зависимости либо от амплитуды напряжений при заданной базе испытаний /V,

Благодаря статистическому анализу результатов усталостных испытаний сплавов удается выявить некоторые закономерности усталостных свойств титана, которые не удается раскрыть при обычном определении среднего предела выносливости. Следует отметить, что большой разброс данных при циклических испытаниях сплавов заставляет строить полные вероятностные кривые не только для определения гарантированного предела выносливости металла с заданной надежностью (вероятностью) неразрушения, но даже при выборе сплава, так как по средним значениям предела выносливости (при Р/=50 %) может быть выбран один сплав, а по вероятности неразрушения 99,9 % —другой сплав из-за меньшего разброса данных по его долговечности. При статистическом анализе более точно можно подобрать и математическую форму кривой усталости в координатах a-lg/V, что дает более точные сведения о пределе выносливости при большом количестве циклов нагружения. Например, при сравнении крупных поковок из сплавов ПТ-ЗВ и ВТ6 среднее значение предела выносливости у первого оказалось на 20 МПа выше, что находится в пределах разброса данных; при построении полных вероятностных диаграмм из этих сплавов выяснилось, что сплав ВТ6 по пределу выносливости с вероятностью неразрушения 99,9 % при Л/~ 10* цикл превосходит сплав ПТ-ЗВ более чем на 70 МПа. Статистический анализ позволил определить предел выносливости сплава ВТЗ-1 при Л/-*00: если при Л/=107 цикл средние пределы были равны 430, 320, 197 МПа (соответственно для гладких образцов и надрезанных при ат=1,4 и ат = 2,36), то при Л/-»°° пределы выносливости оказались равными только 312, 217 и 72 МПа [96].

Скорость роста усталостных трещин. Методика усталостных испытаний, с помощью которой регистрируют только число циклов до разрушения, не дает картины зарождения усталостных повреждений в металле, возникновения и распространения усталостных трещин. Анализ результатов усталостных испытаний должен проводиться с позиции двухстадийности процесса усталостного разрушения. В зависимости от ряда частных условий распространение уже образовавшейся усталостной трещины может происходить за период от 10 до 90% от общей долговечности образца или детали. Скорость роста усталостных трещин является основным критерием оценки чувствительности материалов к развитию усталостного разрушения.

При испытаниях на усталость образцов или деталей обнаруживается разброс определяемых значений. Это относится к значениям предела выносливости и в особенности ограниченной выносливости или усталостной долговечности. Статистическая природа процесса усталостного разрушения предопределяет рассеяние результатов усталостных испытаний в большей степени, чем других видов испытаний.

Цель статистической Обработки результатов усталостных испытаний — установить вид функциональной зависимости между о, N и Р (Р — вероятность того, что образец, испытываемый при нааря-жении а, разрушится при числе циклов N).

Прежде, чем проводить статистическую обработку результатов усталостных испытаний, следует установить, каким видом распределения наилучшим образом аппроксимируются экспериментальные данные.