автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование влияния термической предыстории машиностроительных сталей на долговечность металлоконструкций

На правах рукописи

СКРИПКО Алексей Леонидович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПРЕДЫСТОРИИ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ СТАЛЕЙ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ МЕТАЛЛОКОСТРУКЦИЙ

Специальность 05.16.01 Металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток 2004

Работа выполнена в Дальневосточном государственном техническом университете им. В. В. Куйбышева

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Г. А. Лаврушин

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, Г. В. Матохин кандидат технических наук, профессор, Б. К. Бобылев

Ведущая организация: ОАО Дальневосточный научно-исследовательский проект-

но-изыскательский и конструкторско-технологичес-ский институт морского флота ДНИИМФ

Защита состоится « в » 2004г. в ^ часов в ауд. 301ена заседании

диссертационного совета К 212.055.05 в Дальневосточном государственном техническом университете по адресу: 690950, г. Владивосток, ул. Пушкинская, 10, ДВГТУ (ауд. 307 главный корпус).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДВГТУ.

Ваши отзывы на автореферат в 2-х экземплярах с подписями, заверенными печатью учреждения. Просим высылать на имя ученого секретаря диссертационного совета по указанному адресу.

Автореферат разослан «^-5» 2004г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Проектирование конкурентоспособных образцов техники и оценка остаточного ресурса сооружений требует постоянного совершенствования методов расчета прочности и долговечности, учитывающие влияние технологической наследственности.

При анализе повреждений конструкций перегрузочных комплексов в качестве одной из причин их появления являются ошибки при проектировании и проведении технологических операций. Конструкции проектируют и создают на основе действующих норм, опыта и традиций. Причины повреждений связаны с отсутствием необходимых на данном этапе новых знаний. Сказанное можно отнести к усталости материалов конструкций перегрузочных комплексов. Решение этой задачи далеко от завершения, о чем говорит не уменьшающееся количество усталостных повреждений конструкций грузоподъемных машин. В последние два десятилетия порты Дальнего Востока были оснащены перегрузочными комплексами зарубежного производства. Как правило, эти конструкции проектировались для благоприятных условий в отличие от дальневосточных регионов, где преобладает муссонный климат, сопровождаемый ветровыми нагрузками и резкими колебаниями температур. Это заставило обратиться к оценке усталостной прочности конструкций.

Вопросы обеспечения прочности деталей машин и элементов конструкций с учетом технологической наследственности (термообработки) в условиях работы при переменных нагрузках в современном машиностроении имеют большое значение. По мере повышения скоростей работы и нагруженности машин явления усталости становятся все более опасными для надежной эксплуатации. В связи с этим важное значение приобретает возможность точного предсказания длительной безопасной работы в условиях нестационарной напряженности, обычно имеющей место при эксплуатации машин и механизмов.

Некоторые аспекты проблемы многоцикловой усталости металлов возникли относительно недавно и находятся еще на стадии разработки. К таким аспектам относятся прогнозирование долговечности с позиции термодинамики необратимых процессов в условиях сложного режима нагружения с различной асимметрией цикла. Для характеристики сопротивляемости металла действию переменных напряжений с различной асимметрией цикла строится диаграмма предельных напряжений, которая требует своего дальнейшего совершенствования.

Существующие условия эквивалентности циклически напряженных состояний и формулы суммирования усталостных повреждений применимы лишь при значительных ограничениях. Кроме того, ощущается недостаточность экспериментальных данных о влиянии различных видов термообработки на механические и термодинамические характеристики, влияющие на многоцикловую усталость сталей. Поэтому рассматриваемая задача построения и экспериментальной проверки расчетных методов оценки уст долговеч " гскойе -

дыстории является весьма актуальной.

Цель работы - теоретическое и экспериментальное обоснование критериев усталостной прочности, учитывающее влияние вида термообработки, и оценка ресурса элементов конструкций при разных коэффициентах асимметрии цикла на основе термодинамики необратимых процессов и феноменологического подхода.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Проанализировать причины усталостных повреждений элементов конструкций перегрузочных комплексов и установить особенности процесса усталостных повреждений.

2. Экспериментально исследовать влияние термической предыстории машиностроительных сталей на долговечность металлоконструкций с позиции термодинамики необратимых процессов.

3. Изучить закономерности накопления повреждающей энергии в процессе циклического деформирования сталей после термообработки.

4. Установить особенности силового подхода оценки долговечности сталей при циклическом нагружении.

5. Предложить критерии оценки влияния термообработки сталей на долговечность металлоконструкций.

6. Осуществить внедрение и практическое использование результатов исследования.

Методы исследования. При решении вышеуказанных задач были использованы современные методы исследования закономерностей накопления усталостных повреждений: термодинамика необратимых процессов, теория усталости, механика разрушения, строительная механика, механика деформированного твердого тела. Использованы экспериментальные методы ряда авторов, натурные опыты на реальных конструкциях. При обработке результатов экспериментов применялись методы математической статистики, вычислительная техника.

Научная новизна работы.

1. Исследованы закономерности накопления повреждающей энергии машиностроительных сталей после термообработки при разных коэффициентах асимметрии цикла.

2. Разработана методика расчета поврежденности и ресурса машиностроительных сталей с учетом влияния термической предыстории. Подтверждена линейная гипотеза суммирования повреждений.

3. Получены энергетические и механические критерии усталостной прочности машиностроительных сталей после разных видов термообработки. Показана их работоспособность при проектировании и оценке ресурса деталей машин и элементов конструкций.

4. Доказано влияние термообработки на параметры полученных критериев усталостной прочности.

Практическая ценность работы. Результаты работы использованы при проведении исследований в рамках трех научно-технических программ:

1. «Разработка методики определения предельного состояния конструкций перегрузочных комплексов при эксплуатации в условиях Дальнего Востока» - в рам-

ках межвузовской региональной программы «Научно-технические и социально-экономические проблемы развития Дальневосточного региона России», 2000-2003 годы.

2. «Теория и методы исследования предельных состояний тонкостенных конструкций и стержневых систем» - в рамках межвузовской научно-технической программы Министерства образования Российской Федерации, 2000-2003 годы.

3. Разработка и исследование принципов расчета усталостной прочности конструкций - в рамках межвузовской научно-технической программы Министерства образования Российской Федерации, 2000-2002 годы.

Результаты экспериментальных исследований процесса накопления повреждений с учетом технологической наследственности и полученные расчетные зависимости были использованы при оценке ресурса деталей машин и элементов конструкций перегрузочных комплексов порта «Восточный». Теоретический и экспериментальный материал нашел практическое применение в учебном процессе ДВГТУ по дисциплинам: теория трещин, прочность материалов и конструкций, детали машин.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика исследования необратимых затрат энергии при циклическом деформировании образцов после термообработки в условиях одноосного напряженного состояния в рамках термодинамической концепции усталости.

2. Результаты экспериментального исследования кинетики накопления повреждений в машиностроительных сталях после различной термообработки при циклическом деформировании в области многоцикловой усталости.

3. Критерии усталостной прочности с позиции термодинамики необратимых процессов.

4. Критерии усталостной прочности с позиции феноменологического подхода.

5. Основы методики оценки остаточной долговечности элементов машин и конструкций перегрузочных комплексов.

6. Оценка влияния термообработки на долговечность элементов деталей машин и конструкций.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных и региональных конференциях в том числе: Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения, 4-я Международная конференция по "машиностроению в Санкт-Петербурге (2001); конференции преподавателей и сотрудников ДВГТУ (ДВПИ) (2000-2003); научно-техническая конференция ДВГТУ «Вологдинские чтения» (2000-2002); Fourth and fifth International Young Scholars Forum of the Asia-Pacific Region Countries (2001,2003).

Разработки научно-исследовательской работы нашли практическое применение при проведении модернизационных работ различных конструкционных узлов перегрузочных комплексов ОАО «Восточный порт»

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе: 2 в материалах международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Она содержит 126 страниц машинописного текста, 72 рисунка, 24 таблицы, а также список литературы из 119 наименований на 11 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дан краткий анализ состояния проблемы усталостной прочности деталей машин и элементов конструкций и обоснована актуальность работы, сформулирована общая цель и основные задачи. Перечислены полученные результаты, выносимые на защиту. Приведены данные об апробации и публикациях, а также структура работы.

В первой главе выполнен анализ причин усталостных повреждений деталей машин и элементов конструкций, вызванные переменными напряжениями в процессе эксплуатации. Трещины усталости проявляются в районе концентраторов напряжений. К источникам повышенных напряжений относятся радиусные переходы ступенчатых валов, отверстия, узлы пересечения и соединения различных связей, дефекты проката и сварных швов. В этой главе также приведены данные о характерных повреждениях, встречающихся при обследовании и проведении натурных экспериментов на перегрузочных комплексах порта «Восточный». Часть натурных исследований проводились с участием автора, а именно: исследование прочности элементов конструкций на перегрузочных комплексах (стакер, реклай-мер), а также исследование причин разрушения мостового перегружателя (рис. 1, 2). Большое количество усталостных трещин и пластические деформации привели к катастрофическому разрушению. Такие повреждения элементов конструкций характерны и для вагоноопрокидывателей, пересыпных станций и т. д.

Рис.1. Мостовой перегружатель Рис. 2. Мостовой перегружатель

(общий вид) (разрушение)

Анализ опубликованных работ по оценке накопления повреждений показал, что данная проблема далека от своего завершения. Поэтому необходимы дополнительные исследования по совершенствованию методов расчета ресурса деталей машин и элементов конструкций с учетом технологической наследственности при создании подобных сооружений.

Во второй главе рассматривается термодинамический метод исследования усталости материала на примере сталей 45 и 40Х. Выбор этих материалов обусловлен неоднократным разрушением деталей машин и элементов реальных конструкций перегрузочных комплексов порта «Восточный». Режимы нагружения образцов на усталость обосновывался по натурным опытам на грузоподъемных машинах. Опыты по оценке поврежденности, как правило, проводились для одноосного напряженного состояния при симметричном цикле Я = -1 и коэффициентах асимметрии цикла Я = -0,6; -0,33. Диаметр образцов принимался равным 8 -МО мм, с длиной рабочего участка 100 мм. Эти образцы были подвергнуты следующим видам термообработки: нормализация, улучшение, отжиг.

Оценка термодинамических характеристик материала проводилась по методике разработанной проф. В. В. Федоровым, которая была реализована на кафедре сопротивления материалов ДВГТУ. В качестве примера на рис. 3 показана установка для испытания образцов на циклическое растяжение - сжатие. На рис 4 представлена принципиальная электрическая схема измерения необратимых затрат энергии при циклическом деформировании.

10 23 4 5619 78

Рис.3. Установка дая испытаний на циклическое растяжение-сжатие сплошных цилиндрических образцов: 1 - образец; 2 - электродвигатель; 3 - ременная передача; 4 - эксцентрик; 5 -направляющая втулка; 6 - ползун; 7 - упругий нагружающий элемент; 8 -опора; 9 - регулировочный болт; 10 - счетчик циклов.

Исследование необратимых затрат энергии при циклическом деформировании основано на использовании фазометрического метода, позволяющий проводить измерения сдвига фаз между напряжением и деформацией, который имеет место при поглощении материалом энергии.

гии при циклическом нагружении в условиях одноосного и плоского напряженного состояния: 1 - датчик; 2 - усилитель измерительный; 3 - узкополосный фильтр; 4 -цифровой вольтметр; 5 - цифровой фазометр; 6 -двухканальный осциллограф.

Исследование закономерностей неупругих деформаций Аен инеобратимо-

затаченной за цикл энергии циклических деформаций AW проводилось по методу динамической петли гистерезиса в его фазометрической интерпретации при одновременном измерении тепловой составляющей внутренней энергии.

Измерения площади петель гистерезиса для всех асимметрий цикла от начала и до момента разрушения описывается выражением

А = клав (1)

где а, в - полуоси петли; к - по данным эксперимента принималась 1,08.

На рис. 5 показан вид петли гистерезиса с постоянной амплитудой деформации. Петли гистерезиса записывались на графопостроителе Н 302, которые имеют форму, близкую к эллиптической.

С учетом поправочного коэффициента к площадь петли гистерезиса имеет

вид:

= БШф. (2)

где <р - сдвиг фаз между напряжением а, и деформацией еа.

Многократными калибровками измерительных каналов напряжений и деформаций были определены относительные погрешности, которые составили соответственно 0,18% и 0,45%.

Измерение фазовых сдвигов проводилось с точностью до 0,01°, при соответствующей погрешности 0,12%.

Суммарная погрешность определения необратимо затраченной энергии при этом не превышает 0,445%.

Для измерения рассеиваемой в виде теплоты части необратимо затраченной при циклическом нагружении энергии используется метод длинного стержня, который применяется при измерении теплофизических свойств металлов. Схема установки для тарировки и измерения тепловых потоков в процессе испытания приведена на рис.6.

Большая часть тепла, выделяющегося при циклическом деформировании рабочей части образца, идет в захваты машины. Возникающие при этом температурные перепады между рабочей частью образца и захватами, зависящие от мощности тепловыделения и характеризующие тепловой поток рассеивания, измеряются дифференциальными термопарами Я/ и Я^ (см. рис. 6). Суммарный тепловой

пото / ц + Ц \ сЦИбй среднего арифметического этих температурных перепа-~ т— ™ева ^ — п"

характеризует теплосодержание материала, которое, как показали опыты испытаний на многоцикловую усталость (температура- <323 К), в общем энергетическом балансе пренебрежимо мало.

Несмотря на сравнительно низкую теплопроводность воздуха, в силу большой боковой поверхности образца некоторое количество тепла отводится через эту поверхность, т. е. минуя измерительные каналы термопар Я; и Я; .Так как эти потери зависят от температуры воздуха, с ростом температуры потери уменьшаются, возникает необходимость либо в стабилизации боковых потерь, либо в их полном устранении.

Осуществлялось полное устранение тепловых потерь через боковую поверхность путем создания встречного теплового потока равной мощности. Величина этого потока автоматически регулируется по методу охранной поверхности (см. рис. 6). Тарировка устройства заключается в пропускании через нагреватель тарировочного устройства тока заданной мощности. При этом при помощи охранного устройства вся выделяющаяся теплота отводится вдоль образца, что дает возможность откалибровать термопары по мощности теплового потока.

Для непрерывного процесса циклического деформирования изменение потенциальной составляющей внутренней энергии определяется по выражению

В процессе усталостных испытаний образцов исследуемого материала большая часть затраченной энергии циклической деформации трансформируется в тепловую энергию р, которая частично накапливается в деформируемых объемах в виде тепловой составляющей внутренней энергии ит и рассеивается в окружающую среду за счет теплообмена. В соответствии с термодинамической теорией твердое тело считается разрушенным, если хотя бы в одном макрообъеме, ответственном за разрушение, плотность внутренней энергии достигает критической величины

Здесь Дие- потенциальная составляющая внутренней энергии связана с искажением структуры и накоплением в деформируемых объемах различного рода элементарных дефектов их скоплений, субмикро - и микроскопических нарушений сплошности (пор, трещин и др.); Дит - тепловая (кинетическая) составляющая внутренней энергии является интегральной характеристикой динамических иска-

жжений (повреждений) структуры, связанных с саморазогревом деформируемых объемов материала и повышением его температуры.

Соотношения между указанными составляющими внутренней энергии и видами повреждаемости зависят от физико-химической природы материала, его структуры, а также условий, в которых протекает процесс деформирования и разрушения твердого тела. По соотношению между тепловой и потенциальной составляющим можно судить о характере разрушения.

Изменение тепловой составляющей плотности внутренней энергии Дит

рассчитывается исходя из экспериментальных данных температуры разогрева рабочих участков образцов по формуле

т

А иг{аа>Ы)= \pcdt, (5)

®0

где - начальная температура; - плотность материала; Т - температура

разогрева; с - удельная массовая теплоемкость материала; X - время деформирования.

Результирующие изменения плотности внутренней энергии в деформируемых объемах образца определяются как сумма скрытой Ди е и тепловой Д11у составляющих:

Ди(ста, и) = Дие (аа, >!)+Дит (аа, Ы). (6)

Известно, что внутренняя энергия рассчитывается с точностью до произвольной постоянной Поэтому любое состояние материала может быть принято за исходное, которому можно приписать нулевое значение внутренней энергии (ио=0).

Суммарный тепловой эффект циклической деформации определяется по формуле

I

О = тсра|(в + аг)<1г + т/х(Т-Т0), (7)

о

где первое слагаемое отражает тепловые потери, которое определялось по результатам замеров с использованием тарировочного графика, а второе - изменение тепловой составляющей внутренней энергии. Здесь р - плотность материала; Т - температура разогрева; с - удельная массовая теплоемкость материала; I - время деформирования; т - механический эквивалент теплоты; То - температура окружающей среды.

Графики изменения суммарной затраченной энергии W циклического деформирования в зависимости от относительного числа циклов нагружения / И* в качестве примера показаны на рис. 7, для стали 45 прошедшей норма-

лизацию, испытанную при симметричном цикле Я= -1, где N. - текущее число на-гружений, N , - число циклов нагружения до разрушения. Число таких опытов по определению суммарной энергии составляло 10 - 14 образцов.

Рис. 7. Кривая изменения суммарной \У и тепловой С? энергии в зависимости от относительного числа циклов нагружения для нормализованной стали 45.

Кривая изменения подчиняется зависимости

(8)

полученная для уровня напряжения ст. = 295 МПа, где = И, / И»; а = 5,89

МДж/м3 и в = 0,871 - постоянные материала; N. = 155000 циклов; Н - текущее число циклов нагружения. Для других уровней напряжения с = 315 МПа и о = 270 МПа разрушающее число циклов нагружения соответственно составили 43750 и

121500. Зависимости - / Ы* представлены в виде кривых на рис. 7. Приведенные три кривые отличаются подобием. Для описания функции при уровнях напряжений а) ^ сг, необходимо ввести в уравнение 8 дополнительную функцию

W = pcik>

(9)

где р = 1,146 и к = -7,4 - постоянные материала;

О, = а1 / О,,

где о, - текущее напряжение, а ст, = 295 МПа - нормированное напряжение.

Тепловая составляющая внутренней энергии 0 устанавливалась по результатам опытов. Обработка результатов исследований проводилась по аналогии с установлением функции ^ Графики изменения тепловой составляющей внутренней энергии в зависимости от уровня напряжения и от относительной величины

Ы; / И» нагружения представлена на рис. 7. Для нормированного напряжения с,

= 295 МПа зависимость 0 представлялась в виде следующего выражения

где х, - /Ы„;т = 5,1ип = 0,926 - постоянные материала.

Т. к. кривые

полученные для разных уровней напряжения

отличаются подобием, необходимо ввести дополнительную функцию, учитывающую неравенство о, * а,. В нашем случае дополнительная функция представляется в следующем виде

где с = 1,16, <1 = -8,34 - постоянные материала; С^ = О; / О,.

На основании полученных зависимостей 8-4-12 можем записать выражение для определения плотности внутренней энергии (энергии повреждения) идущей на разрушение материала рассматриваемого образца для стали 45 после нормализации.

или

Следует учесть, что тепловая составляющая внутренней энергии составляла от потенциальной составляющей ие = Ди порядка 5%, которая в нашем случае не принимается в расчет.

На основании выражения 13 строится график зависимости энергии повреждения (плотности внутренней энергии) от числа циклов нагружения (рис. 8). На

этих же графиках приводятся кривые Веллера, для сопоставительного анализа накопления уровня повреждений в зависимости от числа циклов нагружения и уровня напряжений.

Рис 8. Изменение плотности энергии стали 45 после нормализации от уровня напряжения а с числом циклов нагружения N при Я = -1.

По аналогии с симметричным циклом строятся уравнения накопления энергии повреждения при коэффициенте асимметрии цикла Я = -0,6; -0,33. Постоянные полученных уравнений отражены в табл. 1 и 2.

В третьей главе приводятся результаты исследования закономерностей накопления энергии повреждения при циклическом нагружении образцов из машиностроительных сталей после термообработки. Дана оценка влияния термообработки на термодинамические характеристики металлов. Рассмотрены вопросы сопротивляемости металлов действию переменных напряжений с различной асимметрией цикла. На основании анализа результатов исследования приводится энергетический критерий разрушения.

Неупругие свойства материала схематизируются согласно структурной модели на рис. 9, здесь Е1 и Е3- коэффициенты жесткости звеньев 1 и 3; С] и С2- предельные сопротивления звеньев 1 и 2. Постоянная С2 назначается из условия

Связь параметров структурной модели с реальным материалом осуществляется через экспериментальные кривые усталости.

Для непрерывного процесса циклического деформирования изменение потенциальной составляющей внутренней энергии определялось по зависимости (13).

Исходные данные о сопротивлении усталости материала, лежащие в основе расчета, получали по испытаниям цилиндрических образцов стали (45,40Х) с диаметром в рабочей части 8 ч-10 мм на циклическое растяжение-сжатие при коэффициентах асимметрии цикла Я, равных -1,0; -0,6; -0,33. Испытания проводились на пульсаторе с частотой 2000 циклов в минуту. Для построения кривой Веллера для заданного значения Я испытывались 10 -н 14 образцов. Стали 45 и 40Х предварительно подвергались термической обработке (нормализация, улучшение, отжиг).

Параметры изменения энергетических характеристик при циклическом на-гружении для стали 45 в качестве примера приведены на рис. 7 и 8. Для нормализованных сталей 45 и 40Х получены зависимости вида (14) для различных коэффициентов асимметрии цикла:

и, = XVЖ,~ОД = -т^Г'с.а,"'; (14)

где X = N¡/N,5 И» - число циклов нагружения до разрушения для рассматриваемого коэффициента асимметрии цикла; - текущая величина циклов нагружения; - энергетические функции, построенные для нормирован-

ных параметров О,,^; W¡,Q¡ - дополнительные (поправочные) функции, построенные в координатах учитывающие влияние уровней напряжения

для стали 40Х при Я=-1 а. =330 МПа, при Я=-0,6 а» =360 МПа, при Я=-0,33

-

а, =405 МПа; С! = —-.

О»

Параметры уравнения (14) приведены в табл. 1 и 2.

Таблица 1.

Значения параметров уравнения (14) для стали 45.

Энергетическая характеристика МДж/м3 а„ МДж/м3 Р. к, ш„ МДж/м3 п, с, (1,

Для коэффициента асимметрии цикла Я=-1

9,40 0,836 1,025 -7,80 8,60 0,83 1,03 -8,6

1>2 Для коэффициента асимметрии цикла К=-0,6

4,64 0,954 1,060 -5,66 3,90 0,95 1,07 -6,5

11з Для коэффициента асимметрии цикла Я=-0,33

2,79 1,069 1,264 -6,87 2,04 1,07 1,22 -9,5

Таблица 2.

Значения параметров уравнения (14) для стали 40Х.

Энергетическая характер истика МДж/м1 а„ МДж/м3 в< Р. к, ш„ МДж/м3 п, с, а,

и. Для коэффициента асимметрии цикла Я=-1

5,890 0,8710 1,146 -7,40 5,10 0,926 1,16 -8,34

и-) Для коэффициента асимметрии цикла Я=-0,6

3,779 1,0049 1,097 -7,687 3,02 1,005 1,07 -9,80

из Для коэффициента асимметрии цикла Я=-0,33

2,462 0,9315 1,046 -7,798 1,69 0,931 0,99 -11,60

На основе экспериментальных исследований для машиностроительных сталей после различной термообработки установлены критические значения плотности внутренней энергии и = и„ которые отражены в табл. 5. Получены зависимости изменения плотности внутренней энергии для оценки уровня поврежденности при стационарном циклическом нагружении.

где N - число циклов нагружения; СГ = О, / СТ* - относительная величина напряжения, <7, = 295МПа, (7, = 330 МП а и - нормированные напряжения соответственно для стали 45 и 40Х; - параметры материала. Значе-

ния параметров уравнения (15) для разных марок сталей приведены в таблицах 3, 4. По зависимости (15) можно оценить ресурс деталей машин и элементов конструкций, работающих в режиме циклического нагружения при разных коэффициентах асимметрии цикла.

Таблица 3.

Значения параметров уравнения (15) для стали 45._

Энергетическая характеристика МДж/м3 Параметры уравнения (15)

& У\ Р|

Нормализация

"1 Дня коэффициента асимметрии цикла Л=-1

12,610 0,531 1,056 7,83

и2 Для коэффициента асимметрии цикла Я=-0,6

0,139 0,933 0,810 15,01

и3 Для коэффициента асимметрии цикла Я=-0,33

0,163 0,918 0,812 11,97

Улучшение

и4 Для коэффициента асимметрии цикла Я=-1

0,380 0,980 1,266 17,70

Отжиг

и5 Для коэффициента асимметрии цикла Я=-1

2,293 0,738 1,291 14,95

Таблица 4.

Значения параметров уравнения (15) для нормализованной стали 40Х.

Энергетическая характеристика МДж/м3 Параметры уравнения (15)

1\ Р1

и. Для коэффициента асимметрии цикла Я=-1

0,253 0,834 0,890 12,28

"2 Для коэффициента асимметрии цикла Я=-0,6

0,041 0,986 0,802 9,95

и3 Для коэффициента асимметрии цикла Я=-0,33

0,086 0,964 0,580 11,10

Таблица 5

Критические значения плотности внутренней энергии Ли, при разных видах термообработки.

Материал Вид термиче- Коэффици- Ли,, МДж/м3 Коэффици- При-

ской обработ- ент асим- ент корре- меча-

ки метрии цик- ляции ние

ла, Я %

Сталь 45

Нормализация -1 6900 0,856

-0,6 6800 0,98

-0,33 6850 0,99

Улучшение -1 5050 0,96 +0,98

Отжиг -1 7450 0,96+0,98

Сталь Нормализация -1 7000 -0,99

40Х -0,6 6800 -0,98

-0,33 6950 -0,98

Отжиг -1 7900 0,96 +0,98

В 4 главе изложены результаты исследования чувствительности элементов металлоконструкции к асимметрии нагружения.

Для характеристики сопротивляемости металла действию переменных напряжений с различной асимметрией цикла строится так называемая диаграмма предельных напряжений, так как при экспериментальном определении пределов выносливости установить их при всех различных значениях коэффициента асимметрии цикла напряжений R путем испытаний невозможно. Существует несколько видов таких диаграмм. В нашем случае принимается диаграмма в координатах оа стт (соответственно амплитудные и средние напряжения).

Для построения диаграммы в координатах оа - стт необходимо иметь кривые усталости Веллера.

Исследование влияния чувствительности металлоконструкции к асимметрии цикла выполнено на основе результатов усталостных испытаний в лаборатории кафедры сопротивления материалов, а также результатов испытаний других лабораторий, в частности, Ленинградского Технического Университета, которые были получены проф. П. А. Павловым и его учениками.

Результаты испытаний в виде кривых усталости, полученные для разных коэффициентов асимметрии цикла: R = -1; - 0,6; - 0,33 представлялись в виде кривых

Веллера и предельных диаграмм напряжений Хея - Зодерберга (рис.10) для различных баз испытания N ОМ = 106, 5 1 05). Все количество образцов разбивалось на 3 серии. Каждая серия из 10 - 15 образцов испытывалась до разрушения при определенном линейном соотношении между амплитудой изменения напряжения ста и средним напряжением

(У-. МПа Диагранмо Хея-Зодердерга

( Стоя, 4?

зоо'

Ш5Ю! бшвЮ1

1 1 —I—г ^ | ) 1-Ч-+-Г - н . 1 и—

Ш 500 600 ТОО 800 '

МПа

Рис. 10. Зависимость предельной амплитуды от среднего напряжения при линейном напряженном состоянии для стали 45 в зависимости от базы испытания.

Границы области предельного сопротивления образцов усталости в координатах устанавливались на основании статистических расчетов.

На кривых рис. 10 штрихпунктирной линией показана область, отвечающая вероятности разрушения в 0,95. Кривые предельного сопротивления образцов усталости при разных коэффициентах асимметрии цикла аппроксимируются зависимостью

оа{<Уа + куат)=ст. ,2, (16)

где ку - коэффициент, зависящий от вида цикла р и базы испытания N

- предел усталости для заданной базы испытания; оа - амплитудное напряжение за период цикла; ат - среднее напряжение за период цикла.

Многие авторы [П. А. Павлов, Р. Д. Хэйвуд, А. И. Одинг и др.] принимали значение коэффициента ку за постоянную величину, которая принималась разными авторами от 0,3 до I. Такое разночтение говорит о том, что необходимы дополнительные исследования, что было и выполнено при построении диаграмм Хея - Зодерберга для разных баз испытаний.

Указанные выше диаграммы отличаются некоторым подобием. Это условие используется для построения дополнительной функции, которая дает возможность

; р=о,95

I

юо гоо зоо

установить закономерность изменения зависящий от вида цикла и базы испытания.

х,М)=/,М/2М (17)

где - функция, отражающая изменение коэффициента от вида цикла и базы испытания.

/2(м) - функция, отражающая изменение коэффициента к} от базы испытания Н.

Для базы испытания функция имеет вид

А=аерр, (18)

где а = 0,577 и р = - 0,0309 - постоянные. Функция/^ представлялась в виде зависимости

где р = 0,842 и п = 0,283 - постоянней,; - задаваемая база испытания.

В правой части уравнения (17) предел усталости материала а.| представляется в виде некоторой функции/} (N3, которая имеет вид

Данная функция учитывает изменение предела усталости материала в зависимости от числа циклов нагружения.

Зависимость (16) с учетом зависимостей (17) и (20) запишется

+А(р)/г(ХМ = 1/М2 (21)

На основе предлагаемой зависимости можно проводить оценку долговечности конструкции, как на стадии его проектирования, так и при определении остаточного ресурса деталей машин и элементов конструкций.

В пятой главе, основываясь на результатах исследования, была проведена оценка причин разрушения деталей машин и элементов конструкций перегрузочных комплексов (стакер, реклаймер).

Для оценки долговечности и остаточного ресурса предлагается использовать в качестве характеристики плотность внутренней энергии. Зная текущую плотность внутренней энергии для данного механического состояния материала можно прогнозировать ресурс. Такой подход оценки остаточного ресурса подтвержден опытами эксплуатации грузоподъемных машин. Параллельно разрабатывался механический критерий усталостной прочности, учитывающий влияние коэффициента асимметрии цикла. При расчете элементов конструкций перегрузочных комплексов данный критерий показал свою хорошую работоспособность. Для повышения ресурса перегрузочных комплексов (стакер, реклаймер) были предложены новые инженерные решения по модернизации узлов несущих конструкций. Эти предложения связаны с изменением конструкции фланцевого соединения роторно-

го колеса с валом на реклаймере и с установлением дополнительных вант с талрепами на несущей стреле стакера, что дает нам возможность управлять напряженно - деформируемым состоянием данной стержневой системы. В этом случае нагрузка по напряжениям на рассматриваемые элементы конструкций снизилась в 1,5 раза и следовательно увеличился ресурс.

Предложенная методика расчета на долговечность и результаты исследований были использованы при проектировании и модернизации конструкций и узлов перегрузочных комплексов порта «Восточный».

Заключение

Основные результаты проведенных исследований диссертационной работы состоят в следующем:

1Ш основе термодинамической концепции усталости теоретически и экспериментально обоснованы и разработаны критерии усталостной прочности для машиностроительных сталей с учетом влияния термообработки.

2.Разработан механический критерий усталостной прочности машиностроительных сталей учитывающий влияние коэффициента асимметрии цикла.

3. Показано влияние термообработки на динамику изменения энергетического баланса при циклическом нагружении образцов из сталей. Из сопоставительного анализа петель гистерезиса установлено, что наименьшая энергия повреждения приходится на стали прошедшие улучшение и нормализацию. Этот вывод подтверждается увеличением долговечности в 2 и более раз.

4.Исследована кинетика процесса накопления повреждений в области многоцикловой усталости при различных видах коэффициента асимметрии цикла.

5.Проведена оценка ресурса и усталостных разрушений деталей машин и элементов конструкций перегрузочных комплексов на основе предлагаемых критериев усталостной прочности.

6.Предложены инженерные решения по модернизации узлов несущих конструкций перегрузочных комплексов с проведением соответствующих режимов термообработки повышающих ресурс сооружений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Лаврушин Г. А., Скрипко А. Л. Исследование продолжительности эксплуатации перегрузочных комплексов морских портов. // IV Международная конференция «Научно - Технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения» Санкт-Петербург 2001 г., с. 189.

2. Лаврушин Г. А., Скрипко А. Л., Лаврушина Е. Г. Обобщение результатов усталостных испытаний металлов при различных коэффициентах асимметрии цикла. // Труды ДВГТУ, сборник № 135, Владивосток 2003 г., с. 63-69.

3. Лаврушин Г. А., Скрипко А. Л., Лаврушина Е. Г. Многоцикловая усталость элементов конструкций при сложном нагружении. // Труды ДВГТУ, сборник № 135, Владивосток 2003 г., с. 153-156.

4. A. L. Skripko, G. A., Lavrushin Toughness study ofpipeline dart of coal transshipment complex // Fourth International Young Scholars Forum of the Asia-Pacific Region Countries Vladivostok, Russia 2001.

5. A. L. Skripko, G. A., Lavrushin Capacity for work of flange connection bucketweel of the conveyer complex (reclaimer) // Fifth International Young Scholars Forum of the Asia-Pacific Region Countries Vladivostok, Russia, 2003.

6. Лаврушин Г. А., Скрипко А. Л. Исследование причин разрушения вибропитателей ваоноопрокидывателя // Сборник материалов научной конференции «Вологдинские чтения», Владивосток, 2001 г.

7. Лаврушин Г. А., Иванов Н. А., Бобовский В. А. Скрипко А. Л. О мерах обеспечения эксплуатационной надежности перегрузочного комплекса - стакера № 2 ОАО «Восточный порт» // Сборник материалов научной конференции «Воло-гдинские чтения», Владивосток, 2001 г.

8. Лаврушин Г. А. Скрипко А. Л. Прочность и долговечность стакеров и реклаймеров // Сборник материалов научной конференции «Вологдинские чтения», Владивосток, 2002 г.

9. Скрипко А. Л., Лаврушин Г. А. Работоспособность фланцевого соединения роторного колеса перегрузочного комплекса (реклаймера) // Сборник материалов научной конференции «Вологдинские чтения», Владивосток, 2003 г.

10. Лаврушин Г. А., Скрипко А. Л. Оценка работоспособности элементов растяжек и соединительной штанги реклаймера // Исследования по вопросам повышения эффективности судостроения и судоремонта, ДВГТУ, Владивосток, 2003

г.

Скрипко Алексей Леонидович

Исследование влияния термической предыстории машиностроительных сталей на долговечность металлоконструкций

Автореферат

Подписано в печать 27.10.04. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,2. Тираж 100 экз. Заказ 153.

Издательство ДВГТУ, 690950, Владивосток, Пушкинская, 10 Типография издательства ДВГТУ, 690950, Владивосток, Пушкинская, 10

»22 66 0

РНБ Русский фонд

2005-4 18223

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ УСТАЛОСТНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ПЕРЕГРУЗОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ МОРСКИХ ПОРТОВ

1.1. Проблема внешних механических воздействий.

1.2. О некоторых представлениях механизма и закономерности усталостного разрушения.

1.3. Основные понятия об усталостной прочности. Общие положения.

1.4. Критерии усталостной прочности для многоциклового нагружения

1.5. Энергетический критерий усталостной прочности.

2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ УСТАЛОСТИ МАТЕРИАЛА ЭЛЕМЕНТОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ ПЕРЕГРУЗОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ.

2.1. Содержание экспериментального исследования.

2.2. Фазометрический метод исследования необратимых затрат энергии при циклическом деформировании.

2.3. Исследование теплового эффекта циклических деформаций.

2.4. Методика исследований закономерностей изменения внутренней энергии в деформируемых объемах.

2.5 Исследование энергетического баланса при циклическом деформировании.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ ПРИМЕНЯЕМЫХ В КРАНОСТРОЕНИИ

3.1. Результаты исследования необратимых затрат энергии после различной термообработки.

3.2. Сопоставительный анализ. Влияние термообработки на термодинамические характеристики машиностроительных сталей.

3.3. Статистическая обработка результатов исследования необратимых затрат энергии при циклическом деформировании сталей в условиях одноосного напряженного состояния.

4. ВЛИЯНИЕ ВИДА ЦИКЛА ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ СТАЛЕЙ ПРИ ЛИНЕЙНОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ.

4.1 Исследование влияния коэффициента асимметрии цикла нагружения на усталостную прочность сталей 45 и 40Х.

4.2 Статистическая обработка результатов исследования сопротивления материалов усталости при разных коэффициентах асимметрии цикла.

4.3 Оценка поврежденности и критерии прочности машиностроительных сталей на основе экспериментальных исследований.

5. ОЦЕНКА ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ПЕРЕГРУЗОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ.

5.1 Оценка напряженно-деформируемого состояния и ресурса элементов конструкции стакера.

5.2 Оценка напряженно-деформируемого состояния и ресурса элементов конструкции реклаймера.

Проектирование конкурентоспособных образцов техники и оценка остаточного ресурса сооружений требует постоянного совершенствования методов расчета прочности и долговечности, учитывающие влияние технологической наследственности.

При анализе повреждений конструкций перегрузочных комплексов в качестве одной из причин их появления являются ошибки при проектировании и проведении технологических операций. Конструкции проектируют и создают на основе действующих норм, опыта и традиций. Причины повреждений связаны с отсутствием необходимых на данном этапе новых знаний. Сказанное можно отнести к усталости материалов конструкций перегрузочных комплексов. Решение этой задачи далеко от завершения, о чем говорит не уменьшающееся количество усталостных повреждений конструкций грузоподъемных машин. В последние два десятилетия порты Дальнего Востока были оснащены перегрузочными комплексами зарубежного производства. Как правило, эти конструкции проектировались для благоприятных условий в отличие от дальневосточных регионов, где преобладает муссонный климат, сопровождаемый ветровыми нагрузками и резкими колебаниями температур. Это заставило обратиться к оценке усталостной прочности конструкций.

Вопросы обеспечения прочности деталей машин и элементов конструкций с учетом технологической наследственности (термообработки) в условиях работы при переменных нагрузках в современном машиностроении имеют большое значение. По мере повышения скоростей работы и нагруженности машин явления усталости становятся все более опасными для надежной эксплуатации. В связи с этим важное значение приобретает возможность точного предсказания длительной безопасной работы в условиях нестационарной напряженности, обычно имеющей место при эксплуатации машин и механизмов.

Некоторые аспекты проблемы многоцикловой усталости металлов возникли относительно недавно и находятся еще на стадии разработки. К таким аспектам относятся прогнозирование долговечности с позиции термодинамики необратимых процессов в условиях сложного режима нагружения с различной асимметрией цикла. Для характеристики сопротивляемости металла действию переменных напряжений с различной асимметрией цикла строится диаграмма предельных напряжений, которая требует своего дальнейшего совершенствования.

Существующие условия эквивалентности циклически напряженных состояний и формулы суммирования усталостных повреждений применимы лишь при значительных ограничениях. Кроме того, ощущается недостаточность экспериментальных данных о влиянии различных видов термообработки на механические и термодинамические характеристики, влияющие на многоцикловую усталость сталей. Поэтому рассматриваемая задача построения и экспериментальной проверки расчетных методов оценки усталостной долговечности с учетом термической предыстории является весьма актуальной.

Важным аспектом проблемы долговечности и надежности конструкций является разработка физически обоснованных критериев циклической прочности при сложных видах напряженного состояния и изгибе. Достижения физических методов исследования позволили в 20-х годах прошлого века более глубоко проникнуть в сущность явлений, протекающих в процессе деформирования. В результате Я.И.Френкелем, Дж.Тейлором, Е.Орованом и др. были предложены элементы дислокационной теории прочности, в том числе, усталостной. Одновременно с развитием теории дислокации появилось научное направление, развивавшее энергетические представления о механизмах и закономерностях деформации и разрушения твердых тел.

Вопросам усталостной прочности посвящены работы И. А. Одинга, С. В. Серенсена, Н. Н. Давиденкова, И. В. Кудрявцева, Н. Н. Афанасьева, С. И. Кишки-ной. Г. В. Карпенко, Я. Б. Фридмана, С. Д. Волкова, В. В. Болотина, С. Ф. Медведева, JI. М. Школьника, Г. С. Писаренко, В. М. Гребеника, JI. Д. Соколова, А. П. Гусенкова, Н. А. Махутова, Ю. В. Головешкина, В. А. Быкова, А. И. Максимаджи, С. В. Петинова, В. М. Волкова, Г. А. Лаврушина, Г. В. Матохина, А. П. Аносова и др. Разработано большое количество различных критериев циклической прочности, большинство из которых оперирует размахами напряжений или деформаций. В то же время отмечено [84], что «использование напряжения или деформации в качестве параметра, характеризующего усталостное повреждение, ведет к формулировке условных критериев разрушения».

Физически более совершенными являются энергетические критерии, в которых мерой повреждения служит работа, затрачиваемая на пластическое деформирование. В этом направлении известны работы А.Надаи, В.С.Ивановой, Д.Морроу, Ч.Фелтнера, А.Н.Романова, П.А.Павлова. Из энергетических подходов наиболее перспективным представляется метод исследования усталости, основанный на принципах термодинамики необратимых процессов, который не изучая детально тонкие механизмы процесса разрушения, позволяет в то же время делать столь же достоверные выводы, как и фундаментальные законы, лежащие в основе термодинамики. В этой области известны исследования В.С.Ивановой и В.Т.Трощенко.

Принципиальное значение при разработке энергетических критериев усталостного разрушения металлов имеет установление методов разделения рассеянной в металле энергии на «опасную» с точки зрения усталостного разрушения и «неопасную», а также физическая интерпретация «опасной» части энергии [103]. Здесь наиболее известны работы В.В Федорова и его учеников.

Опубликованные до настоящего времени результаты исследований названных авторов [111,29,112,103] распространяются только на случай одноосного циклического нагружения некоторых машиностроительных сталей. По сталям, работающим в составе корпусных конструкций в условиях сложного напряженного состояния, работ этого направления практически нет (недостаточно[1-5]), а так же мало изученным является влияние коэффициента асимметрии цикла на процесс накопления усталостных повреждений. Следует также отметить, что не отражено влияние различных режимов термообработки на термодинамические показатели процессов развития накопления повреждений. В данной работе рассматривается энергия повреждаемости служащая мерой оценки накопленной повреж-денности в материале деталей машин и элементов конструкций.

По современным представлениям деформирование и разрушение твердых тел является кинетическим и необратимым процессом[91]. С точки зрения кинетики процесса, разрушение твердых тел разделяют на два периода. В первом периоде объемной (квазигомогенной) повреждаемости в деформируемом элементе тела зарождаются и накапливаются различного рода дефекты и повреждения. В локальном объеме материала с критической (предельной) плотностью дефектов и повреждений зарождаются субмикротрещины с последующим образованием трещин. Второй период разрушения твердого тела характеризуется развитием (ростом) макротрещины с прогрессирующей скоростью. Соотношение между длительностью этих периодов изменяется в широких пределах и зависит от физико-химической природы и структуры материала, так и условий, характеризующих процесс.

Физический смысл повреждаемости вряд ли можно точно определить. Делались попытки оценить степень поврежденности материала количественно, путем определения физическими методами других параметров, характеризующих структуру и свойства материала (например, внутреннее трение, изменение модуля упругости, электросопротивление и т.д.). В качестве средств физического анализа использовали механические и магнитоупругие испытания, оптическую и электронную микроскопию, метод рассеяния рентгеновских лучей под малыми углами и др.[112]. Оказалось, что оценка степени поврежденности одного и того же материала различна и зависит от выбранного параметра и способа его индикации. Все это свидетельствует о сложности построения модели накопления повреждений, основанной на физически обоснованной концепции о процессах, протекающих на разномасштабных структурных уровнях. Несмотря на большой прогресс в области развития структурных моделей накопления повреждений [111], имеющиеся предложения в этой части пока следует рассматривать как основу одного из перспективных направлений в механике материалов. Подробный обзор критериев структурной концепции дан в книге B.C. Ивановой и А.А. Шанявского [20]. На сегодняшний день структурная концепция находится на стадии активного развития в теоретическом и экспериментальном планах [20].

Цель работы - теоретическое и экспериментальное обоснование критериев усталостной прочности, учитывающее влияние вида термообработки, и оценка ресурса элементов конструкций при разных коэффициентах асимметрии цикла на основе термодинамики необратимых процессов и силового подхода.

Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:

1. Проведен анализ причин усталостных повреждений элементов конструкций перегрузочных комплексов. Исследованы особенности процесса накопления усталостных повреждений.

2. Обоснована методика определения необратимых затрат энергии при циклическом деформировании стальных образцов, прошедших различную термообработку, при разных коэффициентах асимметрии цикла на основе фазометрического метода.

3. Исследованы параметры упругопластического деформирования машиностроительных сталей при многоцикловой усталости и тепловой эффект циклической деформации при разных коэффициентах асимметрии цикла.

4. Исследованы необратимые затраты энергии в процессе циклического деформирования.

5. На основе экспериментальных данных разработана методика оценки повреждаемости и критерии циклической прочности машиностроительных сталей при разных коэффициентах асимметрии цикла.

6. Исследовано влияние среднего нормального напряжения для разных баз испытания. Построены диаграммы Хея - Зодерберга. Построен критерий оценки долговечности с позиции феноменологического подхода.

7. Обоснован выбор расчетных зависимостей для оценки циклической прочности и долговечности перегрузочных комплексов.

8. Обоснованы режимы термообработки для повышения ресурса деталей машин и элементов конструкций.

Методы исследований. При решении вышеуказанных задач были использованы современные методы исследования закономерностей накопления усталостных повреждений: термодинамика необратимых процессов, теория усталости, механика разрушения, строительная механика, механика деформированного твердого тела. Использованы экспериментальные методы ряда авторов, натурные опыты на реальных конструкциях. При обработке результатов экспериментов применялись методы математической статистики, вычислительная техника.

Научная новизна работы.

1. Исследованы закономерности накопления повреждающей энергии машиностроительных сталей после термообработки при разных коэффициентах асимметрии цикла.

2. Разработана методика расчета поврежденности и ресурса машиностроительных сталей с учетом влияния термической предыстории. Подтверждена линейная гипотеза суммирования повреждений.

3. Получены энергетические и механические критерии усталостной прочности машиностроительных сталей после разных видов термообработки. Показана их работоспособность при проектировании и оценке ресурса деталей машин и элементов конструкций.

4. Установлено влияние термообработки на термодинамические характеристики материала.

5. Показана работоспособность предложенных критериев при проектировании и оценки ресурса деталей машин и элементов конструкций с учетом влияния термической предыстории.

Практическая ценность работы. Результаты работы использованы при проведении исследований в рамках трех научно-технических программ:

1. «Разработка методики определения предельного состояния конструкций перегрузочных комплексов при эксплуатации в условиях Дальнего Востока» - в рамках межвузовской региональной программы «Научно-технические и социально-экономические проблемы развития Дальневосточного региона России», 20002003 годы.

2. «Теория и методы исследования предельных состояний тонкостенных конструкций и стержневых систем» - в рамках межвузовской научно-технической программы Министерства образования Российской Федерации, 2000-2003 годы.

3. Разработка и исследование принципов расчета усталостной прочности конструкций - в рамках межвузовской научно-технической программы Министерства образования Российской Федерации, 2000-2002 годы.

Результаты экспериментальных исследований процесса накопления повреждений с учетом технологической наследственности и полученные расчетные зависимости в сочетании с оценкой усталостной поврежденности машиностроительных сталей указывают на возможность разработки практического метода диагностики поврежденности конструкций перегрузочных комплексов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментального исследования кинетики накопления усталостных повреждений при разных коэффициентах асимметрии цикла.

2. Результаты экспериментального исследования кинетики накопления повреждений в машиностроительных сталях после различной термообработки при циклическом деформировании в области многоцикловой усталости.

3. Критерии усталостной прочности с позиции термодинамики необратимых процессов.

4. Критерии усталостной прочности с позиции феноменологического подхода.

5. Основы методики оценки остаточной долговечности элементов машин и конструкций перегрузочных комплексов.

6. Оценка влияния термообработки на долговечность элементов деталей машин и конструкций.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных и региональных конференциях в том числе: Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения, 4-я Международная конференция по машиностроению в Санкт-Петербурге (2001); конференции преподавателей и сотрудников ДВГТУ (ДВПИ) (2000-2003); научно-техническая конференция ДВГТУ «Вологдинские чтения» (2000-2002); Fourth and fifth International Young Scholars Forum of the Asia-Pacific Region Countries (2001,2002).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе: 2 в материалах международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Она содержит 126 страниц машинописного текста, 72 рисунка, 24 таблицы, а также список литературы из 119 наименований на 11 страницах.

Основные результаты проведенных исследований диссертационной работы состоят в следующем:

1. На основе термодинамической концепции усталости теоретически и экспериментально обоснованы и разработаны критерии усталостной прочности для машиностроительных сталей с учетом влияния термообработки.

2. Разработан механический критерий усталостной прочности машиностроительных сталей учитывающий влияние коэффициента асимметрии цикла.

3. Показано влияние термообработки на динамику изменения энергетического баланса при циклическом нагружении образцов из сталей. Из сопоставительного анализа петель гистерезиса установлено, что наименьшая энергия повреждения за цикл приходится на стали прошедшие улучшение и нормализацию. Этот вывод подтверждается увеличением долговечности в 2 и более раз.

4. Исследована кинетика процесса накопления повреждений в области многоцикловой усталости при различных видах коэффициента асимметрии цикла.

5. Проведена оценка ресурса и усталостных разрушений деталей машин и элементов конструкций перегрузочных комплексов на основе предлагаемых критериев усталостной прочности.

6. Предложены инженерные решения по модернизации узлов несущих конструкций перегрузочных комплексов с проведением соответствующих режимов термообработки повышающих ресурс сооружений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Аносов А.П., Лаврушин Г.А. Устройство для испытания на усталость. Авт. св-во №1308874 // Бюл. изобр. -1987. №17.

2. Аносов А.П., Лаврушин Г.А. Захват к испытательной машине для крепления образцов с резьбовыми головками. Авт. св-во №1308865 // Бюл. изобр.-1987, №17.

3. Аносов А.П. и др. Способ определения механических напряжений в образце. Авт. св-во №1640558 // Бюл. изобр. -1991, №13.

4. Аносов А.П., Лаврушин Г.А. Кривошипное силовозбуждающее устройство. Авт. св-во №1375992 // Бюл. изобр. -1988, №7.

5. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т. T.I. -5-е изд., перераб. и доп. -М.: Машиностроение, 1980. -728 с.

6. Болотин В.В., Гольденблат И.И., Смирнов А.Ф. Современные проблемы строительной механики. -М.: Наука, 1964.

7. Быструшкин Г.С. Исследование возможности определения ранней стадии усталостного повреждения хромистой стали методом вихревых токов // Дефектоскопия, 1968, №5.

8. Быструшкин Г.С., Маляр А.П. Исследования процесса накопления усталостных повреждений в стали 40Х методом вихревых токов // Заводская лаборатория, 1982, №8.

9. Быков В.А., Разов Н.А., Художникова Л.Ф. Циклическая прочность судокорпусных сталей. -Л.: Судостроение, 1968. -216с.

10. Быков В.А. Пластичность, прочность и разрушение металлических судостроительных материалов. -Л.: Судостроение, 1974.

11. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталеймашин. Справочник. -М.: Машиностроение, 1979.

12. Бойцов Г.В., Кноринг С.Д. Прочность и работоспособность корпусных конструкций. -Л.: Судостроение, 1972.

13. Бойцов Г. В. Оптимизация узлов судовых конструкций с учетом их циклической напряженности // Судостроение, 1986, №1.- с. 10+ 13.

14. Барабанов Н. В. Конструкция корпуса морских судов.- Л.:Судо-строение, 1990.

15. Бернштейн М. Л., Займовский В. А. Механические свойства металлов: Учебник для вузов. — 2-е изд. — М.: Металлургия, 1979. 495 с.

16. Болотин В. В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1984. 312 с.

17. Вопросы прочности крупных деталей машин. Сб. статей под научной редакцией д. т. н. проф. И. В. Кудрявцева. М., Машиностроение, 1976, 307 с.

18. Волков В. М. Прикладные задачи теории пластичности. — Горький: ГПИ, 1986.- 100 с.

19. Гольденблат И.И. Некоторые вопросы механики деформируемых сред. -М.: Наука, 1956.

20. Гуревич С.Е., Гаевой А.П. Об определении повреждающей энергии при циклическом нагружении. -В сб. Усталость и вязкость разрушения металлов. -М.: Наука, 1974.

21. Головин С. А., Пушкар А.А. Микропластичность и усталость металлов. -М.: Металлургия, 1980.

22. Ганев П. И. др. Исследование параметров неупругости в зависимости от амплитуды напряжений при пакетном нагружении. -В сб. Материалы четвертого конгресса по механике. -Варна, 1981.

23. Гохберг И. М. Металические конструкции кранов. Расчет с учетом явлений усталости. М-Л., Машгиз, 1959, 182 с.

24. Данилов С.А. Исследование прочности сварных соединений. -Л.: Судостроение, 1964. -340 с.

25. Давиденков Н.Н. Влияние промежуточного отпуска на предел устало-сти.-В сб. посвященном 70-летию акад. А.Ф. Иоффе. М. Изд. АН СССР, 1950.

26. Журков С.Н., Назруллаев Б.Н. Временная зависимость прочности твердых тел//ЖТФ. 1953, ХХШ, вып. 10. с. 1677-1689.

27. Журков С.Н. Дилатонный механизм прочности твердых тел // Физика прочности и пластичности.- Л: Наука, 1986.- С. 5- 11.

28. Иванова В. С. и др. Усталость и хрупкость металлических материалов. М., изд-во «Наука», 1968.

29. Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. -М.: Металлургия, 1975. -456 с.

30. Иванова B.C., Шанявский А.А. Количественная фрактография.- Челябинск: Металлургия, 1988.- 389с.

31. Иванова В. С. Усталостное разрушение металлов. — М.: Металлургиз-дат, 1963.-272 с.

32. Итальянцев Ю. Ф. К вопросу термодинамического состояния деформируемых твердых тел. Сообщение 1. Определение локальных функций состояния.—Проблемы прочности, 1984, № 2, с. 74—76.

33. Итальянцев Ю. Ф. К вопросу термодинамического состояния деформируемых твердых тел. Сообщение 2. Энтропийные критерии разрушения и их применение для задач простого растяжения.— Проблемы прочности, 1984, № 2, с. 76—80.

34. Кудрявцев И. В., Наумченков Н. Е., Саввина Н. М. Усталость крупных деталей машин. -М.: Машиностроение, 1981.-240 с.

35. Кудрявцев И.В., Наумченков Н.Е. Усталость сварных конструкций. -М.: Машиностроение, 1976. -279 с. 87.

36. Когаев В.П., Махутов Н.А., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин на прочность и долговечность: Справочник. -М.: Машиностроение, 1985. -224 с.

37. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. -М.: Машиностроение, 1977. -232 с.

38. Когаев В. П., Махутов Н. А., Гусенков А. П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность М.: Машиностроение, 1985. 224 с.

39. Качанов JI.M. Основы механики разрушения,- М.: Наука, 1974.- 311с.

40. Касымов У. Т. Экспериментальная проверка энергетического критерия многоциклового усталостного разрушения металлов при сложном напряженном состоянии. Л., 1982. Деп. в ВИНИТИ 1.08.1982, № 4290—82.

41. Конструкционная прочность материалов и деталей газотурбинных двигателей / И. А. Биргер и др. М.: Машиностроение, 1981. 222 с.

42. Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение. М.: Мир, 1984. 624 с.

43. Лаврушин Г.А., Аносов А.П., Худяков С.А. Вихретоковый метод диагностики усталостных повреждений малоуглеродистой стали. -В сб. Планирование и разработка технологии и организации судоремонтных работ. НТО им. акад. А.Н.Крылова. -Владивосток, 1985.

44. Лаврушин Г.А., Аносов А.П., Давыдов С.И. Методика исследования необратимых затрат энергии и теплового эффекта циклических деформаций. -В сб. Организация судоремонтных работ. НТО им. акад. А.Н. Крылова, Владивосток, 1984.

45. Лаврушин Г.А. Работоспособность лент и канатов из синтетических нитей.- Владивосток: Изд-во ДВГУ, 1991.- 204с.

46. Лаврушин Г.А. Прочность и долговечность средств пакетирования грузов.- М.: Транспорт, 1987.- 160с.

47. Лаврушин Г.А. Теория длительной прочности и разрушения твердых тел с учетом накопления повреждений // Проблемы естествознания и произволства.- Владивосток: Изд-тво ДВГТУ, 1993.- С.63-66. (Тр. ДВГТУ; Вып. 111, сер.5..

48. Лаврушин Г.А., Павлов П.А. Усталостная прочность серого чугуна // Машиностроение.- Л.: Машиностроение, 1970.- С.220-228. (Тр. ЛПИ; N314).

49. Лаврушин Г.А., Павлов П.А. Усталостная прочность чугунных конструкций с концентраторами напряжений// Машиностроение.- Л.: Машиностроение, 1972.-С. 180-182.(Тр. ЛПИ; N314).

50. Лаврушин Г.А. Прогнозирование закономерностей усталостного разрушения металлов. //Тр. Профессорского клуба. Владивосток: Уссури, 1988, №3. С. 92-97.

51. Лаврушин Г.А., Гнеденков С.В., Гордиенко П.С., Синебрюхов С.Л. Циклическая прочность в морской воде титановых сплавов, подвергнутых микродуговому оксидированию. //Защита металлов, 2002, том 38, №4. С. 412-414.

52. Лаврушин Г. А., Скрипко А. Л., Лаврушина Е. Г. Обобщение результатов усталостных испытаний металлов при различных коэффициентах асимметрии цикла. // Труды ДВГТУ, сборник № 135, Владивосток 2003 г., с. 63-69.

53. Лаврушин Г. А., Лаврушина Е. Г., Скрипко А. Л. Многоцикловая усталость элементов конструкций при сложном нагружении. // Труды ДВГТУ, сборник № 135, Владивосток 2003 г., с. 153-156.

54. A. L. Skripko, G. A., Lavrushin Capacity for work of flange connection bucketweel of the conveyer complex (reclaimer) // Fifth International Young Scholars Forum of the Asia-Pacific Region Countries Vladivostok, Russia, 2003.

55. Лаврушин Г. А., Скрипко А. Л. Исследование причин разрушения вибропитателей ваоноопрокидывателя // Сборник материалов научной конференции «Вологдинские чтения», Владивосток, 2001 г.

56. Лаврушин Г. А. Скрипко А. Л. Прочность и долговечность стакеров и реклаймеров // Сборник материалов научной конференции «Вологдинские чтения», Владивосток, 2002 г.

57. Лаврушин Г. А., Скрипко А. Л. Оценка работоспособности элементов растяжек и соединительной штанги реклаймера // Исследования по вопросам повышения эффективности судостроения и судоремонта, ДВГТУ, Владивосток, 2003 г.

58. Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов: Учебник для вузов. — 3-е изд. — М.: Металлургия, 1984. 360 с.

59. Москвитин В. В. Циклические нагружения элементов конструкций. -М.: Наука, 1981.-344 с.

60. Металловедение и термическая обработка стали. Справочник: В 3-х т. Под ред. М. Л. Бернштейна, А. Г. Рахштадта. М.: Металлургия, 1983.

61. Москвитин В. В. Циклические нагружения элементов конструкций. М.: Наука, 1981.344 с.

62. Митропольский А. К. Техника статистических вычислений. М.: Наука, 1971.576 с.

63. Максимаджи А.И. Прочность морских транспортных судов. Вопросыприменения стали повышенной прочности. -JL: Судостроение, 1976. -312с.

64. Мюнзе В.Х. Усталостная прочность сварных стальных конструкций. -М.: Машиностроение, 1968. -311 с.

65. Новожилов В. В. О перспективах феноменологического подхода к проблеме разрушения.— В кн.: Механика деформируемых тел и конструкций. М.: Машиностроение, 1975, с. 349—359.

66. Новожилов В.В. О пластическом разрыхлении // ПММ, 1965, т. 29, вып. 4,с.681-689.

67. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. -М.: Изд. иностр. лит., 1954.

68. Неделько Е.Ю. Экспериментальное построение энергетического критерия разрушения конструкционной стали. Деп. №2284-80. -Л., 1980.

69. Нейбер Г. Концентрация напряжений. -М.: ОГИЗ, Гостехиздат, 1947.

70. Николаев Г.А., Куркин С.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции. Прочность сварных соединений и деформации конструкций: Учеб. пособие. -М.: Высш. школа, 1982. -272 с.

71. Новиков И. И. Дефекты кристаллического строения металлов: Учебное пособие для вузов,—3-е изд.—М.: Металлургия, 1983. 232 с.

72. Одинг И.А. Теория дислокации в металлах и ее применение. М.: Изд. АН СССР, 1959.

73. Писаренко Г.С., Лебедев А. А. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии. Киев: Наукова думка, 1976, 416 с.

74. Писаренко Г.С. В сб. Рассеяние энергии при колебаниях упругих систем. -Киев: Наукова Думка, 1963.

75. Писаренко Г.С., Трощенко В.Т., Бугай В.И. Исследование закономерностей усталостного разрушения методом динамической петли гистерезиса. -В сб. Прочность металлов при циклических нагрузках. -М.: Наука, 1967.

76. Павлов П.А. Механические состояния и прочность материалов. -Л.: Изд-во ЛГУ, 1980.-176 с.

77. Павлов П.А. Основы инженерных расчетов элементов машин на усталость и длительную прочность. -JL: Машиностроение, 1988. -252 с.

78. Павлов П. А., Селюков В. И. Влияние вида цикла изменения напряжения на коррозионно-усталостную прочность сталей при линейном напряженном состоянии. /Прочность материалов и конструкций. Труды ЛПИ, №343.-Л.:ЛПИ, 1975. — с. 45 + 47.

79. Петинов С.В. Основы инженерных расчетов усталости судовых конструкций. -Л.: Судостроение, 1990. -224 с.

80. Петерсон Р. Коэффициенты концентрации напряжений: Пер. с англ. -М.: Мир, 1977.-301 с.

81. Пузько В. Б. Энергетические закономерности усталости металлов при асимметричных циклах напряжений, Известия вузов / Машиностроение, 1983, с. 9-13.

82. Промышленный транспорт. Справочник проектировщика /Под ред. А.С. Гельмана, С.Д. Чубарова. М.: Стройиздат, 1984. -415 с.

83. Прочность металлов при циклических нагрузках. // материалы IV совещания по усталости металлов под редакцией д. т. н. В. С. Иванова. М: Наука 1967. 247 с.

84. Романив О. А. Вязкость разрушения конструкционных сталей. М. Металлургия, 1979. 176 с.

85. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. М.: Наука, 1966.-752с.

86. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. -М.: Наука, 1974. -560 с.

87. Ромашов Р.В. Исследование связи усталостного разрушения с энергетическими характеристиками процесса циклического деформирования металлов. Автореф. Дис. канд. техн. наук / Оренбург, 1978.

88. Серенсен С. В., Когаев В. П., Шнейдерович Р. М. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность М.: Машиностроение, 1975. 488 с.

89. Сорокин Г.М. Методика определения удельной энергии пластической деформации сталей // Заводская лаборатория, 1982. №10.

90. Спиваковский А.О., Дьячков В.К. Транспортирующие машины. -М.: Машиностроение, 1968. -504 с.

91. Справочник по кранам: В 2 т. Т. 1, 2 / В. И. Брауде, М. М. Гохберг, И. Е. Звягин и др.; Под общ. ред. М. М. Гохберга. М.: Машиностроение, 1988.

92. Субботницкий В. В., Иванов Б. Н. Программный комплекс расчета статически неопределимых пространственных ферм. — Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 1995. 76 с.

93. A. L. Skripko, G. A., Lavrushin Toughness study of pipeline dart of coal transshipment complex // Fourth International Young Scholars Forum of the Asia-Pacific Region Countries Vladivostok, Russia 2001.

94. A. L. Skripko, G. A., Lavrushin Capacity for work of flange connection bucketweel of the conveyer complex (reclaimer) // Fifth International Young Scholars Forum of the Asia-Pacific Region Countries Vladivostok, Russia, 2003.

95. Скрипко A. JL, Лаврушин Г. А. Работоспособность фланцевого соединения роторного колеса перегрузочного комплекса (реклаймера) // Сборник материалов научной конференции «Вологдинские чтения», Владивосток, 2003 г.

96. Технология конструкционных материалов: Учебник для вузов.— Прейс Г. А., Сологуб И А., Рожнецкий И. А. и др. Под ред. Г. А. Прейса. — Киев; Вища школа, 1984. 359 с.

97. Технология металлов и материаловедение. — Кнорозов Б, В., Усова Л, Ф., Третьяков А. В. и др. — М,: Металлургия, 1987. 800 с.

98. Трощенко В.Т. Усталость и неупругость металлов. -Киев: Наукова Думка, 1971,-258 с.

99. Трощенко В.Т. -ФТТ, 1960. т.2, вып. 6, с. 1060-1063.

100. Трощенко В.Т., Дроган В.И. Исследование деформационного гистерезиса при циклическом растяжении-сжатии и кручении // Проблемы прочности, №4, 1985.

101. Трощенко В.Т., Хамаза JI.A., Цыбанев Г.В. Методы ускоренного определения пределов выносливости на основе деформационных и энергетических критериев. -Киев: Наукова Думка, 1979. -224с.

102. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник / Под ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. -М.: Энергоиздат, 1982. 348 с.

103. Усталость и хрупкость металлических материалов // Под ред. д. т. н. В.С.Ивановой. -М.: Наука, 1967. 247с.

104. Тереньтьев В. Ф. Усталость металлических конструкций. — М.: Наука, 2003.-254 с.

105. Усталость металлов // Сборник статей М.: Изд-во иностранной литературы 1961, 402 с.

106. Федоров В.В. Термодинамические аспекты прочности и разрушения твердых тел. -Ташкент: Ф АН, 1979, -186 с.

107. Федоров В.В. Кинетика повреждаемости и разрушения твердых тел. -Ташкент: ФАН, 1985, -168 с.

108. Федоров В.В. 0 взаимосвязи поглощаемой материалом энергии циклических деформаций с усталостной прочностью. -В сб. Рассеяние энергии при колебаниях механических систем / Под ред. Г.С. Писаренко.-Киев: Наукова Думка, 1970, с. 280-292.

109. Федоров В.В. Исследование и разработка научных основ прогнозирования повреждаемости и разрушения металлов: Автореф. Дис. докт. техн. наук. -М., ВНИИЖТ, 1980.

110. Хэйвуд Р. Б. Проектирование с учетом усталости. М.: Машиностроение, 1969.-504с.

111. Циглер Г. Экстремальные принципы термодинамики необратимых процессов в механике сплошных сред. -М.: Наука, 1966.

112. Черепанов Г. П., Ершов Л. В. Механика разрушения М: машиностроение 1977. 224 с.

113. Шнейдерович Р. М. Прочность при статической и повторно-статическом нагружениях. М.: Машиностроение, 1968. 344 с.

114. Юшкевич В. Н. Определение пределов выносливости сварных крановых металлоконструкций Л., изд-во «Машиностроение», 1969 (Труды ЛПИ № 309).