ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 2, 2015
НАДЕЖНОСТЬ, ПРОЧНОСТЬ, ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ МАШИН
И КОНСТРУКЦИЙ
УДК 62:9.122.004.621.434
© 2015 г. Москвитин Г.В., Лебединский С.Г., Пугачев М.С.
СТАДИИ РАЗВИТИЯ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН В НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ ПРИ НЕРЕГУЛЯРНОМ НАГРУЖЕНИИ
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, г. Москва
Приведены результаты расчетно-экспериментального исследования закономерностей развития усталостных трещин в низколегированной литой стали 20ГФЛ при нерегулярном нагружении с целью определения различных стадий накопления повреждений (изменения скорости) по мере развития трещины. Выбранный режим нагружения соответствовал наблюдаемым в эксплуатации железнодорожных конструкций сочетаниям растягивающих перегрузок с регулярным циклическим нагру-жением.
Прогнозирование ресурса металлоконструкций по условию усталостной прочности требует определения закономерностей развития усталостных трещин при нерегулярных, типичных для эксплуатации, процессах нагружения. Известно, что кинетические диаграммы усталостного разрушения (КДУР) (ГОСТ 25.506-85) не отражают всей сложности накопления усталостных повреждений, даже при простых чередованиях выбросов нагрузки (перегрузок) с основным, номинальным, циклическим уровнем нагружения. Возникает необходимость определения дополнительных параметров, характеризующих чувствительность материала к нерегулярности нагружения с последующим включением их в расчет эксплуатационной живучести конструкций. В [1] показано, что с увеличением уровня коэффициента интенсивности напряжений влияние растягивающих перегрузок различно и по скорости роста усталостных трещин может быть разделено на разные стадии. Возможность учета такой стадийности вытекает из соотношений [2], где выделены деформационные компоненты квазистатического повреждения и повреждения от упругой деформации, взаимное влияние которых с ростом трещины изменяется.
Экспериментальные исследования выполняли на компактных образцах для вне-центренного растяжения размера 125 х 120 х 10 мм (ГОСТ 25.506-85), вырезанных из надрессорной балки грузового вагона. Схема вырезки и методика испытаний приведены в [3]. Испытания проведены на электрогидравлическом стенде SHIMADZU (controller 4830) с максимальным усилием 50 кН. Ранее [3] для этого материала и на таких же образцах получена полная КДУР при регулярном циклическом нагружении.
Ь, м 0,07
1 ■ 106 2 ■ 106 3 ■ 106 N циклы
Рис. 1
Р, кН
30 г
25 20 15 10 5
13 4 5
Рт
1 ■ 10-3 2 ■ 10-3 3 ■ 10-3 5, м
Рис. 2
Рис. 1. Зависимость длины трещины Ь от числа циклов нагружения N а — расчетная по КДУР без учета влияния перегрузок; б — экспериментальная; в — расчетная, с учетом стадий развития
В настоящей статье основная нагрузка на образец оставалась с постоянными параметрами цикла Ртах = 15 кН и РтЬ = 7 кН. По мере роста трещины прикладывали однократные перегрузочные циклы с уровнем перегрузки Q = Рпш/Р^ = 1,73 (6 перегрузок) и Q = 2,1 (одна перегрузка) (рис. 1), где Р^их — максимальное усилие в перегрузочном цикле. Очередную перегрузку прикладывали после выхода трещины из области влияния предыдущей перегрузки, т.е. когда скорость трещины от основного уровня нагружения достигала величины скорости на КДУР при соответствующих значениях параметров цикла коэффициента интенсивности напряжений (КИН). Выбор таких величин нагрузок и их чередование сделан из рассмотрения типовых эксплуатационных процессов нагружения тележек грузовых вагонов [4].
На экспериментально полученной зависимости длины трещины Ь от числа циклов нагружения N (кривая б на рис. 1) можно выделить две области. Первая, где перегрузки оказывают резко выраженный (скачкообразный) характер замедления роста трещины. Трещина в этом случае не имеет видимого на поверхности образца роста в течение нескольких сотен тысяч циклов. Вторая область, начиная с —тах = 27 МПа^/м и
Ктах = 15,58 МПал/м, при коэффициенте асимметрии Я = 0,47 (после перегрузки 3), где развитие трещины идет со значительно меньшим выражением дискретности задержек, что определяется сравнительно гладкой функцией Ь(Ы).
На рис. 2 приведены диаграммы деформирования (перемещение по линии приложения нагрузки) при перегрузках 1, 2, 3, 4, 5, 6, показанных на рис. 1.
Для определения начала "гладкого" участка развития трещины по КИН на рис. 3 показан график изменения нормализованного К-градиента КИН, для испытанного образца и нагрузки основного уровня, в границах соответствующего участка Ь(Ы) длины трещины.
На рис. 4 показаны диаграмма усталостного разрушения исследуемой стали 20ГФЛ (кривая 1) при коэффициенте асимметрии Я = 0,5 [3] и экспериментальная закономерность изменения скорости при нагружении с перегрузками Q = 1,73 (точки 2).
Если для точек, соответствующих началу "гладкого" участка зависимости Ь(Ы) > 0,03 м (рис. 1), определить регрессионное уравнение скорости роста трещины V от амплитуды КИН в виде зависимости Пэриса (по точкам 2 на рис. 4), то оно имеет вид
V = 1,489 • 10-10(ДК)л4,025
(1)
- Рп
л тах
Р
с1К/(йЬ • К), м-0,032
0,028
0,026
0,024
0,035 0,040 0,045 0,050
0,055
Ь, м
V, м/цикл
1 • 10-
1 • 10-
1 • 101 • 10-
10
А К, МПа^м
100
Рис. 3
Рис. 4
(прямая 2 на рис. 5) и сравнить эту зависимость со стандартной КДУР, представленной также в виде уравнения Пэриса, для того же интервала изменения коэффициента интенсивности напряжений V = 3,581 • 10-1°(ДК)М,038 (прямая 1 на рис. 5), то видно, что закономерность развития трещины в процессе нагружения с перегрузками О = 1,73 можно определить по КДУР корректировкой только параметра С (первого сомножителя) в уравнении Пэриса. В данном случае он должен быть уменьшен в 2,4 раза.
Первую часть зависимости Ь(^ со сложным, дискретным характером можно определить моделированием по методике с использованием результатов тестовых экспериментов [5]. На рис. 1, в представлены результаты такой расчетно-экспериментальной аппроксимации. Точками на рис. 1, в выделены участки, определенные по соответствующей КДУР (1 на рис. 4). Участок, представленный пунктирной линией, получен по уравнению (1) (зависимость 2 на рис. 5).
Ввиду того, что при моделируемых в эксперименте перегрузках пластические деформации в вершине трещины приобретают с ее ростом существенную величину (рис. 2), представляется важным получить оценку /-интеграла для "гладкого" участка зависимости Ь(^) при перегрузочных циклах. Величины /-интеграла определяли по формуле Ирвина через экспериментально фиксируемые смещения точек приложения силы (податливость) [6] при длине трещины, где прикладывались перегрузки.
На рис. 6, а показана зависимость податливости Р^ах/и от относительной длины
трещины в образце Ь/Ь (ГОСТ 25.506-85). На рис. 6, б показана соответствующая этой податливости зависимость /-интеграла при перегрузочных циклах. Началу "гладкого" участка соответствует величина / = 0,0501 МН/м.
Выводы. Полученные экспериментальные данные показывают значительную чувствительность стали 20ГФЛ к нерегулярности нагружения, которая проявляется в ви-
V, м/цикл 1 • 10-6
1 • 10-
1 • 10-
1 • 10
г9
Рис. 5. Диаграммы усталостного разрушения стали 20ГФЛ: 1 — при регулярном нагружении; 2 — с перегрузками О = 1,73
10
А К, МПа^м 100
6
9
8
и ■ 10-3, м
0,25 -
0,20 -
0,15 -
0,10 -
0,05 -
х—
0
J, МН/м 0,4
0,3
0,2
0,1
.H--
0
0,2 0,3 0,4 0,6 0,3
0,4
0,5
0,6 L/b
Рис. 6
де существенных задержек развития усталостных трещин даже при сравнительно небольших перегрузках (Q = 1,73). В полученной закономерности развития трещины при нерегулярном нагружении наблюдаются две стадии развития. Первая стадия при (1/K) • dK/dL < 0,026 м-1 и J< 0,0501 MH/м требует проведения тестового эксперимента [5]. Моделирование роста трещины на второй стадии при 1/K• dK/dL > 0,026 м-1 и J> 0,0501 МН/м возможно при использовании смещенной КДУР, что существенно упрощает задачу прогнозирования.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (Грант № 12-08-01008ф).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Когаев В.П., Махутов Н.А., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность. Справочник. М.: Машиностроение, 1985. 224 с.
2. Махутов Н.А., Романов А.Н. Закономерности образования и развития трещин при циклическом нагружении // Сопротивление развитию усталостных трещин в металлических сплавах, применяемых на железнодорожном транспорте. М.: Транспорт, 1984. С. 110-120.
3. Москвитин Г.В., Лебединский С.Г. Влияние перегрузок на развитие усталостных трещин в литых деталях железнодорожных конструкций // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2010. № 5. С. 145-152.
4. Северинова Т.П. Стандартизация спектра нагрузок для моделирования эксплуатации вагонов // Вестник ВНИИЖТ. 1992. № 7. С. 25-31.
5. Когаев В.П., Лебединский С.Г. Развитие усталостных трещин в области влияния перегрузок // Проблемы прочности. 1985. № 11. С. 35-41.
6. Пестриков В.М., Морозов Е.М. Механика разрушения на базе компьютерных технологий. Практикум. СПб.: БХВ-Петербург, 2007. 464 с.
Москва
Поступила в редакцию 30.VI.2014
а
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.