автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Прочность и долговечность деталей машин и конструкций с учетом масштабного эффекта

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Козлов Михаил Борисович

ПРОЧНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И КОНСТРУКЦИЙ С УЧЕТОМ МАСШТАБНОГО ЭФФЕКТА

Специальность 05 02 01-Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидат технических наук

ООЗ <

Г

Нижний Новгород 2008

003167745

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшег профессионального образования

«Нижегородский гос\дарственный технический университет» Кафедра «Материаловедение»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

В А Ким

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

В И Муравьев кандидат технических наук А М Злыгостев

Ведущая организация Институт машиноведения и

металлургии ДВО РАН

Защита диссертации состоится 16 мая 2008 г на заседании диссертационного совета Д 212 092 01 при Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете по адресу 681013, г Комсомольск-на-Амуре, пр Ленина,27

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета

Автореферат разослан 15 апреля 2008г

Ученый секретарь Пронин А И

диссертационного совета ° к т н доцент

Общая характеристика работы

т

Актуальность темы Расчеты на прочность и долговечность материалов и деталей выполняются с учетом многих реальных факторов Факторы, как правило, снижают прочность и долговечность конструкционных материалов, деталей и элементов конструкций машиностроения В данном случае речь вдет о статической и циклической нагрузках, которым подвергаются детали машин и конструкций Следует ввести некоторые критерии, параметры, показатели сопротивления усталости и статической нагрузки За такие параметры приняты тангенсы углов наклона кривой усталости lgcr - Ige к оси деформации е Они представляются в виде отношений tgaw = digo / dlgN и tgaKy = diga / digs Одним из важных факторов, определяющих величины показателей tgaw и tgaKy, а стало быть прочность и долговечность деталей машин и конструкций является масштабный эффект Исследование влияния абсолютных размеров образцов (деталей) при прочих равных условиях на их прочность и долговечность получило название масштабного фактора или масштабного эффекта Природа этого эффекта неясна, и работа, направленная на исследование влияния абсолютных размеров на прочность и долговечность образцов (деталей) является весьма актуальной К настоящему времени накоплен определенный материал по исследованию масштабного эффекта, но он относится к области, так называемой "чистой механики" Предложено"несколько гипътез масштабного эффекта статическая, механическая, технологическая, энергетическая и т п Ни одна из них не дает полного объяснения природы эффекта Внесение ясности даже в некоторые элементы проблемы в целом представляет собой безусловную актуальность поставленной научной задачи В связи с тем, что подход к решению проблемы в целом с позиций механики не дает полных положительных результатов, очевидна необходимость исследований физики масштабного эффекта В этом и будет коренной вопрос актуальности данной работы Физика масштабного эффекта необходимо связана с поверхностными эффектами, происходящими в образцах (деталях) Такая направленность исследования актуальна

Все изложенное позволит получить новые характеристики, определяющие прочность и долговечность образцов (деталей) Актуальность ¿научной задачи заключается в том, чтобы эти

з<-

характеристики ввести в метод определения прочности и долговечности деталей машин и конструкций по эффектам, происходящим на их поверхности

Цель работы заключается в получении новых характеристик повреждаемости поверхности при изменении абсолютных размеров образцов (деталей) и в обосновании их применимости для прогноза кривых, усталости натурных деталей машин и конструкций

Научная новизна заключается в разработке элементов физики масштабного эффекта с позиций повреждаемости поверхности конструкционных материалов, в получении новых зависимостей показателей сопротивления усталости и статической нагрузки от абсолютных размеров образцов (деталей), в обосновании применимости новых характеристик поверхностных эффектов в методе прогноза прочности и долговечности деталей машин и конструкций по повреждаемости их поверхности, в установлении зависимости повреждаемости поверхности в виде полос скольжения от абсолютных размеров образцов (деталей) Д, при этом установлено, что с ростом Д уменьшается пластичность и коэффициент упрочнения поверхностного слоя

Практическая ценность работы заключается в том, что получены численные значения повреждаемости поверхности при статической и циклической нагрузках, а также показатели сопротивления названным нагрузкам В получении зависимостей повреждаемости поверхности от абсолютных размеров, частоты и асимметрии циклов, которые являются основой расчетного метода по определению прочности и долговечности конструкционных материалов В применении названных характеристик в прогнозировании кривых усталости натурных деталей автомобилей

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Детали машин и теория механизмов и машин» НГТУ 10 сентября 2001 г и 19 февраля 2002 г, на Международном форуме по проблемам науки, техники и образования, организованном Академией наук о Земле 3-7 декабря 2001 г (г Москва), на всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в машиностроении » 16-18 сентября 2002 г (г Арзамас)

Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 5 печатных раббтах о.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы (79 наименований) и приложения Ее объем составляет 132 страницы машинописного текста, в том числе 49 рисунков, 8 таблиц В приложение включены документы, подтверждающие практическое использование результатов работы на предприятиях г Н Новгорода ОАО НАЗ «Сокол», ОАО «Гидромаш»

Содержание работы В первой главе диссертации проанализировано влияние размеров образцов на величины характеристик прочности и пластичности Это свойство материалов принято называть масштабным эффектом В частности, в деталях, работающих при циклическом режиме нагружения, масштабный эффект определяется как отношение предела выносливости малого образца (детали) к пределу выносливости большого образца (детали) Влияние масштабного эффекта характеризуется также графиками зависимости характеристик прочности и пластичности от поперечного размера или площади поперечного сечения образца или детали

Далее в первой главе анализируются данные разных исследователей, касающихся влияния абсолютных размеров образцов на масштабный эффект

при усталости Разные исследователи указывали на то, что изменение масштабного эффекта происходит наиболее интенсивно в диапазоне поперечных сечений образцов (деталей), равных 10,30 и даже 50 мм Уделено большое внимание исследованиям влияние концентратора напряжений и напрессовок на масштабный эффект Результаты исследований разных авторов показали, что чем острее концентрация напряжений, тем сильнее проявляется масштабный эффект Концентратор напряжений усиливает масштабный эффект тем сильнее, чем прочнее метал Рассмотрено влияние материала образца на масштабный эффект Исследователи показали разные кривые зависимости масштабного эффекта от размера образца у разных сталей Например у углеродистых сталей масштабный эффект слабее, чем у легированных Испытания легированных и углеродистых сталей показывают, что масштабный эффект (е) в функции от размера образца деталей (Д) у легированных сталей располагается круче, чем-у углеродистых, т е в первом случае масштабный эффект проявляется сильнее

Далее рассматривается авторами влияние упрочняющей обработки на масштабный эффект Исследования показывают, что кривая зависимости масштабного эффекта от размера образца деталей упрочненных круче, чем у не упрочненных Следовательно, в первом случае масштабный эффект проявляется сильнее, чем во втором Рассмотрено влияние масштабного эффекта на характеристики прочности и пластичности материала при однократном нагружении Авторы работ установили, что с ростом абсолютных размеров образца снижаются относительное сужение, относительное удлинение, предел прочности, предел текучести Но есть и такие данные, которые указывают на то, что эти характеристики, особенно предел прочности, остаются постоянными В литературе предложено несколько гипотез масштабного эффекта Такие как, статистическая, энергетическая, технологическая, механическая По литературным данным можно сделать вывод, что ни одна из перечисленных гипотез не дает объяснения природе масштабного эффекта, как предпочтительная

Ряд исследователей придерживаются, так называемой, статистической теории масштабного эффекта, которая утверждает, что чем больше объем материла, тем больше дефектов в нем Стало быть, большие образцы разрушаются более «эффективно», чем малые Кроме того, имеет место увеличение запаса потенциальной энергии с ростом абсолютных размеров образцов (деталей), которая высвобождаясь, приводит к разрушению больших образцов быстрее, чем малых

До сих пор мы рассмотрели масштабный эффект практически с позиций механической прочности конструкционных материалов Однако есть другой взгляд, другая позиция при рассмотрении масштабного эффекта Этот взгляд заключается в том, что названный эффект изучается с позиций поверхностных эффектов Рассматривается как поверхность, так и поверхностные слои, имеющие свойства, как известно, отличные от свойств глубинных слоев материала Сначала прослеживается непостоянство свойств при переходе от поверхности вглубь образца (детали) одного размера Затем на этой основе анализируется изменение свойств образцов разных абсолютных размеров Доказывается разное поведение поверхностных слоев образцов с различными абсолютными размерами при их деформации

Выявлен параметр, характеризующий «стесненность» деформации образцов разных абсолютных размеров Разработана те о р и а$в а н н о г о

параметра, которая подтверждена экспериментально Установлено, что парамегр «сг есненности» деформации увеличивается с ростом абсолютных размеров образцов

В ряде работ описаны представления о влиянии поверхностных слоев и внешней среды на механические свойства металлов Это влияние во многом зависит от величины поверхностной энергии, которая в свою очередь зависит от размеров образца Учет поверхностных явлений, как показано в ряде работ, в случае ионных кристаллов приводит к тому, что энергия каждого иона зависит от его положения в теле Ряд авторов показал, что энергия поверхностного слоя, определяющая его толщину, является функцией размеров кристалла Это доказывает, что атомы в поверхностном слое большого образца расположены плотнее друг к другу, чем атомы в аналогичном слое малого образца Так же было показано, что коэффициент термического расширения изменяется обратно пропорционально от объема образца В настоящее время можно считать установленным тот факт, что в общем случае равновесные положения атомов зависят от их числа Равновесные положения в большом и малом образцах разные Вследствие уменьшения помех колебаниям атомов в малых образцах равновесные положения устанавливаются на большем расстоянии друг от друга, чем в больших образцах В связи с тем, что в большом образце на удельную площадь поверхности приходится больший объем, в нем создается избыток свободной энергии, приводящий, как известно, к увеличению поверхностного натяжения, следствием чего является увеличение плотности атомов

Исходя из изложенного, логически напрашивается вывод, что представляет интерес исследовать масштабный эффект с позиций поверхностных эффектов, эффектов градиента пластической деформации при переходе от поверхности к глубинным слоям металлических конструкционных материалов, что и было поставлено в задачу исследования Пластическая деформация, так или иначе, должна проявиться в виде нарушений (повреждений) поверхности образцов, каковыми очевидно будут полосы скольжения Насколько активны поверхностные слои видно не только при наблюдении повреждений поверхности, но и при деформировании в номинально упругой области деформации '

За показатели сопротивления усталости к однократному разрушению приняты tgav- с! ^б/'с!^ и 1§аКу=<1 ^а/с1 1«Е

Тангенсы углов наклона кривой усталости и кривой упрочнения

(^сг- ^Е) коррелируют между собой

Сопоставление двух наклонов tg а, и tg аку с учетом абсолютных размеров образцов, должно быть плодотворным В частности это поможет сделать шаг в раскрытии физики масштабного эффекта, что и входило в задачу исследования

Во второй главе описана методика исследования. В частности описан выбор материалов и образцов Нами выбраны стали, применяемые в производствах ОАО «Гидромаш», ОАО «ГАЗ» и ОАО НАЗ «Сокол» Исследования масштабного эффекта требуют испытать как можно более широкий круг конструкционных материалов, среди которых есть металлические материалы низкой, средней и высокой прочности Для исследования физики масштабного эффекта применялись материалы, имеющие стабильную кристаллическую структуру Образцы отжигались, подвергались закалке и поверхностному упрочнению Материалы испытывались при деформациях растяжения-сжатия, плоского изгиба и при изгибе вращающихся образцов Испытания образцов производилось на установках и на стандартных машинах МУИ-6000, МУП-20, УММ-50, УММ-5

Далее описываются устройство установок и принцип их работы для испытаний на усталость по схемам изгиб вращающегося образца и плоский поперечный изгиб

Цилиндрические образцы испытывались на усталость на установке, в которой действует схема изгиба вращающегося образца

Плоские образцы испытывались на много цикловую усталость на установке, в которой осуществлен плоский поперечный изгиб Нагружающая система машины при помощи шатуна и эксцентрика создает перемещением ползуна, на котором жестко закреплен конечный выключатель Конечный выключатель посредством вибратора связан с образцом, который жестко закреплен одним концом в опоре Регулируя положение эксцентрика, можно изменять величину нагрузки Образец устанавливается в опору и закрепляется жестко в ней Второй конец образца жестко крепится к вибратору нагрузочного устройства

Была сконструирована и создана электромагнитная резонансная установка, позволяющая проводить испытания на усталость при знакопеременном консольном изгибе Нагружение «мягкое»

Изменение амплитуды колебания образца в процессе циклического

деформирования определяется с помощью индукционных датчиков, что и характеризует упрочнение или разупрочнение материала К нижнему концу образца прикреплен вибратор (сердечник), изготовленный из технического железа

Амплитуда колебаний образца «А» зависит от величины токов, питающих катушки постоянного и переменного тока и собственной частоты колебания системы вибратор-образец, зависящей от констант упругости образца и длины вибратора Путем изменения длины и массы вибратора собственную частоту системы вибратор-образец подбирается равной 50 Гц Имеется тарировочный график а=ДА)

Амплитуду колебания определяют перемещением ползуна индикатора до контакта с вибратором При этом замыкается электрическая цепь (о чем свидетельствуют показания милливольтметра) Затем с помощью винта, установленного на индикаторе, отводят контакт индикатора на необходимую амплитуду колебания вибратора Схема нагружения такова, что упрочнение и разупрочнение фиксируется изменением амплитуды «А»

Для измерения термической деформации цилиндрических образцов разных абсолютных размеров было использовано специальное устройство, позволяющее фиксировать приращение размеров в разных направлениях

В нашей работе определялись приращения начального диаметра образцов (<у Кварцевый прибор позволял проводить измерения приращения с!0 бесконтактным способом при использовании луча лазера С помощью луча лазера и специальной шкалы измеряется угол поворота зеркала, что собственно и давало возможность фиксировать температурную деформацию материалов(е)

Деформация подсчитывается по формуле

Ы 1г с1о А?

где с!о - начальный размер образца, Ь и Ь - константы устройства, А1 -отклонение луча лазера

В дальнейшем описывается подготовка образцов к проведению исследований микроструктуры Подготовка образцов для проведения исследования микроструктуры проводилась до циклического

нагружения Методика приготовления шлифов на образцах известна и широко опубликована Применялась электролитическая обработка шлифов

Микроструктура исследовалась на определенных уровнях напряжений, выбранных по кривым усталости Наблюдения изменений микроструктуры производились в динамике Для этого применялись микроскопы МИМ-7, МИМ-8 и ЭПИТУП-2 Кроме оптических микроскопов применялся электронный ЭМ-5 Микроскоп ЭПИТУП-2 применяется в сочетании с микро установкой МФН-1 для фотографической записи результатов наблюдения

Следующим этапом главы второй было описание методики обработки экспериментальных данных и точности эксперимента

Кривые усталости в логарифмических координатах представляют собой прямые линии или две прямых с изломом Левая ветвь может быть представлена следующим образом

\£<г = ^о)0+крЛ^ (2)

где кр - коэффициент регрессии, а точнее тангенс угла наклона прямой а )

и-'

Кривая усталости ст - N должна иметь вид 1§сг = (1§сг)0-^а„1§ЛГ (3)

Наклон, или коэффициент регрессии, вычисляется по формуле

где п - число экспериментальных данных

Точность прикладываемых напряжений рассчитывалось в частных производных Ошибка в их измерениях укладывалась в 2 5 %

В третьей главе освещаются результаты экспериментов и их обсуждений Прежде всего высказывается представление природе масштабного эффекта

Из теоретических положений работы Д И Шетулова следует, что свойства материала являются функцией поперечного размера детали

4 = (4)

где Ас свойства в приповерхностном слое, К - переменный радиус образца, отсчитываемый от поверхности в глубь образца, (/4*)4 -

свойства внутренних (глубинных) слоев материала,(АС)Ь « Асна пологом участке эксперимента, q - интенсивность функции Ас(мм '), которая определяется как отношение поверхности (£) к объему образца

(У)

Из выражения (4) следует, что интенсивность убывания функции Ас зависит от отношения площади поверхности к объему детали Срезая слои толщиной (j) можно получить ряд экспонент образцов радиуса R (рис 1) В результате возрастает показатель q

Возрастание q указывает на увеличение функции интенсивности Ас экспоненты при срезании j-ro слоя будут возрастать (рис 1 ) Вследствие причин, указанных в настоящем разделе, отклонение экспоненты на пологом участке мало вероятно, но q увеличивается и кавдая последующая экспонента должна отклоняться от первоначальной Не нарушение

плавности экспонент требует того, чтобы (Ас )0 как функция поперечного размера возрастала с уменьшением Я, то есть

где (Ас )0 - стремиться при достижении Rt = /?тп к приблизительно постоянному значению, то есть "затухает"

На рис 1 видно, что при совмещении бесконечно малых частиц, расположенных в поверхностных слоях больших и малых образцов, можно установить разное число соседних частиц в том и другом случае В большом образце, у поверхностной частицы, соседей больше, чем в малом, т е плотность приповерхностных слоев снижается Это обстоятельство влияет на величину линейно-объемной термической деформации, что и было проверено путем измерения этой деформации на примере меди Измерения показали на увеличение термической деформации при уменьшении абсолютных размеров образцов

Можно предполагать, что как плотность упаковки, так и

потенциальная энергия связи в приповерхностных слоях больших

-i

образцов должна быть выше, чем в малых Если некоторые свойства вещества ак, а в поверхностных слоях ако, то на основании изложенной

выше теории можно получить ак = е~чЯ

Далее в третьей главе описывается влияние масштабного эффекта на повреждаемость и сопротивление усталости Крупномасштабные образцы по сравнению с малыми, разрушаются более хрупко Наклоны кривых упрочнения, как известно, представляют собой коэффициенты деформационного упрочнения 1§бку Чем больше образец, тем материал менее способен к упрочнению уменьшается с увеличением

поперечных размеров образцов

Объем малых образцов как бы в более полной мере подвергается пластической деформации (градиент пластической деформации от поверхности к центру мал), в то время как в больших образцах наблюдается другая картина их объем деформируется пластически в разной степени - с большей вероятностью можно найти участки или объемы, не подвергающиеся воздействию пластической деформации Градиент нарастания пластической деформации от поверхности к центру у них более заметен Для подтверждения этого эффекта измерялась температурная деформация в радиальном направлении цилиндрических образцов, изготовленных из меди Деформация подсчитывалась по формуле (1) Деформация в малых образцах проходит "более свободно" А это облегчает пластическую деформацию весьма тонкого поверхностного слоя, что в свою очередь увеличивает градиент скорости пластической деформации на поверхности больших образцов после определенной задержки, которая занимает больший промежуток времени, чем аналогичная задержка у малых образцов

1 1 ! ¡2 >3 и * V

-« а, ------------►

Рис. 1. Влияние поперечного размера образца (детали) на активность при поверхностных слоев вследствие их неуравновешенности

а) при «срезании слоев»

б) при условном совмещении частиц поверхности малого и большого образцов

Лавинообразное движение дислокаций начинается у больших и малых образцов в разное время: у малых раньше, чем у больших.

Сказанное хорошо было проиллюстрировано исследованиями микроструктуры, полученными в результате испытание на сжатие больших и малых образцов, изготовленных из одной штанги стали марки Ст. 3 и алюминия. Малые образцы вырезались из центра штанги и из ее поверхностных слоев и при их деформации полосы скольжения возникали

на поверхности гораздо раньше, но плотность их меньше, чем у больших В больших образцах полосы скольжения имеют другой характер и другую плотность Испытания на усталость образцов из меди, сплава АМГ -2, сталей марок 30ХГСН2А, Ст 3,ЭП-54 и 12Х18Н10Т показали, что с ростом абсолютных размеров образцов наклон кривых усталости увеличивается

Эксперименты выявили наличие полос скольжения на поверхности образцов всех испытанных материалов Однако оказалось, что образование этих полос зависит от масштаба образца в больших образцах полосы скольжения более развиты и их интенсивность выше, чем в малых, что свидетельствует о более развитом поверхностном эффекте в первом случае Это в свою очередь говорит о более сильно развитом поперечном скольжении в поверхностном слое больших образцов В результате оказывается, что чем сильнее развито поперечное скольжение, тем круче наклон кривых усталости к оси N и тем хуже материал сопротивляется усталости

Далее в третьей главе говорится, что повреждаемость поверхности, в виде полос скольжения напрямую связана с показателями сопротивления усталости и статической нагрузке Полосы скольжения трактуются так, что они есть следствие поперечного скольжения расщепленных дислокаций Поскольку масштабный эффект рассматривается с позиций поверхностных эффектов, то очевидно, что прежде всего надо рассматривать эти эффекты автономно и на примере разных классов материалов Показано, что автор работы выбирал материалы так, чтобы исследовать эффект поверхностной повреждаемости, когда этот процесс, в разной степени, заторможен и когда происходит интенсивно.

Исследования повреждаемости поверхности разных сплавов и чистых металлов показывают, что на левой ветви кривой усталости ответственным за зарождения усталостного повреждения является поперечное скольжение расщепленных дислокаций

Далее в третьей главе речь идет о корреляции повреждаемости поверхности с показателем сопротивления усталости и статической нагрузки при изменении абсолютных размеров образцов (деталей)

Наличие полос скольжения позволяет давать оценку повреждаемости поверхностного слоя образца (детали) Повреждаемость можно оценить качественно Качественной мерой оценки повреждаемости

является внешний вид (характер) полос скольжения и ич плотность Чем легче проходят физические процессы упрочнения-разупрочнения в материале поверхностного слоя образца (детали), тем должны быть более развиты полосы скольжения в смысле их ширины и прерывистости и тем больше повреждаемость поверхности Плотность широких извилистых и прерывистых полос скольжения также служит показателем повреждаемости материала активного слоя образца (детали) Имея экспериментальные данные в виде микроструктуры с полосами скольжения, можно подсчитать количественно повреждаемость Ф

ПЛ «П2 Р-

Ф

«я п П1 Гобр

гдепл - количество зерен на микроструктуре, пз2- количество поврежденных зерен, пзЪ - разница между числами зерен неповрежденных и поврежденных по всей их площади, из4 - количество зерен, поврежденных широкими полосами скольжения, пт - общее количество полос в поврежденных зернах, пП2 -количество широких, извилистых и прерывистых полос скольжения, - площадь микроструктуры, Ро6р- площадь образца в зоне деформации

Как было показано, при изменении абсолютных размеров образцов (деталей) изменяются плотность и активность атомов в поверхностных слоях Чем больше деталь (образец), тем больше плотность и менее активность атомов в этих слоях Коэффициент упрочнения уменьшается с ростом абсолютных размеров образцов (деталей) Изменение названных параметров приводит к изменению повреждаемости Ф материала поверхностных слоев

У больших образцов повреждаемость больше, чем у малых

Повреждаемость Ф определяет показатели сопротивления усталости tgбw и статическому нагружению бку Увеличение Ф с ростом Б приводит к ухудшению сопротивлению усталости б^ и статической нагрузке tg бку Параметр щ увеличивается, а Суу, наоборот, уменьшается Четвертая глава посвящается описанию взаимосвязи параметров усталости и статического нагружения конструкционных материалов, а так же практической ценности исследования Прежде всего обсуждаются параметры сопротивления усталости и статической деформации, их взаимосвязь и практическое

применение

Экспериментальные данные нашего исследования позволяют связать tg аж с повреждаемостью поверхности Ф (рис 2), а также с коэффициентом деформационного упрочнения а^ и пределом усталости (рис 3) с учетом не только масштабного эффекта, но частоты и асимметрии цикла нагружения Учитываются и другие факторы Наличие показателя сопротивления усталости позволяет определить предел выносливости либо по формуле,

о , = А

•а

р

и V;

В

а X

Я »

N

1—»

о о

"Г?

к

и о о

ю ы

р »

я о

о №

я о

я р

2 С 8 Р н ч р 2

§ •г»

3

л)

о £ Я

69

4

п>

•а

к р

¡э о се

я я

о

я Е н р я я ¡а X

3=1 о

а »

V;

3

ё

о

я о н

я о ш

•о

о *

й р

о К о о н я

ш

Показатель сопротибления усталости

г«

« * .0 КЦ,.

Рис 3 Зависимость предела усталости различных сплавов на базе 10' циклов от показателя сопротивления усталости при изменении абсолютных размеров образцов »

либо по кривой на рис 3 Наличие упомянутых данных позволяет построить прогнозируемую кривую усталости

Прогноз основан на связи показателя сопротивления усталости конструкционных материалов - наклона кривой усталости точнее ее левой ветви к оси циклов (]М) с повреждаемостью (Ф) Повреждаемость поверхности представляется зависящей от характерных параметров микроструктуры, поврежденной в результате циклической нагрузки, приложенной к образцам В сущности, эта зависимость описывается системой дифференциальных уравнений

+ . +спг8ак(к\Ф0) = гёа№{к), (5)

где Ф0 = 0, к = 0,1,2, , п — 1, определитель которого имеет вид

д = 0*3-4). ХК-К-1) > (6)

Показательпредставляет собой характеристику зависимости tgav от Ф при воздействии того или иного фактора,

1ёат=ех'ф , (7)

Значения Я в настоящей работе мы определили для асимметрии (Я1с), частоты циклов ), масштабного эффекта (А,, 1), построив для этого спрямленные графики в логарифмических координатах Каждая экспериментальная кривая вида (7) начинается от минимальных средних значений и Ф0 По этим величинам была построена отдельная

зависимость =/(А) при Ф0 =0 и определенное значение Я0

Расчет прогнозируемого наклона кривой усталости детали ведется по второй строке системы уравнений (5)

+ С^а^ + С^ССЛ. + . + с^а^ + = 1%а1Уп , (8)

Константы интегрирования определяются как

с' ~ Д '

Д считается по выражению (6), а д, получается путем замены Гго столбца определителя (6) на ^

й

Каждый в выражении (8) имеет конкретный образ, например,

где мэ - означает масштабный эффект и т п

После определения констант интегрирования

необходимо подставить значения при соответствующих величинах факторов

В четвертой главе выполнен прогноз прочности и долговечности деталей автомобиля

Рассчитываем кривую усталости шатуна, изготовленного из стали

марки 40Х Учитываем факторы частоту циклов, асимметрию нагружения и масштабный эффект Выражение для определения прогнозируемого наклона натурной детали имеет вид

Определитель системы уравнений

После выполнения операций рассчитываем приращение прогнозируемого наклона кривой усталости шатуна Имеем выражение вида = -0,06074+ 0,52056+ 0,539б1ёа№м, , Тогда имеем

гяа^--0,06074 0,17 + 0,52056 0,05 + 0,5396 0,32 18а„п =0,1884

Учитывая известный, из работы, наклон кривой усталости, построенный по результатам испытаний лабораторных образцов, получаем - 0,3221 Далее по формуле (4) определяем предел усталости шатуна

198,75 мПа Строим прогнозируемую кривую усталости и устанавливаем, что

?

прогнозируемая кривая усталости хорошо совпадает с результатами натурных испытаний

Далее рассмотрены результаты наших исследований в сравнении со

стендовыми испытаниями натурных деталей автомобилей Превышение прогнозируемых пределов выносливости, по сравнению с экспериментальными, составляет долю около 10% (в среднем) В этих пределах будет и отклонение прогнозируемых кривых усталости деталей автомобиля

Следующим этапом настоящей работы было выполнение прогноза прочности и долговечности шлиц-шарнира шасси самолета Система уравнений для прогноза приращения показателя сопротивления усталости имеет вид

где к=0 1 и 2, со, к и м э - обозначают частоту циклов нагружения, концентрацию напряжений и масштабный эффект Поступая аналогично вышеизложенному получаем выражение

=-° 19263/^а^ +1 152бгу«„ + 0 044004-%«^ ^ , Используя данные, полученные в диссертации, подставляя значения факторных параметров > 18ап, и .получаем =02228,а

затем и величину прогнозируемого наклона кривой усталости шлиц-шарнира + 0 0926 — 03154, где 00926 наклон кривой усталости образцов По

Л(еа[У)2 +1

формуле 1 = Л———- , подсчитываем предел усталости

детали о.1=202 2 МПа

Результаты настоящего исследования использованы для увеличения долговечности детали пресса Я06017А, установленного в технологической линии ОАО НАЗ «Сокол» Деталь имеет долговечность равную 165000 циклов нагружения, вместо 45000 циклов, которые она имела ранее

Общие выводы

1 Предложены элементы трактовки физики масштабного эффекта с позиций не идентичности состояния поверхностных активных слоев образцов (деталей) различных абсолютных размеров

2 Установлено, что различие состояния поверхностных слоев приводит к изменению способности металла к упрочнению образцов (деталей) разных абсолютных размеров

3 Установлено, что повреждаемость поверхности в виде широких полос скольжения усиливается с ростом абсолютных размеров образцов (деталей)

4 Установлено, что с ростом абсолютных размеров образцов (деталей) показатели сопротивления усталости и статической деформации ухудшаются

5 Получены новые зависимости повреждаемости поверхности от абсолютных размеров образцов (деталей), частоты и асимметрии циклов

6 Получены новые зависимости показателей сопротивления усталости и статической деформации от факторов по пункту 5а

7 Применены зависимости, показанные в пунктах 5 и 6, в новом методе оценки прочности и долговечности деталей машин и конструкций по повреждаемости поверхности

8 Выполнен прогноз прочности и долговечности натурных деталей автомобилей производства ОАО "ГАЗ", ОАО НАЗ «Сокол», ОАО «Гидромаш»

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах1

1 Шетулов Д И , Козлов М Б , Андреев В В О взаимосвязи параметров сопротивления усталости и статической деформации с повреждаемостью поверхности при изменении абсолютных размеров образцов (деталей) // Новые технологии в машиностроении, металлургии, материаловедении и высшем образовании Межвуз сб науч тр -Н Новгород,2001 С 174-179

2 Шетулов Д И , Козлов М Б , Андреев В В О влиянии поверхностных явлений на масштабный эффект И Новые технологии в машиностроении, металлургии, материаловедении и высшем образовании Межвуз сб науч тр -Н Новгород,2001 С 179-183

3 Шетулов Д И , Андреев В В , Козлов М Б , Кравченко В Н Прогноз разрушения металлических материалов при действии циклических нагрузок // Тр Междунар Форума по проблемам науки, техники и образования Т 2 -М АНЗ,2001 С 49-51

4 Козлов М Б , Лукьянов М Н , Шетулов Д И О масштабном эффекте при усталости конструкционных материалов // Будущее технической науки Нижегородского региона Тез докл регион молодежного науч -техн форума, Н Новгород, 14 мая 2002 г С 204

5 Шетулов Д И , Андреев В В , Козлов М Б Кравченко В Н Расчеты прочности и долговечности материалов на основе взаимосвязи параметров сопротивления усталости и статической деформации // Изв высших учебных заведений Черная металлургия Москва,2003 С 5456

С)