ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 3, 2014
УДК 621.539.43.001.24
© 2014 г. Романов А.Н.
РОЛЬ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ В ФОРМИРОВАНИИ ДЕФОРМАЦИОННЫХ, ПРОЧНОСТНЫХ, ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН
Повышение прочности и надежности деталей машин и конструкций требует разработки и обоснования уточненных методов расчета долговечности и живучести на стадии проектирования и на стадии эксплуатации изделий при экстремальных условиях нагружения (большие переменные нагрузки, высокие температуры, вибрационные воздействия). Создание таких методов требует исследования закономерностей поведения конструкционных материалов и покрытий на основе проведения экспериментальных исследований при нагружениях в условиях, приближенных к эксплуатационным.
Значительное число современной техники, обладающей, как правило, высокой металлоемкостью, работает в экстремальных условиях: высокая силовая нагруженность, высокие температуры, вибрационные воздействия, агрессивная среда, переменные нагрузки, вызывающие во многих случаях в зонах концентрации напряжений значительные пластические деформации, многократное повторение которых приводит к накоплению повреждений (трещин) и в конечном счете — к разрушению. Исследование закономерностей развития разрушения на различных стадиях циклического деформирования и описании предельных состояний на основе использования критериев линейной и нелинейной механики разрушения, а также на использовании феноменологических подходов, основанных на экспериментальных данных, является важной фундаментальной научной и практической проблемой.
Исследование проблем конструкционного материаловедения в Институте машиноведения им. А.А. Благонравова РАН (ИМАШ) осуществляется в следующих основных направлениях: исследование сопротивления деформированию, предельных состояний и критериев разрушения металлических материалов и покрытий в связи с условиями нагружения на стадиях образования и развития разрушения (трещин), их структурным состоянием и технологией получения; моделирование и экспериментальное обоснование процессов деформирования и разрушения композиционных материалов в связи с их структурным состоянием и условиями нагружения в обеспечение прочности, живучести и безопасности конструкций ответственного назначения; управление структурным состоянием конструкционных материалов с целью повышения их прочностных и технологических свойств; исследование свойств материалов со специфическими свойствами (материалы с памятью формы, керамики, материалы, получение которых основано на явлениях волновой механики).
Исследования в рамках этих направлений включают в себя: исследование циклических и длительных статических свойств конструкционных материалов в условиях, приближенных к эксплуатационным; разработка и экспериментальное обоснование
критериев разрушения конструкционных материалов при циклическом, длительном статическом и неизотермическом нагружениях; исследование деформационных и прочностных свойств конструкционных материалов; упрочнение поверхностных слоев металлических материалов с целью улучшения их циклических и трибологических свойств конструкционных материалов; исследование физико-механическими методами процессов деформирования, разрушения и упрочнения конструкционных материалов при циклическом, длительном статическом и контактном нагружениях; исследование закономерностей деформирования и разрушения конструкционных материалов со специфическими свойствами при фазовых превращениях в процессе нагружения; разработка методов расчета напряженно-деформированных состояний элементов конструкций при циклическом, длительном статическом, неизотермическом и контактном нагружениях; разработка методов оптимизации свойств материалов в связи с их эксплуатационными условиями нагружения; получение и обоснование расчетных характеристик конструкционных материалов и их сертификация; исследование технологических свойств в связи с прочностью и износостойкостью конструкционных материалов; разработка методов упрочнения материалов и поверхностных слоев деталей машин; механика и микромеханика структурно-неоднородных и многофазных материалов на металлической основе; теоретические и экспериментальные исследования характеристик сопротивления усталости и деградации свойств материалов в ги-гацикловой области; создание комплексных моделей и критериев разрушения конструкционных и композитных материалов в зависимости от временных факторов и разработка структурно-феноменологических методов построения определяющих соотношений; разработка моделей деформирования и длительного разрушения конструкционных полимеров и полимерных композитов, включая процессы изготовления и прогнозирования механических характеристик с целью повышения работоспособности и долговечности элементов конструкций; исследование сплавов с памятью формы на базе математического моделирования фазовых превращений при описании процесса термомеханического возврата; исследование и разработка методов внешних воздействий с целью повышения технологических и эксплуатационных свойств традиционных и наноструктурированных материалов; разработка требований к созданию материалов с целью обеспечения их эксплуатационных свойств и созданию новых материалов; разработка новых технологий получения и упрочнения материалов на основе применения методов и эффектов волновой механики; создание методик и экспериментального оборудования для исследования физико-механическими способами свойств конструкционных материалов; разработка принципов выбора материалов при конструировании.
В рамках исследований по первому направлению были получены кинетические критерии, позволяющие описать уровни накопленных повреждений на любой стадии циклического нагружения и в предельном случае момент разрушения, причем как в области малоцикловой, так и в многоцикловой усталости, т.е. во всем диапазоне чисел циклов до разрушения [1, 2].
В предельном случае, когда наступает разрушение (образование трещины):
N
+ dN = 1, (1)
о £ о
где 8 — ширина петли гистерезиса в полуцикле растяжения; Ае — односторонне накопленная пластическая деформация в полуцикле растяжения; е — предельная деформация при статическом разрыве образца, соответствующая деформации перед потерей устойчивости пластической деформации; еуп = 8 + еу; еу — упругая деформация в полуцикле растяжения; N — разрушающее число циклов.
лтэксп p
107 106 105 104 103 102 101
100
/
/
/у V.*
/г ▼
•я/Ф о- •
ж
101
103
105
107
100 101
103
105
107
N расч p
Рис. 1. Сопоставление долговечностей, рассчитанных без учета повреждающей роли упругой деформации (а) и с учетом (б) по зависимостям (1) и (3), с экспериментальными данными, полученными при мягком нагружении
При еуп = const и 8 = const (например, для циклически стабильного материала или когда изменением ширины петли гистерезиса в процессе нагружения можно пренебречь) зависимость (1) можно записать в виде
8в„
8eynNp = е
-y-nNn = 1.
2 p
(2)
Проверка критериев (1) и (2) показала их хорошее соответствие эксперименту во всем диапазоне чисел циклов до разрушения, т.е. как в малоцикловой, так и в многоцикловой области.
Критерий (1) описывает кинетику накопления повреждений, предельным случаем которого является появление макротрещины.
Развитие описанных выше представлений на стадию развития трещины позволило получить критерии живучести материала (конструкции) в виде
np nP
rV-l-l-£dN + № dN = 1,
Г-Ш-LdN + [ J v2 J
(3)
c
0 с 0
где vp, vy, vyn, Av — пластическое (остаточное обратимое), упругое и упругопластиче-ское (обратимое) перемещение берегов трещины в полуцикле растяжения и односторонне накопленное раскрытие трещины в цикле соответственно, vc — предельное раскрытие трещины при однократном разрушении образца с трещиной.
Экспериментальная проверка критериев (1) и (3) подтвердила их справедливость (рис. 1).
Применение критерия (1) для оценки предельных состояний в локальных зонах циклически деформируемого материала в связи с деформационной и структурной неоднородностью позволяет описывать рассредоточенное трещинообразование [4].
Установлено также [3], что представление скорости развития трещин в зависимости от скорости накопленеия повреждений дает единую кривую циклической трещино-стойкости (рис. 2) независимо от типа конструкционных материалов и условий нагру-жения:
б
а
е
<п/аы 100
10-
10-
10-5 1 , 10-6
/-1
у Г
-А
Л* и
9
10-
10-
Рис. 2
10-1 ац/аш
100 Е
10-
10-
10-
10-4 „ 100
103 104 Ы, цикл
Рис. 6
Рис. 2. Единая (обобщенная) кривая циклической трещиностойкости конструкционных материалов Рис. 6. Кинетика накопления повреждений в сплаве АД-33 при программном нагружении (светлые точки, Ыр = 1302 цикла (75 циклов — мягкое нагружение + 25 циклов — жесткое нагружение +1202 цикла — мягкое нагружение); темные точки, Ыр = 371 цикл (25 циклов — жесткое нагружение +346 циклов — мягкое нагружение); светлые треугольники, — 1195 циклов (100 циклов — жесткое нагружение +1095 циклов — мягкое нагружение); темные треугольники, = 487 циклов (300 циклов — жесткое нагружение + 187 циклов — мягкое нагружение)
й = А1 ¿П, (4)
йЫ йЫ У '
где А1С — предельное приращение трещины.
Существование единого критерия разрушения (единой кривой усталости), единой кривой циклической трещиностойкости металлических материалов во всем диапазоне долговечностей (малоцикловая и многоцикловая усталость) независимо от типа материала, его структурного состояния (термообработки), вида нагружения (одноча-стотное, двухчастотное, асимметричное, с временными выдержками, программное), и условий (температура, частота) нагружения формулирует новые подходы к методам расчета долговечности и живучести конструкций, правилам выбора материала при конструировании, разработке новых материалов, методам их испытания и испытательной технике.
Разработана обобщенная модель нелинейного взаимосвязанного деформирования и разрушения повреждаемых поликристаллических сред при высокос
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.