автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Прогнозирование характеристик усталостной прочности металлов с учетом модифицированных поверхностных слоев

На правах рукописи

т од

-'Г* П М г* т * * "

' 1 ' I

ЩИПАЧЕВ Андрей Михайлович

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛОВ С УЧЕТОМ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ

Специальность 05.02.01 - Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Уфа-2000

Работа выполнена в Уфимском технологическом институте сервиса

Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор Шанявский A.A. доктор технических наук профессор Клевцов Г.В. доктор технических наук профессор Кузеев И.Р.

Ведущая организация - ОАО «Авиаагрегат», г. Самара.

Защита состоится « 19 » декабря 2000 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 003.98.01 в Институте проблем сверхпластичности металлов РАН 450001, г. Уфа, ул. С. Халтурина, 39.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института. Автореферат разослан « /С?» 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук

Р.Я. Лутфуллин

о

з. о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы определена потребностью разработки надежных инженерных методов прогнозирования усталостной прочности металлов и изделий из них, учитывающих влияние модифицированного поверхностного слоя детали после технологической обработки.

В силовых элементах конструкций высоконагруженных агрегатов потеря работоспособности определяется усталостным разрушением и изнашиванием. Эффективным направлением совершенствования технологии является создание методов проектирования технологических процессов на заданный ресурс изделий. Это обусловливает необходимость нахождения связи между ресурсом, долговечностью и технологическими факторами их обеспечивающими: методами обработки, элементами режимов обработки, технологическими маршрутами. Существует проблема расчетной оценки технологического воздействия на характеристики усталостной прочности - предел выносливости (ПВ) и усталостную долговечность (УД). Эти характеристики необходимо определять на любом этапе технологического процесса, при любом режиме обработки для проведения их сравнения и определения оптимального варианта, обеспечивающего заданную или максимальную усталостную прочность. Экспериментальным путем получение такого многообразия данных по УД невозможно или очень дорого, поэтому необходима разработка надежных расчетных методов.

Для определения ПВ в литературе имеются расчетные зависимости, однако, учет параметров качества в них производится с помощью либо обобщенных поправочных коэффициентов, либо регрессионных уравнений, определенных для частных случаев. Это свидетельствует о том, что физический механизм влияния комплекса параметров качества поверхностного слоя на ПВ не был ясен. Применительно к прогнозированию УД расчетных зависимостей такого вида получено не было.

Перспективным для решения проблемы является энергетический подход как наиболее универсальный, пригодный ко всем металлическим материалам. В диссертации при решении проблемы была использована развитая автором термодинамическая теория прочности металлов в сочетании с подходами линейной механики разрушения и синергетики.

Связь работы с научными программами и темами. Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Надежность и безопасность технических систем», тематических отраслевых программ «Авиационная технология» и «Надежность конструкций», а также межвузовской целевой научно-технической программы «Повышение качества и надежности продукции, программное обеспечение ЭВМ и технические средства обучения» (КНП-2000).

Целью работы является разработка методологии и методов прогнозирования характеристик усталостной прочности - ПВ и УД с учетом влияния на эти характеристики модифицированного поверхностного слоя детали после технологической обработки.

Основными задачами, решаемыми в работе, являются: 1. Разработка моделей учета модифицированных поверхностных слоев (комплекса параметров качества поверхностного слоя) при прогнозировании ПВ и УД в многоцикловой области; 2. Разработка соответствующих расчетных методов с учетом этих моделей на основе энергетического (термодинамического) подхода и подходов линейной механики разрушения и синергетики применительно к циклическому нагружению. В рамках решения основных задач решались частные задачи:

-модифицирование термодинамической теории прочности, развитой В.В. Федоровым, с учетом подходов синергетики и механики разрушения;

-вывод расчетных зависимостей для УД и ПВ для различных случаев расчета (напряженного состояния, условий нагружения, исходных данных и

др-);

-исследование энергии активации усталостного разрушения, входящей в зависимость для УД, с целью установления основных закономерностей ее из-

менения от температурно-силовых факторов и разработки метода ее расчетного определения;

-разработка методов определения структурных параметров термодинамической теории прочности по результатам испытаний на статический разрыв и по твердости;

-разработка методов определения ПВ металлов по результатам испытаний на статический разрыв и по твердости, а также при асимметричном цикле переменных напряжений;

-разработка модельных представлений об усталостной повреждаемости и разрушении с точки зрения термодинамической теории прочности для объяснения влияния параметров качества поверхностного слоя, концентрации напряжений и других факторов на УД и ПВ;

-определение периода роста усталостной трещины (периода сосредоточенного разрушения) на основе разработанных моделей и соответствующих расчетных зависимостей для расчета общей УД детали до разрушения;

-оценка адаптивной способности материала детали на основе синергети-ческого подхода;

-экспериментальное подтверждение (с использованием данных автора и других авторов) установленных расчетных зависимостей и методов;

-демонстрация на примере деталей взлетно-посадочных устройств эффективности метода расчета УД для выбора рациональных режимов, технологических маршрутов обработки поверхности и определения ресурса работоспособности.

Научная новизна работы. Разработка расчетных методов и моделей повреждаемости поверхностного слоя для прогнозирования УД и ПВ, учитывающих влияние модифицированных поверхностных слоев, основанных на новых научных результатах:

-на базе модифицированной термодинамической теории прочности и механики разрушения установлены расчетные зависимости для прогнозирования

УД и ПВ, учитывающие комплекс параметров качества поверхностного слоя, структуру материала, напряженно-деформированное состояние, условия эксплуатации, в том числе при высокой температуре;

-разработаны модельные представления, раскрывающие механизм влияния модифицированного поверхностного слоя на УД и ПВ: модель развития трещины в локальной зоне минимальной долговечности (гипотеза наиболее опасного поверхностного слоя), модель дискретного изменения кинетики накопления повреждаемости локальной области при подходе усталостной трещины; предложен критерий состояния локальной области (мезообъема);

-целенаправленный выбор на основе разработанных расчетных методов технологии, в частности, методов и режимов обработки, обеспечивающих оптимальные показатели усталостной прочности;

-установление закономерностей изменения энергии активации усталостного разрушения в широком диапазоне напряжений и температур;

-разработка метода оценки адаптивной способности материала к внешнему фактору;

-разработка модифицированного метода расчета УД по базовым кривым усталости при нерегулярных режимах циклического нагружения.

Вклад соискателя. Автор разработал методологию и методы прогнозирования характеристик усталостной прочности металлов с учетом модифицированных поверхностных слоев, провел анализ литературных данных и собственные экспериментальные исследования, подтверждающие справедливость развиваемого подхода и методов.

Достоверность результатов работы подтверждена: экспериментальными исследованиями на сталях ЗОХГСНА, У8, титановых сплавах ВТЗ-1, ВТ18У, а также экспериментальными данными других авторов. Прочностные и пластические свойства при нормальных и повышенных температурах при одноосном статическом растяжении определяли на прессе 1ш1:гоп , испытания на усталость проводились на машине МУИ-6000, электродинамическом вибростенде ВЭДС-

400. Микротвердоств исследовали на приборах ПМТ-З и Neophot, твердость -на приборе ТП-7р-21. Также использовали физические методы исследования: методы рентгеновской дифрактометрии (аппарат ДРОН-ЗМ) и экзоэлектронной эмиссии (экспериментальная установка). Шероховатость поверхности определяли на профилографе-профилометре, технологические остаточные напряжения - на приборе ПИОН (метод H.H. Давиденкова). Проведены: -статистическая обработка экспериментальных данных; -систематический метрологический контроль точности измерительных приборов;

-сравнение расчетных значений характеристик усталостной прочности с экспериментальными (как своими, так и данными других авторов).

Научная и практическая значимость выполненных исследований и разработок состоит в том, что полученные в диссертационной работе результаты теоретических и экспериментальных исследований дают новые более глубокие представления о процессах повреждаемости поверхностных слоев изделий при циклическом нагружении, учитывающие динамику процесса, состоящую из двух стадий: рассеянного и сосредоточенного разрушения. Это позволяет более целенаправленно подходить к управлению усталостной прочностью и долговечностью изделий при многоцикловом нагружении путем управления состоянием поверхности с использованием различных методов и режимов технологического воздействия. Разработанные методы могут быть использованы для решения следующих задач:

-выбора оптимального варианта технологии (технологического маршрута, режимов обработки) для обеспечения заданной или максимальной усталостной прочности путем расчетной ее оценки;

-определения причин разрушения деталей от технологических факторов и разработка мероприятий по их устранению;

-оценки ресурса работоспособности деталей, расчетного построения кривой усталостной прочности, определение коэффициентов запаса усталостной

прочности по результатам замера параметров качества поверхностного слоя.

Метод расчета усталостной долговечности успешно применен для выбора оптимального маршрута и режимов (на операциях чистового точения и пнев-модинамического упрочнения) финишной и упрочняющей обработки авиационных деталей (на ОАО «Авиаагрегат», г. Самара, и Кумертауском авиационном производственном предприятии). Суммарный годовой экономический эффект составил 400 тыс. рублей. Разработан модифицированный метод расчета УД по базовым кривым усталости, позволяющий производить более точное определение усталостных свойств опасных сечений и детали в целом без проведения испытаний на усталость. На основе разработанных моделей и методов расчета УД был проведен анализ причин разрушения деталей шасси типа «раскос» (изделие ТУ-204): было выявлено, что причиной разрушения по внутренней поверхности явился технологический фактор, предложено с целью устранения причины разрушения применить упрочняющие методы обработки.

На защиту выносятся следующие положения:

1 .Модели усталостной повреждаемости и разрушения с учетом влияния модифицированных поверхностных слоев: развития трещины в локальной зоне минимальной УД или минимального ПВ; дискретного роста усталостной трещины в зависимости от критерия локального состояния металла.

2.Расчетные зависимости и методы определения энергии активации и структурных параметров термодинамической теории прочности для различных металлов в широком диапазоне напряжений и температур.

3. Расчетные зависимости и методы прогнозирования УД (в многоцикловой области) и ПВ металлов с учетом влияния модифицированных поверхностных слоев.

4.Применимость разработанных методов для выбора оптимальных маршрутов и режимов финишной обработки деталей.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на научных конференциях, совещаниях, семинарах, в том числе на: Всесоюзной

научно-технической конференции «Роль молодых ученых и специалистов в развитии научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте» (г. Москва, 1984), II Всесоюзной научно-технической конференции «Надежность и долговечность машин и приборов» (г. Куйбышев, 1984), Зональной научно-технической конференции «Методы повышения производительности и качества обработки на оборудовании автоматизированных производств» (г. Ярославль, 1985), Международном симпозиуме по механохимии (г. Ташкент, 1995), научно-технической конференции АН РБ «Проблемы машиноведения, конструкционных материалов и технологий» (г. Уфа, 1997), Международной научно-практической конференции «Сервис большого города» (г. Уфа, 1999), Международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе, Проблемы конструкционной прочности двигателей», (г. Самара, 1999).

В законченном виде диссертация обсуждалась на научных семинарах: в Институте металлургии и материаловедения им. A.A. Байкова РАН, Институте проблем сверхпластичности металлов РАН, Уфимском государственном авиационном техническом университете, Уфимском государственном нефтяном техническом университете. Уфимском технологическом институте сервиса.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 работ, в том числе две монографии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературных источников и двух приложений. Общий объем работы 284 е., в том числе 76 рисунков, 26 таблиц, 180 наименований списка литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность проблемы прогнозирования характеристик усталостной прочности: для оценки влияния технологического воздействия, оценки эксплуатационного ресурса. Для разработки таких методов

необходимо основываться на научной теории, которая бы наиболее полно отражала кинетические процессы, происходящие при усталости, обладала бы некоторым обобщенным, универсальным подходом, что позволило бы решать частные задачи, произвести научно обоснованный учет влияния модифицированных поверхностных слоев материала детали (параметров качества поверхностного слоя). Показано, что к настоящему времени расчетные методы прогнозирования долговечности деталей с учетом состояния поверхностных слоев отсутствуют.

Первая глава характеризует состояние проблемы. Дается краткий обзор развития знаний об усталости металлов, отмечается значительный вклад российских ученых: И.А. Одинга, C.B. Серенсена, H.H. Давиденкова, И.В. Кудрявцева, B.C. Ивановой, В.Ф. Терентьева, JI.M. Школьника, В.Т. Трощенко, С.И. Кишкиной, В.П. Когаева, а также иностранных: А Котрелла, Ж. Фриделя, Т. Екобори, Дж. Хирта и др.

Для достижения высоких показателей надежности, долговечности, безопасности эксплуатации машин необходимо иметь достаточно точные методы их прогнозирования, основанные на использовании достижений фундаментальных наук.

При рассмотрении проблемы прогнозирования характеристик усталостной прочности имеются два основных подхода: эмпирический и феноменологический. При эмпирическом подходе предел выносливости или усталостная долговечность определяются (эмпирически) как функции либо физико-механических и других параметров материала, либо переменных технологических факторов (элементы режима обработки, вид операции, технологический маршрут и т.д.). Эмпирический подход прост по средствам реализации, но ограничен пространством эксперимента: не позволяет прогнозировать УД и ПВ при других условиях эксперимента. При феноменологическом подходе аналитические выражения для УД и ПВ строятся на физически обоснованных представлениях о прочности и разрушении. Феноменологический подход является

более универсальным: при определении параметров аналитических выражений (экспериментальном или теоретическом) можно применять их в широком диапазоне напряжений, температур, материалов и др. условий.

Для разработки методологии прогнозирования характеристик усталостной прочности в качестве теоретической основы подходят теории, основанные на универсальных подходах к сложным системам. Эти подходы, в основном, следующие: статистический, энергетический (термодинамический) и синерге-тический.

Следует отметить, что в теории, которую можно принять за основу для разработки методов прогнозирования, должны содержаться критерии повреждаемости и критерии разрушения (достижения предельного состояния), определяемые косвенными (не из самих усталостных испытаний) методами. Причем, критерии разрушения должны быть инвариантными, то есть независимыми от предыстории нагружения (температурно-силовых факторов): при достижении определенного (предельного) значения критерия разрушения происходит разрушение (локального объема материала или всего тела).

Энергетический (термодинамический) подход позволяет рассматривать произвольно сложные системы с единой точки зрения. В энергетических теориях усталостной повреждаемости и разрушения прогнозирование усталостной прочности основывается на энергетических (термодинамических) и деформационных характеристиках материала детали: суммарной энергии неупругого деформирования , суммарной энергии пластической деформации и т.п. Эти методы перспективны, однако принятые в качестве критериев усталостного разрушения некоторые энергетические характеристики не обладают инвариантностью и зависят от условий процесса.

Синергетический подход в России наиболее активно развивают B.C. Иванова, К.А. Встовский, В.Е. Панин, A.C. Баланкин, Г.П. Гуров и др. Из анализа разрушения с позиций синергетики следует, что сопротивление разрушению твердых тел или их локальных объемов определяется их диссипативными свой-

ствами (связанными с фрактальной размерностью). Определением критериев повреждаемости и разрушения с синергетических позиций никто (пока) не занимался. Однако, поскольку синергетика «вышла» из термодинамики, то и движущие силы, направления развития, критерии того или иного процесса с точки зрения синергетики являются по сути термодинамическими или энергетическими.

При рассмотрении характеристик усталостной прочности на микроуровне необходимо основываться на кинетическом подходе к прочности твердых тел, основателем которого является С.Н. Журков. На мезоуровне анализ кинетики развития усталостной повреждаемости, которая занимает значительную долю от общей долговечности детали, требует привлечения механики разрушения применительно к поверхностным слоям.

Роль поверхности на микроуровне рассматривалась в работах В.П. Алехина, В.Ф. Терентьева, A.A. Шанявского, В.М. Горицкого, В.И. Владимирова и др. При этом сложились представления о геометрических характеристиках (неровностях) поверхности и параметрах, описывающих напряженно-деформированное и физико-химическое состояние поверхностного слоя (М.А. Балтер, И.А. Биргер, М.А. Елизаветин, С.Т. Кишкин, Б.И. Костецкий, Б.А. Кравченко, И.В. Кудрявцев, A.A. Маталин, B.C. Мухин, Д.Д.Папшев, A.B. Под-зей, Ю.В. Полынин, Э.А. Сатель, A.M. Сулима и др.).

Среди множества параметров, характеризующих качество поверхностного слоя, Г.А. Кулаковым расчетом методом ранжировки полезности по Хар-рингтону выявлено, что доминирующую роль по влиянию на эксплуатационные свойства принадлежит твердости, технологическим остаточным напряжениям, характеристикам микрогеометрии поверхности.

По-видимому, теоретической базой при создании моделей, расчетных зависимостей с целью учета влияния параметров качества поверхностного слоя или их комплексов должна быть та же теория усталости, на основе которой производится прогнозирование характеристик усталостной прочности и соот-

ветствующие модели должны быть «встроены» в эту терию. До настоящего времени подобные подходы отсутствовали. Усталостная долговечность при заданном уровне переменных напряжений вообще не рассматривалась с точки зрения ее прогнозирования. Предел выносливости рассматривался с учетом некоторых параметров поверхностного слоя, но модели были качественными (В.П. Когаев, A.M. Сулима и др.).

Заслуживают интереса ряд энергетических (термодинамических) теорий прочности: Ламберта, Фюрта, Борна, Н. Закшевского, И.А. Одинга, B.C. Ивановой, Н.Ф. Лашко, К.А. Осипова, основанных на подобии процессов механического и термического видов разрушения, в частности, при плавлении. Однако существуют два обстоятельства, затрудняющих применение термодинамических теорий для решения прикладных задач прогнозирования разрушения реальных твердых тел:

-энергия (работа), затраченная на деформирование и разрушение твердого тела Ud, сопоставляется с одной из термодинамических характеристик вещества (теплотой сублимации Qc, энтальпией материала в твердом АНтв или жидком АНs состояниях при температуре плавления, скрытой теплотой плавления Ls и т.д.); при этом первая величина (Uj) является характеристикой процесса и для одного и того же материала изменяется в широких пределах в зависимости от условий, в которых протекает процесс, вторая же величина, с которой сопоставляется Ud, является термодинамической константой материала;

-нерешенным остается вопрос о том, какая из термодинамических характеристик вещества должна быть принята в качестве критерия разрушения.

Теорией, базирующейся как на молекулярно-кинетическом подходе к прочности, так и на энергетическом (термодинамическом) и использующим, в частности, идею о независимости вида подводимой энергии для разрушения, является термодинамическая теория прочности, основы которой были заложены В.В. Федоровым. Приводится сжатое изложение ее основных положений и выводов. В диссертации предложена модифицированная теория В.В. Федорова.

С точки зрения интересующей нас проблемы прогнозирования характеристик усталостной прочности, критерием, однозначно определяющим повреждаемость тела, является плотность внутренней (скрытой) энергии ие мезообъ-ема, представляющая разность энергии деформирования и теплового эффекта деформации (что в свое время В.В. Федоровым было теоретически и экспериментально доказано). Разрушению локальной области тела (достижению критической величины усталостной трещины в теле) будет соответствовать критическое значение иекоторое при усталости численно совпадает с энтальпией ДНш материала в твердом состоянии при температуре плавления. В случае ПВ ие возрастает, асимптотически приближаясь к значению ие,. В частности, В.В. Федоровым были выведены аналитические зависимости: - скорости накопления плотности внутренней (скрытой) энергии йе, -длительной прочности (УД) как для области, характеризующейся напряжениями, близкими к ПВ, так и для напряжений, соответствующих ограниченной

УД.

Вторая глава посвящена разработке расчетных методов определения энергии активации и структурных параметров термодинамической теории, знание которых необходимо для прогнозирования характеристик усталостной прочности.

Для определения энергии активации были использованы данные Р.В. Ромашова экспериментальных исследований энергетического баланса процесса усталостного разрушения сталей. Исследования проводились на гидропульсаторе ЦДМ-Пу-10 при симметричном цикле растяжения-сжатия частотой / = 12,5 Гц. Энергия, поглощаемая исследуемым материалом в процессе циклического деформирования, измерялась по параметрам динамических петель гистерезиса. Образцы термостатировались. Определялась мощность теплового потока по показаниям дифференциальных термопар.

Показано, что расчетную формулу для энергии активации 1} целесообразно представить в виде:

и = и0-Аи{т)+П£п{аъ)уо1,

(1)

где и0 - энергия активации при отсутствии внешних напряжений (а = 0) и при нормальной температуре окружающей среды ( порядка 293 К), Д и(т) - изменение энергии активации, вызванное изменением температуры, сг2/ - суммарная интенсивность напряжений, у - комплексный структурный параметр, определяемый по формуле:

где а, /3, V- структурные параметры прочности.

Автором было показано, что коэффициент V целесообразно определять по регрессионным уравнениям вида у = Ъ + с ■ оа, параметры которых были найдены для сталей 25, 45, 40Х, 20X13.

Методом итераций была определена энергия активации, подтверждена зависимость (4), показано, что энергия активации для исследованных материалов изменяется в сравнительно узких пределах (С/0 =15157...16106 МДж/м3 ) и хорошо коррелирует с энергией активации образования вакансий. Это подтверждает вакансионную концепцию усталостной повреждаемости.

Энергия активации, ее составляющие и структурные параметры прочности были также исследованы по результатам испытаний на усталость - как на основе собственных экспериментальных данных, так и на основе имеющихся в литературе. Было также произведено сравнение энергии активации, определяемой по формуле (1) и энергии активации, входящей в известную темпера-турно-временную зависимость С.Н. Журкова. Формула (1) отличается от формулы Журкова квадратичной зависимостью энергии активации от напряжений

Исследована энергия активации усталостного разрушения при повышенных температурах. При этом были использованы экспериментальные данные B.C. Мухина по УД жаропрочных сплавов ХН70ТЮР и ХН51ВМТЮКФР в

(2)

широком диапазоне напряжений и температур и данные по прочностным и пластическим свойствам указанных сплавов при растяжении в диапазоне температур от 20 до 950 0 С. Поверхность образцов была обработана электрополированием, часть образцов имела сквозной наклеп растяжением (¿>= 2,5 %). На основе этих данных был определен структурный параметр у. Было сделано предположение, что аналитические зависимости для расчета УД, полученные для нормальной температуры, пригодны также и для расчетов при высоких температурах. Отличия будут заключаться в значениях энергии активации и структурных параметров Энергия активации определялась методом интерполяции (по Ньютону) на основе зависимостей для УД. По результатам расчетов определено, что с увеличением сга энергия активации уменьшается, что согласуется с теоретическими представлениями. При температуре 750 °С большей энергией активации обладают упрочненные образцы по сравнению с электрополированными во всем рассматриваемом диапазоне напряжений. При температурах 850950 °С при напряжениях выше 260-280 МПа большей энергией активации обладают упрочненные образцы, а при меньших напряжениях - электрополированные. Известно, что энергия активации U с энергетических позиций определяет прочность и долговечность тела. С другой стороны, очевидно, что, чем больше величина переменных напряжений <ja, тем меньше УД или ресурс детали.

Таким образом, можно констатировать наличие температурно-ресурсных зон работоспособности сплавов (ранее описанных B.C. Мухиным). Термодинамический подход к прочности показал, что характер влияния упрочнения на УД материала зависит от длительности и температуры испытания. Определено, что зависимость энергии активации от температуры может быть представлена квадратичной интерполяцией и что она имеет максимум в зоне температур 820-830 °С для электрополированных образцов, а после сквозного наклепа смещается в зону 850-860 °С. Для сплава ХН70ТЮР максимум находится в об-

ласти 800-830 0 С. Наличие этого максимума объясняется эффектом упрочнения от деформационного старения.

Были определены параметры регрессионных уравнений вида Д£/(г) = /(7,) по интерполяционной формуле Ньютона для сплава ХН51ВМТЮКФР при напряжениях ста~ 300 МПа; для электрополированных образцов это уравнение имеет вид

Д(/(Г) =-1.1956-Г2 +2614-Г-993537, (3)

а для образцов после сквозного наклепа растяжением -

АЩТ) = -1.7657 • Т2 + 3984,6 • Т -1793845. (4)

Основными структурными параметрами термодинамической теории прочности являются: коэффициент перенапряжений на межатомных связях ка и начальный уровень плотности внутренней (скрытой) энергии ие0. Параметр ка входит в выражения для структурных параметров а и @ :

-ж» (5) (б)

где С - модуль сдвига, К - модуль объемной упругости. А в свою очередь, а и ¡5 входят в выражение (2) для комплексного структурного параметра у.

Разработка методов определения параметров ка и ие0 определяет возможность расчетного определения энергии активаци и усталостного разрушения. В этой связи были разработаны следующие методы определения структурных параметров.

1 .По результатам статических испытаний на растяжение - с использованием зависимостей:

• КЛв (7) и (8)

где 50,- истинное сопротивление сдвигу, сгт - предел текучести. Для сравнения ка был определен также по результатам усталостных испытаний (данные автора и литературные данные) через структурный параметр у по зависимостям (2)-

(6). Показано хорошее соответствие рассматриваемого метода опытным данным.

2.По твердости - на основе установленной тесной корреляционной связи 50» с твердостью НУ и НВ. На основе обширного массива данных по механическим свойствам, включающий 268 наименований сталей и сплавов были получены регрессионные зависимости:

Коэффициент корреляции составил г= 0,957. При определении ка и ие0 по твердости г соответственно равен 0,953 и 0,78. Для исследуемых сталей 30ХГСНА, У8 и титанового сплава ВТЗ-1 в различных структурных состояниях (достигаемых термообработокой) были получены аналогичные регрессионные зависимости при достаточно высоких коэффициентах корреляции. Твердость -один из параметров качества поверхностного слоя - важнейший и достаточно легко замеряемый в некоторой локальной области по глубине поверхностного слоя, поэтому установление связи ка и ие0 с твердостью представлялось важным.

З.По интенсивности экзоэлектронной эмиссии / и относительным микроискажений кристаллической решетки Ао/ (поисковые исследования). Определяли связь указанных характеристик с твердостью НУ в исходном состоянии и напряжением течения 5, . Было показано, что экзоэлектронная эмиссия падает по мере роста твердости, обусловленного увеличением структурного упрочнения (достигаемого термообработкой) и возрастает при росте деформационного упрочнения (напряжений течения). Микроискажения в обеих сталях возрастают с ростом твердости, обусловленной как термообработкой, так и увеличением напряжений течения (для образцов всех термообработок). Поскольку величины микроискажений кристаллической решетки имеют те же закономерности

50. =0,46#Г +65, = 0,5 \НВ +70.

(9)

(10)

изменения, что и твердость (в рассматриваемых нами случаях), то величина ^а/а может быть рекомендована для определения структурных параметров

кп, ие0. Экзоэлектронная эмиссия зависит от природы упрочнения и не является однозначной характеристикой усталостных свойств.

Были проведены также исследования влияния на твердость технологических остаточных напряжений, которые моделировались на специально разработанном приспособлении созданием упругих напряжений растяжения и сжатия. В напряженном состоянии замерялась твердость НУ. Испытывались образцы из стали ЗОХГСНА после электрополирования, шлифования сплошным и прерывистым кругами, алмазного выглаживания, механотермического упрочнения и образцы из титанового сплава ВТЗ-1 после чистового точения и поверхностно-пластического деформирования шариками. Для каждого материала и вида обработки были определены эпюры остаточных напряжений. В результате исследования была установлена линейная зависимость твердости от упругих напряжений. Были определены соответствующие регрессионные зависимости для исследуемых материалов. Метод твердости может быть применен в ограниченных пределах для ориентировочной оценки величины остаточных напряжений. Точность его, как было определено, составляет порядка ±17%.

В рамках рассматриваемой главы проведены также исследования по связи твердости с циклической повреждаемостью стали ЗОХГСНА после электрополирования и шлифования. Образцы испытывались до различных степеней циклической наработки растяжением-сжатием при 800 МПа. В результате были построены кривые распределения твердости в зависимости от числа циклов наработки и глубины залегания исследуемого слоя, из которых видно, что для слоев, расположенных на глубине 0,27 и 0,37 мм, с увеличением циклической наработки происходит стабильный рост микротвердости и снижение ее рассеяния (дисперсии). Это свидетельствует о том, что накопление энергии при циклическом нагружении происходит в первую очередь в микрообъёмах, имеющих ми-

нимальную твердость (наиболее «слабых»), поскольку их упрочнение вызывает уменьшение дисперсии.

Таким образом, разработаны физические предпосылки для создания расчетных методов определения структурных параметров прочности (в частности, в локальных областях) и энергии активации, что необходимо для прогнозирования усталостной долговечности и предела выносливости.

Третья глава посвящена разработке моделей влияния модифицированных поверхностных слоев на характеристики усталостной прочности, на базе подходов термодинамической теории прочности, линейной механики разрушения применительно к циклическому нагружению.

Существующие теории Гриффитса, Ирвина-Орована, Дж. Си, Черепано-ва-Райса, В.Т. Трощенко и др. определяют критерии локального разрушения: в них не рассматриваются условия возникновения трещин. Эти теории отображают лишь условия наступления критического состояния по разрушению в теле с исходной трещиной без учета времени и кинетики процесса как в докритиче-ском, так и в закритическом состояниях. На базе термодинамической теории прочности был предложен критерий локального состояния — плотность внутренней (скрытой) энергии ие, отражающий условия возникновения, закономерности роста трещин, явление «аккумулирования» энергии, «исчерпания пластичности», повреждаемости локальной области (мезообъема), в которой находится вершина трещины. При достижении критического значения этого критерия должно происходить разрушение локальной области, скачок трещины через эту область. Модельные представления об условиях и кинетике роста усталостной трещины были разработаны с использованием предложенного критерия.

На основе термодинамической теории прочности получена модифицированная формула Пэриса-Эрдогана (определяющая скорость роста усталостной трещины на стадии стабильного ее распространения) и аналитическое выражение для определения параметра С0 через комплекс энергетических, структурных параметров и параметров напряженно-деформированного состояния.

Дискретный характер приращения длины трещины связан с конечным размером пластической зоны {зоны предразрушения), примыкающей к вершине трещины. Страгивание и рост трещины происходят при условии, когда критерий состояния ие на некотором расстоянии ¿''(определяющем зону предразрушения) от вершины конструктивного концентратора (или вершины трещины при ее образовании) достигает своего критического значения. При достижении критического значения ие„ в зоне предразрушения происходит ее разрушение и

скачок трещины на величину А/=8 *. В свою очередь, критерий состояния ие определяется напряженно-деформированным состоянием и структурой локальной области (через структурные параметры ка,ие0 V).

С позиций синергетики критерий локального состояния ие является управляющим параметром, контролирующим пластическую деформацию на мезоуровне. Критическое его значение ие, является константой, связанной с термодинамическими свойствами кристаллической решетки. Следовательно, в наших представлениях используется для оценки достижения точки неустойчивости при переходе от нестабильности пластической деформации к нестабильности разрушения (точки бифуркации).

В рамках рассматриваемой проблемы - учета влияния модифицированных поверхностных слоев на усталостную прочность были исследованы условия (критерии) торможения трещин, а также условия для их последующего роста. Торможение трещины происходи тогда, когда происходит диссипация подводимой энергии, рассеяние ее в окружающую среду и при циклическом на-гружении процесс повреждаемости и разрушения не развивается. При этом организуются упорядоченные диссипативные структуры, обусловленные мощностью подводимой энергии. Следует при этом отметить, что реализация такого варианта развития процесса возможна также применительно к деталям, процесс нагружения которых сопровождался накоплением усталостных повреждений и ростром трещины, но затем вследствие изменения либо подводимой энергии (за

счет снижения сга), либо структурных изменений (приведших к повышению ■ предела выносливости сгк ), либо по другим причинам, создались условия для диссипации энергии. Этим можно объяснить явление неразвивающихся усталостных трещин. Условия торможения трещины: критерий состояния ие асимптотически приближается к значению ие,, не превышая его (как в случае предела выносливости); размах интенсивности напряжений в вершине трещины АК меньше порогового АК,к, то есть АК< АК,И\ амплитуда переменных напряжений оа меньше величины ПВ <тк, то есть ега ч <хд. Величины ак и АКЛ зависят от состояния модифицированного поверхностного слоя - твердости, остаточных напряжений, шероховатости поверхности и др. факторов. Вследствие влияния модифицированного поверхностного слоя, повышение ак и ДК^ в локальной области, лежащей на траектории трещины, может затормозить ее рост.

Заторможенная трещина вследствие флуктуаций энергии все же медленно растет (на микроуровне) и переходит границу локальной области (перед которой она была заторможена). При этом происходит повышение циклических напряжений оа в этой области вследствие концентрации напряжений в вершине трещины, определяемых по формуле:

1 ^ , К'

°"тр.экВ = Т~ Л СТтС +

= ^ + 2 (11)

тр,ЭН! Ах о I ) Ах л/2лАх

где К] - коэффициент интенсивности напряжений первого рода; егт- предел текучести; С -коэффициент; Ах- размер локальной области. Тогда возможно АК >- АКЛ, аа >- сг_1, что означает, что условия для роста усталостной трещины существуют. При подходе усталостной трещины к границе локальной области ее диссипативная структура разрушается, ие возрастает интенсивнее вплоть до своего критического значения ие%, что соответствует разрушению. Таким образом, рост ранее заторможенных трещин объясняется накоплением

повреждаемости и концентрацией напряжений в локальной области, примыкающей к вершине трещины.

Разработаны две разновидности модели роста трещины. Их отличия в размере локальной области: в первой он принимается равным длине микроскач-

Рис. 1. Диаграмма нагружения локальной области, лежащей на траектории трещины (а) и кинетическая кривая повреждаемости (накопления внутренней энергии ие) (б): 1, 2, 3,..., п — 1, п - ступени нагружения; разрушение локальной области.

ка усталостной трещины, во второй ее размер определяется условием неизменности физико-механических свойств. Согласно обеим моделям, некоторая г -я локальная область подвергается п ступеням нагружения, что обусловлено постепенным дискретным подходом трещины к этой области и соответствующим повышением концентрации напряжений (рис.1). Это вызывает дискретное увеличение скорости накопления плотности внутренней (скрытой) энергии ие. На последней, п -й ступени г -я локальная область накапливает энергию, равную критической (ие-ие,), происходит ее разрушение. На основе этой модели был разработан «цепной» метод расчета периода роста трещины (живучести) детали.

Были разработаны модели учета влияния модифицированных поверхностных слоев при определении характеристик усталостной прочности на стадии рассеянной повреждаемости - модели развития трещины в локальной зоне минимальной УД (ПВ) или гипотеза «наиболее опасного слоя».

Применительно к определению УД: если поверхностный слой по глубине разбить на ряд подслоев, достаточно тонких, в которых можно принять градиенты распределений комплекса параметров качества поверхностного слоя равными нулю, рассчитать (по полученным автором расчетным зависимостям) УД N каждого подслоя (рис.2), определить распределение N по глубине от поверхности, то можно определить некоторые локальные минимумы этого распределения. В них в первую очередь происходит зарождение усталостной трещины. Однако условием дальнейшего ее роста является протяженность зоны этого минимума (вдоль траектории трещины, обычно по нормали к оси детали). Величина (протяженность) минимума должна соответствовать критической, пороговой величине нераспостраняющейся усталостной трещины, в нашем обозначении 1Л, соответствующей АКЛ (при / >- 1Л трещина начинает расти). Тот локальный минимум, в котором может прорасти трещина длиной будет являться очагом развития магистральной трещины, «наиболее опасным слоем»,

N

зона 1-го локального минимума

' V »

зона 2-го локального минимума

X

Рис.2. Схема, поясняющая модель развития трещины в локальной зоне минимальной УД—гипотезу «наиболее опасного поверхностного слоя»

если в нем 1Л будет соответствовать меньшей УД N — Nmin по сравнению с другими локальными минимумами. Величину Л?т!п можно принять за период квазигомогенной (рассеянной) повреждаемости. В свою очередь, 1Л определяется из формулы для АКЛ и является функцией амплитудныхаа , средних<тт напряжений цикла и зависит от марки стали и сплава.

Рассмотрим модельные представления, относящиеся к ПВ. Как и при рассмотрении УД, поверхностный слой по глубине мысленно разбивается на ряд тонких подслоев по тому же принципу. В каждом из подслоев определяется ПВ по формуле, полученной автором и учитывающей параметры структуры и напряженного состояния. Определяется распределение ПВ по глубине поверхностного слоя. Касание эпюры внешних напряжений кривой распределения ПВ означает, что внешние напряжения соответствуют ПВ детали: <7а = ак. Отсюда можно определить сгя и очаг разрушения. Удобнее это сделать графически

(точность достаточна для инженерных расчетов) - это будет отрезок, отсекаемый этой эпюрой по оси а. Отличие от похожего подхода В.П. Когаева заключается в том, что у нас распределение ПВ рассчитано по вышеуказанной зависимости. У В.П. Когаева распределение ПВ имеет качественный характер и на основе него можно сделать лишь качественные, но не количественные выводы.

В литературе принято рассматривать три стадии роста усталостной трещины: /- рассеянной повреждаемости, II- стационарного роста и III- долом. Нами предлагается в общем случае для учета влияния модифицированных поверхностных слоев на кинетику роста трещин рассматривать стадию II как состоящую из трех частей. Рассмотрим все стадии подробнее.

Стадия I— стадия рассеянной повреждаемости, вплоть до образования трещины длиной lth. На этой стадии отсутствует локализация процесса разрушения и для ее описания можно принять аппарат термодинамической теории прочности.

Стадия IIa - стабильный, стационарный рост усталостной трещины по механизму нормального отрыва. Для описания этой стадии необходим синтез термодинамического подхода и механики разрушения.

Стадия 116 - торможение усталостной трещины, вызванное подходом вершины трещины к зоне повышенной УД (обусловленной наличием упрочнения и соответствующего остаточного напряженного состояния). Происходит накопление повреждаемости в зонах предразрушения, ускоряемое концентрацией напряжений от вершины трещины.

Стадия Ив: Прорастание трещины через упрочненный слой. Продолжение стационарного роста усталостной трещины по механизму нормального отрыва до размера lK_N, где через lK_N мы обозначили критический размер трещины, связанный с нестабильностью разрушения.

Стадия III - ускоренное развитие магистральной усталостной трещины, при котором вся энергия упругого деформирования затрачивается на ее рост. Происходит долом детали.

Число циклов, соответствующее периоду торможения трещины 116, может изменяться от нуля до бесконечности. Нижний предел соответствует отсутствию препятствий ее роста. Верхний предел соответствует образованию не-распространяющихся усталостных трещин, явлению залечивания трещин.

Таким образом, роль модифицированных (в частности, упрочненных) поверхностных слоев выражается в том, что, во-первых, от них зависит расположение очага усталостного излома по глубине поверхностного слоя (представления о «наиболее опасном слое»), во-вторых, они замедляют скорость распространения усталостной трещины при переходе через них.

Разработаны аналитические зависимости для оценки показателя предрасположенности к организации диссипативных структур (меры «удаленности» от состояния термодинамического равновесия), получены аналитические выражения для определения фрактальной размерности через механические свойства металла; получено термодинамическое условие образования диссипативных структур, что позволяет производить оценку адаптивной способности материалов. С;

В четвертой главе приводятся расчетные зависимости и методы расчета УД. УД детали / - во временной размерности или N - в циклах нагружения определяется суммой долговечностей:

М=Ы,+МП, ■ (12)

где NI - УД, соответствующая рассеянной повреждаемости - стадии /;

Nп - УД, соответствующей стадии роста усталостной трещины (сосредоточенного разрушения) - стадии II. Стадия III - долом не учитывается, так как занимает малую долю от общей УД.

Для расчета УД разработаны два типа аналитических зависимости: абсолютного и относительного видов. Отличия их заключаются в том, что в первую входит энергия активации, а во вторую - нет.

В абсолютном виде УД определяется по формулам:

/, = /0 ехр

КГ'

(13)

где

>о="

£ с = Ь-М0(ие,-ие0)

и' Я-Т

Л - универсальная газовая постоянная, Г - абсолютная температура, Лг0- число Авогадро, /1 - постоянная Планка

Суммарная интенсивность напряжений сг^ определяется по формуле:

£

£

(14)

где

Ка=КаКК ш, (15)

сг„. = 51вп{аГ1 Х/сг^ +сгг2г -сгг/ст„ , (16)

сгг/ - интенсивность остаточных макронапряжений, аг1,сггт- осевые и тангенциальные остаточные напряжения, Мк - коэффициент эквивалентности нестационарных напряженных состояний, Ка,- эффективный коэффициент концентрации напряжений, КсК - коэффициент концентрации напряжений от конструктивных концентраторов, Кт - коэффициент, учитывающий шероховатость поверхности, К0а- коэффициент, учитывающий масштабный эффект.

Расчетная формула для УД относительного вида, позволяющая определить отношение УД деталей, имеющих различный модифицированный поверхностный слой при одинаковых циклических напряжениях, имеет вид:

/7 = ехри

ст.

ЕОэт

^0*эт )

'£0

50» У

где

5

КГЕ

(17)

(18)

- коэффициент Пуассона; Е - модуль упругости; сг20- шаровая часть тензора суммарных напряжений, в рассматриваемом случае определяемая по формуле

аъо = • Индекс «эт» относится к «эталонной» детали (образцу), т.е. принятой за базовую, например, после электрополирования. Расчетная формула относительного вида позволяет определить абсолютное значение УД некоторой детали, если известна УД «эталонной» Иэт (при том же напряженном состоянии, что и рассматриваемой):

^ N = +0,43429|

а

Л2

£0эт

V ^0*эт )

\ 2 ~

"10 Ч^о* )

(19)

Разработано два основных варианта расчета УД в зависимости от конкретных условий. Первый вариант: заранее известно - из опыта эксплуатации или на основе данных по технологии изготовления, что усталостная трещина зарождается на поверхности детали. В этом случае нам необязательно определять распределение УД по глубине поверхностного слоя детали. УД определяется по результатам замера параметров качества поверхностного слоя непосредственно на поверхности. Второй вариант: либо известно, что зарождение усталостной трещины в рассматриваемой детали носит подповерхностный характер (в результате деформационного или структурного упрочнения ее поверхностного слоя), либо нам неизвестна технология изготовления детали и вследствие этого неизвестно, где зародится трещина - на поверхности или под поверхностью. В этом случае расчет необходимо вести с применением модели роста трещины в локальной зоне минимальной долговечности: определять распределение УД, соответствующей периоду рассеянной повреждаемости N! на основе распределений остаточных напряжений и твердости, определять , N1 детали, длину траектории движения трещины, период роста трещины N п .

Период роста усталостной трещины N „ рассчитывается либо по модифицированной формуле Пэриса-Эрдогана, либо по формуле, полученной интегрированием зависимости С.Я. Яремы для аналитического описания диаграммы усталостного разрушения.

Произведен учет нерегулярных режимов циклических напряжений при использовании линейной гипотезы суммирования повреждений Пальмгрена-Майнера. Сделан вывод о целесообразности использовании расчета по базовым кривым усталости (полученным для регулярных режимов).

В пятой главе рассмотрены расчетные зависимости и методы определения ПВ.

Ранее В.В. Федоровым и Р.В. Ромашовым было установлено, что ПВ при

S /

симметричном цикле а_х связан с S0t выражением: ст_х = у^ ■ Поскольку

S0t определяется через параметры статической прочности: истинное сопротивление отрыву Sk или предел прочности аБ и поперечное сужение у/, то и ст_х можно определить через эти параметры. На этом основан соответствующий метод прогнозирования cr_j материалов (т.е. принимается, что по сечению образца свойства материала одинаковы). Для подтверждения разработанного метода были статистически обработаны как собственные опытные данные, так данные других авторов, включающие 110 марок сталей и сплавов. В результате было выявлено: <у_\ и S0, имеют тесную корреляционную зависимость, г — 0,90 ... 0,98; коэффициентМR зависит от вида переменного напряженного состояния (определены его численные значения); по сравнению с аналогичными зависимостями (Жукова, Лера, Герольда, Марковца и др.) метод имеет меньшую погрешность, поскольку содержит параметры истинной прочности материала и основан на теоретически полученной зависимости. Была также проведена проверка указанного метода при повышенной температуре. Были взяты данные B.C. Мухина по жаропрочным сталям 30ХМ и ХН70ТЮР после различных

термообработок: значения ов,цг,а_х при температурах от 20 до 800 °С. Показано, рассматриваемый метод имеет достаточно высокую точность оценки а_х.

Существующие к настоящему времени зависимости для определения ПВ при асимметричном цикле, полученные Морроу, Зодербергом, Кудрявцевым, Марковцом и др. имеют определенные недостатки, в частности, выведены из неверно выбранных критериев эквивалентности напряженных состояний, либо применимы в частных случаях. На основе кинетического уравнения состояния термодинамической теории была выведена аналогичная зависимость для определения ПВ при асимметричном цикле:

°д=сг-1—--• (20)

>->0*

В предельном случае, при сгй -> 0, ат тах 50, лучше отражает напряжения, возникающие в момент разрыва (в центре шейки). Было проведено сравнение выведенной зависимости (20) с аналогичными зависимостями других авторов на основе массива из 40 экспериментальных точек (собственные данные и данные других авторов). Показано, что зависимость (20) имеет наименьшую остаточную дисперсию и может быть рекомендована для практики.

На основе установленных тесных корреляционных связей истинного сопротивления сдвигу с твердостью НУ(НВ) и ПВ <т_1 с был разработан метод определения ПВ по твердости материала (в предположении неизменности свойств металла детали по сечению). На базе массива из 83 экспериментальных данных различных авторов (содержащих твердость материала и его ПВ) была доказана высокая точность метода.

Расчетная формула для ПВ, учитывающая асимметрию цикла, твердость, остаточные напряжения, шероховатость, концентрацию напряжений (масштабный фактор учитывается в соответствующей модели) имеет вид:

с» = * М

1 /' "" "

А-НУ +В

----°"м -

J

Для случая высокотемпературных испытаний (эксплуатации) ПВ определяется по формуле:

1

Мк

А

(22)

где Г и Тэт- температуры испытаний соответственно рассматриваемой детали и «эталонной», ПВ которой сгйэт известен.

Расчетная зависимость для ПВ, на основе которой можно определить ПВ одной детали по известному ПВ другой была получена в виде:

-^оэт Кшэт К0а I Е I Т

1

0"й

Мк

5о*эт Кс Кш КВаэт

1~Е~ I Т

V эт V ' эт

(23)

При этом для обеих деталей должны быть известны их параметры качества поверхностного слоя и некоторые другие параметры. Причем некоторые или все эти параметры могут отличаться для рассматриваемых деталей. Таким образом, можно расчетным путем определить вклад одного из этих параметров или нескольких из них в величину ПВ.

Была получена также расчетная формула для определения коэффициента запаса прочности в виде

а

~ХК°Кш > (24)

где выражение в числителе представляет собой ст^д - ПВ детали при симметричном цикле, а выражение в знаменателе - ааэ - амплитуда эквивалентного (по повреждаемости) симметричного цикла асимметричному циклу с амплиту-дой<та(га) и средним напряжением ат(гт) (ГОСТ 25.504-82). Преимущество формулы (24) в том, что она учитывает параметры качества поверхностного слоя, нет необходимости определять промежуточную величину оао, а параметры цикла входят непосредственно в саму формулу.

При расчете ПВ детали разработаны два варианта расчета. Первый вариант используется тогда, когда заранее известно, что разрушение детали поверхностное. ПВ детали определяется по зависимостям (21)-(23) на основе данных замера на ее поверхности твердости, шероховатости, остаточных напряжений, а также данных по средним напряжениям цикла, конструктивным размерам, концентраторам напряжений, температуре.

По второму варианту расчета необходимо применять модель развития трещины в локальной зоне минимального ПВ: определить распределение ПВ по глубине поверхностного слоя детали по зависимостям (21)-(23), на диаграмму этого распределения нанести эпюру внешних переменных напряжений. Касание эпюры внешних напряжений кривой распределения ПВ означает, что внешние напряжения соответствуют ПВ детали: аа = ик. Отсюда можно определить ак по точке пересечения касательной оси аа.

В шестой главе приводится подтверждение опытными данными и результаты практического применения методов прогнозирования УД и ПВ.

Разработанные расчетные методы позволяют производить оптимизацию технологического процесса механической обработки по критериям усталостной прочности без проведения длительных и дорогостоящих усталостных испытаний.

Рассмотрено решение комплексной проблемы применения методов расчета УД для выбора оптимальных маршрутов и режимов финишной и упрочняющей обработки деталей взлетно-посадочных устройств из стали ЗОХГСНА, обеспечивающих повышение УД при снижении себестоимости обработки. При этом по каждому из рассматриваемых вариантов производилось определение распределений по глубине поверхностного слоя микротвердости, технологических осевых и тангенциальных остаточных напряжений, замер шероховатости поверхности, проводились усталостные испытания. В результате было определено, что оптимальным является технологический маршрут Б, он обеспечивает повышение усталостной долговечности на 7 % и является более экономичным

(содержит меньшее число операций). Определены также оптимальные режимы чистового точения и пневмодинамического упрочнения. Проведено сравнение расчетных значений УД с определенными по результатам усталостных испытаний, показано их хорошее соответствие.

Для подтверждения работоспособности зависимости для УД (19) при высокой температуре были использованы данные высокотемпературных усталостных испытаний жаропрочного сплава ЭИ437БУ (ХН70ТЮР) после различных методов модифицирования поверхности - обкатывания роликами, точения при трех различных скоростях резания и после электрополирования (по данным B.C. Мухина). Температуры испытаний 400, 650, 800 °С, амплитуды напряжений симметричного цикла 250, 400 и 520 МПа. Имелись данные по распределению осевых остаточных технологических напряжений и микротвердости по глубине поверхностного слоя после указанных методов обработки поверхности. Показано, что значения УД, определенные по (19) лежат внутри опытных доверительных интервалов. Отсюда можно сделать вывод, что расчетный метод адекватно отражает влияние технологии и температурно-силовых воздействий на УД.

Был проведен анализ влияния ионной имплантации титановых сплавов на УД на основе разработанного расчетного метода ее определения и с точки зрения термодинамической теории прочности. Результатами высокотемпературных усталостных испытаний титанового сплава ВТ18У после ИИ ионами азота (данные A.M. Смыслова) подтверждена достаточно высокая точность расчетов по зависимости (19) для УД.

Был проведен анализ причин разрушения деталей шасси типа «раскос» (изделие ТУ-204). На основе разработанных моделей и методов расчета УД было выявлено, что причиной разрушения явился технологический фактор: анализ распределения относительной УД ?] показал, что разрушение начнется с внутренней поверхности: к ней примыкает достаточно протяженная область пониженной 7], соответствующая «наиболее опасному слою». Для исключения раз-

рушения с внутренней поверхности необходимо создание фронта повышенной УД, примыкающего к внутренней поверхности. Этого можно добиться применением упрочняющих методов обработки (виброупрочнение, пневмодинамиче-ское упрочнение и др.).

Разработан модифицированный метод расчета УД по базовым кривым усталости. В соответствии с отраслевыми методиками, расчет УД большинства деталей шасси проводят методом, основанным на использовании базовых кривых усталости типовых элементов шасси (или базовых образцов с концентратором напряжений). Расчет ведется по номинальным напряжениям и учитывается коэффициент концентрации напряжений. Предлагаемый модифицированный метод определения УД дает возможность учесть влияние свойств поверхностного слоя деталей шасси путем использования вышеуказанных расчетных зависимостей. Благодаря учету структуры и напряженного состояния, получающихся при различных операциях механической обработки, возможно более точное определение усталостных свойств опасных сечений и детали в целом без проведения усталостных испытаний.

В заключении даны выводы и сформулированы основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1.Разработаны новые расчетные зависимости и методы прогнозирования предела выносливости и усталостной долговечности в многоцикловой области деталей из металлических материалов, впервые учитывающие комплекс параметров качества поверхностного слоя (шероховатость поверхности, распределения по глубине поверхностного слоя твердости, технологических остаточных напряжений - осевых и тангенциальных), физико-механические параметры металла, температуру и внешнее напряженное состояние. Они позволяют более точно прогнозировать характеристики усталостной прочности деталей из ме-

таллических материалов, производить оптимизацию конструктивно-технологических решений. Решение этой проблемы оказалось возможным в результате комплексного исследования процесса усталостной повреждаемости.

2.На базе термодинамической теории прочности и подходов линейной механики разрушения проведено комплексное исследование энергии активации усталостного разрушения: по энергетическому балансу процесса усталостной повреждаемости, по результатам усталостных испытаний при нескольких уровнях напряжений при нормальной и при повышенных температурах для ряда конструкционных углеродистых, хромистых сталей и двух жаропрочных сплавов (после электрополирования и сквозного наклепа растяжением):

»впервые установлена квадратичная зависимость энергии активации от суммарной интенсивности переменных напряжений ега;

* получены новые зависимости для определения структурных параметров: коэффициента неравномерности распределения плотности скрытой энергии V и коэффициента перенапряжений на межатомных связях ка;

»доказано наличие для материалов температурно-ресурсных зон эксплуатации;

»показано, что зависимость энергии активации от температуры может быть представлена квадратичной интерполяцией и что она имеет максимум в зоне температур 820...830 0 С для электрополированных образцов , а после сквозного наклепа смещается в зону 850...860 °С, который объясняется эффектом упрочнения от деформационного старения;

* впервые разработаны зависимости, позволяющие определять энергию активации расчетным путем в зависимости от напряжений и температур для исследуемых материалов.

3.Проведено исследование структурных параметров термодинамической теории, разработаны методы их определения через параметры статической прочности материала и по твердости, установлена их связь с микроискажениями кристаллической решетки и с интенсивностью экзоэлектронной эмиссии,

что позволило применять методы неразрушающего контроля для их определения. Исследованы зависимости твердости от технологических остаточных напряжений (получены соответствующие уравнения линейной регрессии, разработан метод определения остаточных напряжений по твердости и оценена его точность) и от степени циклической наработки (обнаружено, что для стали ЗОХГСНА после электрополирования и шлифования на глубине 0,27 и 0,37 мм с увеличением циклической наработки происходит стабильный рост микротвердости и снижение ее рассеяния).

4.Получена новая зависимость для определения предела выносливости при асимметричном цикле, показано, что она обеспечивает большую точность расчетов по сравнению с имеющимися в литературе; установлены линейные регрессионные зависимости (при высоких коэффициентах корреляции) предела выносливости с характеристиками истинной прочности, твердостью; получена новая расчетная формула для определения коэффициента запаса усталостной прочности, которая позволила повысить точность конструкторских расчетов за счет учета влияния модифицированных поверхностных слоев деталей.

5. Разработаны новые научно обоснованные модели влияния и учета распределений параметров качества поверхностного слоя детали на усталостную долговечность и предел выносливости:

♦модель развития трещины в локальной зоне минимальной долговечности (гипотеза «наиболее опасного поверхностного слоя»), определяющая условия образования очага усталостной трещины в зависимости от распределения параметров качества поверхностного слоя - как при определении усталостной долговечности, так и предела выносливости;

♦модель влияния поверхностных слоев на кинетику роста усталостной трещины;

♦установлено, что роль модифицированных (в частности, упрочненных) поверхностных слоев выражается в том, что, во-первых, от них зависит расположение очага усталостного излома по глубине поверхностного слоя и во вто-

рых, они замедляют скорость распространения усталостной трещины при переходе через них.

6.Предложена модифицированная термодинамическая теория прочности путем синтеза ее с механикой разрушения и синергетикой:

♦предложен критерий состояния локальной области - плотность внутренней (скрытой) энергии, который однозначно характеризует повреждаемость и может быть определен по разработанным зависимостям через параметры структуры и напряженного состояния; произведено обоснование принятого критерия;

»предложена модифицированная формула Пэриса-Эрдогана, определен физический смысл параметров этой формулы;

♦разработана модель роста усталостной трещины исходя из дискретного характера ее распространения путем последовательного разрушения локальных областей;

♦разработан метод расчетного определения кинетики изменения плотности внутренней (скрытой) энергии и усталостной долговечности локальной области, лежащей на траектории трещины («цепной» метод расчета).

♦разработаны аналитические зависимости для оценки показателя предрасположенности к организации диссипативных структур (меры «удаленности» от состояния термодинамического равновесия), получены аналитические выражения для определения фрактальной размерности через механические свойства металла; получено термодинамическое условие образования диссипативных структур, что позволяет производить оценку адаптивной способности материалов.

7.Разработанные расчетные методы подтверждены результатами усталостных испытаний при нормальной и повышенной температурах для ряда высокопрочных сталей, титановых и жаропрочных сплавов. Метод расчета усталостной долговечности успешно применен для выбора оптимального маршрута и режимов (на операциях чистового точения и пневмодинамического упрочне-

ния) финишной и упрочняющей обработки авиационных деталей (на ОАО «Авиаагрегат», г. Самара, и Кумертаусском авиационном производственном предприятии). Суммарный годовой экономический эффект составил 400 тыс. рублей. Разработан модифицированный метод расчета усталостной долговечности по базовым кривым усталости, позволяющий производить более точное определение усталостных свойств опасных сечений и детали в целом без проведения усталостных испытаний. На основе разработанных моделей и методов расчета усталостной долговечности был проведен анализ причин разрушения деталей шасси типа «раскос» (изделие ТУ-204): было выявлено, что причиной разрушения по внутренней поверхности явился технологический фактор, предложено с целью устранения причины разрушения применить упрочняющие методы обработки.

Основные результаты диссертации изложены в работах:

1 .Щипачев A.M. Термодинамическая теория прочности: прогнозирование многоцикловой усталости металлов / УТИС. Уфа, 1998. 107 с.

2.Щипачев A.M. Методы расчета усталостной долговечности и предела выносливости деталей из металлических материалов с учетом модифицированных поверхностных слоев на основе термодинамической теории прочности. / УТИС. Уфа, 2000. 110 с.

3.Щипачев A.M., Смыслов A.M. К вопросу о создании методики для прогнозирования усталостной долговечности // Оптимизация технологических процессов по критериям прочности. Межвуз. науч. сб./УАИ Уфа, 1983. С. 15-20.

4.Щипачев A.M. Оценка предела выносливости по твердости с учетом влияния наклепа и остаточных напряжений в поверхностном слое // Роль молодых ученых и специалистов в развитии научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте / ВНИИЖТ М., 1984. С. 116-117.

5.Щипачев A.M., Цыганов С.Г., Якушин Б.А. Определение предела выносливости детали с учетом влияния ее качества поверхностного слоя // Надежность и долговечность машин и приборов: Материалы II Всесоюзной науч.-техн. конф./ Куйбышев, 1984. С. 242-243.

6.Федоров В.В., Щипачев A.M. Расчетный метод определения усталостной долговечности с учетом параметров качества поверхностного слоя. // Методы повышения производительности и качества обработки на оборудовании автоматизированных производств: Материалы зональной науч.-техн. конф. / Ярославль, 1985. С. 103-104.

7.Федоров В.В., Щипачев A.M., Цыганов С.Г. Термодинамический метод прогнозирования усталостных характеристик металлов / Ташкентский ин-т ж/д тр-та. Ташкент, 1985. 11 с. Деп. в ВИНИТИ 21.06.85. № 5008-85.

8.Федоров В.В., Щипачев A.M. Метод прогнозирования усталостной долговечности с учетом физико-механических свойств поверхностного слоя деталей из стали 30ХГСНА / Ташкентский ин-т ж/д тр-та. Ташкент, 1985. 16 с. Деп. в ВИНИТИ 21.06.85. № 5009-85.

9.Щипачев A.M., Мухин B.C., Смыслов A.M., Пятыхин Л.И. Критерий оценки усталостной повреждаемости с учетом технологических факторов // Научно-методические материалы по исследованию разрушения авиационных материалов и прогнозирование их долговечности/ХВВАИ, Харьков, 1985.С. 60-67.

Ю.Федоров В.В., Щипачев A.M., Цыганов С.Г. Зависимость для определения предела выносливости с учетом асимметрии цикла // Оптимизация технологических процессов по критериям прочности: Межвуз. науч. сб. / УАИ. Уфа, 1986. С. 26-30.

11.Цыганов С.Г., Щипачев A.M., Федоров В.В. Метод определения технологических остаточных напряжений по твердости // Оптимизация технологических процессов по критериям прочности: Межвуз. науч. сб. / УАИ. Уфа, 1986. С. 115-116.

12. Щипачев A.M., Усманов И.Р. Гипотеза наиболее «опасного» с точки зрения возможного разрушения поверхностного подслоя // Материалы XI науч.-практ. конф. проф.-преп. состава / Наманганский фил. ТМИ. Наманган, 1990. С. 84.

13. Щипачев A.M. Научно-методические основы решения технологических задач оптимизации размерных связей // Материалы нач.-техн. конф. проф.-препод. состава Наманганского фил. ТИТЛП./ Наманган, 1991. С. 40-41.

14. Щипачев A.M., Усманов И.Р. Определение предела выносливости с учетом качества поверхностного слоя деталей // Материалы науч.-техн. конф. проф.-препод. состава Наманганского индустриально-пед. ин-та. / Наманган, 1992. С.37-38.

15. Щипачев A.M., Омиров А.Ю. Учет влияния состояния поверхностного слоя на предел выносливости при асимметричном цикле // Тез. докл. науч.-техн. конф. проф.-препод. состава Наманганского индустриально-пед. ин-та / Наманган, 1992. С. 15-16.

16. Нишанов И.Д., Щипачев A.M., Негматов Н.С., Исмаилова Т.Ю. Определение очага усталостного излома по дифференциальной оценке долговечности композиционных материалов // Науч. тр. международного симпозиума по механохимии / Ташкент, 1995. С. 170-173.

17.Щипачев A.M. Прогнозирование циклической долговечности с учетом влияния технологии механической обработки // Новые материалы и технологии в машиностроении: Межвуз. сб. науч. тр./Ташкент : ТашГТУ, 1996. С. 115-121.

18. Щипачев A.M., Мухин B.C. Прогнозирование предела выносливости металлов по характеристикам статических испытаний на растяжение при нормальной и повышенной температурах // Проблемы, машиноведения, конструкционных материалов и технологий: Сб. науч. трудов / АН РБ, УГАТУ. Уфа: Ги-лем, 1997. С. 270-274.

19. Щипачев A.M. Принятие конструктивно-технологических решений по заданному ресурсу работоспособности деталей бытовых машин и приборов.// Материалы межвузовской науч.-практич. конф. / УТИС. Уфа, 1998. С. 21-23.

20. Щипачев A.M. Определение предела выносливости при асимметричных нагрузках.// Юб. сб. науч. тр. Уфимск. технол. ин-та сервиса. / УТИС. Уфа, 1997. С. 15-19.

21. Щипачев A.M. Анализ зависимостей для определения предела выносливости при асимметричном цикле нагружения // Проектирование, диагностика и повышение надежности бытовой техники: Межвуз. сб. науч. тр./ УТИС. Уфа, 1998. С. 54-61.

22. Щипачев A.M. Определение коэффициента запаса усталостной прочности с учетом асимметрии циклов нагружения и качества поверхностного слоя детали // Проектирование, диагностика и повышение надежности бытовой техники: Межвуз. сб. науч. тр./ УТИС. Уфа, 1998. С. 62-64.

23. Щипачев A.M. Анализ энергии активации и структурных параметров по результатам исследования термодинамического состояния конструкционных сталей // Оптимизация процессов. обработки конструкционных материалов: Межвуз. тематический науч. сб. / УГАТУ. Уфа, 1998. С. 161-173.

24. Щипачев A.M. Синтез термодинамической теории прочности и механики разрушения // Мировое сообщество: проблемы и пути решения: Сб. науч. статей /УГНТУ. Уфа, 1999. С. 30-40.

25. Щипачев A.M. Использование термодинамической теории прочности для прогнозирования долговечности деталей бытовых машин // Сервис большого города: Материалы международной науч.-практ. конф. / УТИС. Уфа, 1999. С. 56-57.

26. Щипачев A.M., Смыслов A.M. Прогнозирование усталостной долговечности титанового сплава ВТ18У при повышенных температурах с учетом влияния модифицированных поверхностных слоев // Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе, Проблемы конструкцион-

ной прочности двигателей: Материалы Объед. Международной науч.-техн. конф. / СГАУ. Самара, 1999. С. 166-168.

27. Смыслов A.M., Щипачев A.M. Прогнозирование усталостной долговечности титанового сплава ВТ18У при повышенных температурах с учетом технологии обработки поверхности // Изв. вузов: Авиационная техника 1999. № 2. С. 62-65.

28. Щипачев A.M., Мухин B.C. Определение предела выносливости с учетом параметров качества поверхностного слоя // Изв. вузов. Авиационная техника. 1999. №3. С.23-25.

29.Щипачев A.M. Модель влияния модифицированного поверхностного слоя на усталостную долговечность // Мировое сообщество: проблемы и пути решения: Сб. науч. статей /УГНТУ. Уфа, 2000. №8 (3). С.25-31.

30.Мухин B.C., Щипачев A.M. Энергия активации усталостного разрушения при повышенной температуре и ее связь с температурно-ресурсными зонами эксплуатации // Изв. вузов. Авиационная техника. 2000. № 3. С. 49-52.

Щипачев Андрей Михайлович Автореферат

***

ЛБ № 848226 от 04.03.99 на издательскую деятельность Подписано в печать 08.11.2000 Формат 60x84 1/16

Бумага писчая. Печать плоская. Гарнитура «Тайме». Заказ № 244. Уч.-изд.л. 2,2. Тираж 100 экз.

Отпечатано на ризографе с готовых авторских оригиналов в редакционно-издательском комплексе Уфимского технологического института сервиса 450014, г.Уфа, ул. Чернышевского, 145

ВВЕДЕНИЕ.

1 .СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ.

1.1 .Подходы к прогнозированию усталостной прочности.

1.2.Анализ кинетических, энергетических и синергетических представлений о прочности металлов.

1.3.Основные положения термодинамической теории прочности.

2 .ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГИИ АКТИВАЦИИ И СТРУКТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ПРОЧНОСТИ.

2.1.Определение энергии активации по энергетическому балансу усталостного нагружения.

2.2.Определение энергии активации и структурных параметров по результатам испытаний на усталость.

2.3.Энергия активации усталостного разрушения при повышенной температуре и ее связь с температурно-ресурсными зонами эксплуатации.

2.4.Разработка методов определения структурных параметров прочности из испытаний на растяжение.

2.5. Связь твердости с истинными характеристиками прочности и напряжением течения. Определение структурных параметров по твердости.

2.6. Исследование связи твердости и напряжений течения по интенсивности экзо-электронной эмиссии и величине микроискажений кристаллической решетки.

2.7. Влияние на твердость упругих напряжений. Возможность определения технологических остаточных напряжений по твердости.

2.8. Связь твердости с циклической повреждаемостью металлов.

3.МОДЕЛИ УСТАЛОСТНОЙ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ И РАЗРУШЕНИЯ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ.

3.1.Критерий локального разрушения и критерий локального состояния - плотность внутренней (скрытой) энергии.

3.2.Стадии усталостной повреждаемости и разрушения. Условия торможения трещин

3.3.Модель развития трещины в локальной зоне минимальной долговечности - гипотеза «наиболее опасного слоя».

3.4. Модель развития трещины в локальной зоне минимального предела выносливости - гипотеза «наиболее опасного слоя» применительно к определению предела выносливости.

3.5.Модель дискретного роста усталостной трещины. Роль критерия состояния.

3.6.Оценка адаптивной способности материалов.

3.6.1 .Инвариантная кинетическая диаграмма усталостного разрушения.

3.6.2.Предрасположенность материала к организации диссипативных структур.

3.6.3.Фрактальная размерность структуры зоны предразрушения.

4.ВЫВОД РАСЧЕТНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА УСТАЛОСТНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ

4.1.Рассеянная повреждаемость.

4.1.1.Зависимость абсолютного вида.

4.1.2.3ависимость относительного вида.

4.2.Период роста трещины.

4.3.Модифицированная формула Пэриса-Эрдогана.

4.4.Общая усталостная долговечность: особенности и методы расчета.

4.4.1. Метод расчета УД при поверхностном разрушении по формуле абсолютного вида.

4.4.2. Метод расчета УД при поверхностном разрушении по формуле относительного вида.

4.4.3. Метод расчета УД при подповерхностном разрушении по формуле абсолютного вида и по формуле относительного вида

4.5.Расчет на долговечность при нерегулярных режимах переменных напряжений.

5.ВЫВОД РАСЧЕТНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ.

5.1.Пред ел выносливости по результатам испытаний на статический разрыв (симметричный цикл).

5.2.Предел выносливости при асимметричном цикле.

5.3.Предел выносливости по твердости.

5.4.Основная расчетная зависимость (нормальная температура испытаний).

5.5.Расчетная зависимость при высокотемпературных испытаниях.

5.6.Расчетная зависимость относительного вида для учета влияния различных факторов.

5.7.Методы расчета пределов выносливости.

5.8.Расчет коэффициентов запаса прочности.

5.9. Учет параметров качества поверхностного слоя, концентрации напряжений, масштабного фактора и температуры в зависимостях для усталостной долговечности и предела выносливости.

5.9.1 .Учет твердости (наклепа).

5.9.2.Учет шероховатости поверхности.

5.9.3.Учет технологических остаточных напряжений.

5.9.4.Учет концентрации напряжений.

5.9.5.Учет масштабного фактора.

5.9.6. Учет и особенности расчетов характеристик усталостной прочности при высокой температуре испытаний.

6.ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ОПЫТНЫМИ ДАННЫМИ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ.

6.1 .Усталостная долговечность.

6.1.1 .При нормальной температуре.

6.1,2.При высокотемпературной эксплуатации.

6.1.2.1. Жаропрочный сплав ЭИ437БУ (ХН70ТЮР).

6.1.2.2.Титановый сплав ВТ18У.

6.2.Предел выносливости.

6.2.1 .Подтверждение основной расчетной зависимости.

6.2.2.Подтверждение зависимости для определения предела выносливости по результатам испытаний на статический разрыв при повышенной температуре.

6.2.3. Подтверждение зависимости для определения предела выносливости по твердости.

6.3.Применение метода расчета усталостной долговечности для выбора маршрутов и режимов финишной обработки деталей ВПУ.

6.3.1.Методы исследования.

6.3.2.Анализ операций механической обработки.

6.3.3.Определение оптимальных режимов чистового точения и пневмодинамического упрочнения.

6.4.Модифицированный метод расчета усталостной долговечности по базовым кривым усталости.

6.5.Анализ причин разрушения деталей шасси типа «Раскос» (изделие ТУ-204).

Задача прогнозирования усталостной прочности металлических материалов является актуальной в течение столетий. И это несмотря на то, что многие талантливые ученые сосредоточивали свои усилия на решении проблем в этой области. По-видимому, это объясняется, во-первых, сложностью задачи, во вторых, многообразием видов переменного напряженного состояния и условий испытания и, в-третьих, множеством металлов и сплавов с различными видами обработки (поверхностной и объемной). С развитием науки и техники все эти три фактора непрерывно изменяются в сторону усложнения и расширения.

Многие ответственные детали машин и целые конструкции работают в условиях повторных (знакопеременных или знакопостоянных) нагрузок и их ресурс целиком определяется циклической прочностью материалов, из которых они сконструированы. Этим определяется важность указанной задачи.

Проблема прочности твердого тела изучается тремя основными направлениями: физикой твердого тела, материаловедением и механикой сплошных деформируемых сред. Несмотря на общность целей и задач, основное содержание и методы исследований физиками, материаловедами и механиками весьма различны. Не останавливаясь на характеристике каждого из направлений, следует заметить, что происходит взаимный обмен достижениями в том или ином направлении.

Наука ведет поиск универсальных законов, применимых к сложным системам. Такого рода системы нас и интересуют: усталостное нагружение - процесс, характеризующийся обменом энергией с окружающей средой, внешними силовыми воздействиями, переменными во времени, поглощением части энергии системой и выделением другой части (диссипацией) в окружающую среду - является примером сложной системы.

На развитие комплекса наук о прочности за последнее пятнадцатилетие оказало влияние новое направление в науке - синергетика и тесно связанные с ней неравновесная термодинамика и теория фракталов. Синергетика является наукой о самоорганизации материи, сложных иерархических системах и многие физические явления, в частности, связанные с усталостью металлов, при рассмотрении через призму синергетического подхода, получают свое объяснение.

Существенное развитие получили вопросы физической природы усталости: установление механизма образования и развития усталостных трещин, детальное изучение усталостных структур, закономерностей их изменения, изучение гиперусталости, усталости при криогенных и повышенных температурах, высоких частотах нагружения, показаны решающая роль дефектов кристаллической решетки в упрочнении и разрушении металлов, установлено существование аморфных фаз в области вершины трещины, возбужденных атом-вакансионных состояний.

В настоящее время при прогнозировании усталостной прочности недостаточно рассматривать лишь континуальную модель тела, пользуясь аппаратом механики сплошной среды. Независимо от выбранных критериев прочности (деформационных, энергетических или других) необходимо учитывать поведение, кинетику трещин, оценивать период их роста, поскольку, как показано исследователями, зарождение и развитие усталостной трещины занимает значительную часть долговечности тела. Модели усталостного разрушения должны учитывать эти обстоятельства.

Известно, что поверхностный слой деталей является наиболее нагруженным при всех видах напряженного состояния, контактирует с окружающей средой, через него происходит обмен энергией и веществом с окружающей средой. При циклическом нагружении преимущественное накопление повреждений происходит в поверхностных слоях. Сильное влияние состояния поверхности металла на циклическую прочность и преимущественное развитие усталостных трещин в поверхностных слоях обусловлено более ранним по сравнению с остальным объемом металла повреждением поверхностных слоев из-за более раннего накопления в этих слоях критической плотности дислокаций.

После технологической обработки поверхности вследствие температурно-силового воздействия по ее глубине возникает слой с измененной структурой и напряженным состоянием - этот слой был назван модифицированным. Физико-механические и химические характеристики этого слоя имеют сложный характер распределения по глубине поверхности и определяются технологией и режимами ее обработки. Управление сопротивлением усталости в основном осуществляется посредством воздействия на поверхность детали. Все. это обусловливает при прогнозировании характеристик усталостной прочности - предела выносливости и усталостной долговечности необходимость учета влияния модифицированного поверхностного слоя. Причем, необходимо учитывать взаимосвязь параметров качества, форму распределений их по глубине поверхностного слоя.

Актуальность системной разработки научных основ прогнозирования характеристик усталостной прочности обусловлена следующими причинами.

1.В силовых элементах конструкций высоконагруженных агрегатов потеря работоспособности определяется усталостным разрушением и изнашиванием. Для их устранения необходимы комплексные решения, основанные на широком использовании данных фундаментальных наук, теоретических моделях, имеющих необходимую полноту отображения процессов, протекающих при динамичном механотермическом воздействии.

2.Одним из направлений научно-технического прогресса в машиностроении является повышение надежности, долговечности, ресурса изделий при одновременном снижении их веса, сохранении и уменьшении себестоимости изготовления. Это обусловливает потребность повышения научно-технического уровня технологии, совершенствования и развития методов ее разработки, научного обоснования принятия конструктивно-технологических решений.

3.Эффективным направлением совершенствования технологии является создание методов проектирования техпроцессов на заданный ресурс изделий. Это обусловливает необходимость нахождения связи между ресурсом, долговечностью и технологическими факторами их обеспечивающими: методами обработки, элементами режимов обработки, технологическими маршрутами. Однако технология изготовления детали влияет на долговечность, ресурс опосредованно: в результате технологической обработки формируются структура, физико-механические характеристики металла детали и, в частности, формируется модифицированный поверхностный слой, отличающийся по свойствам от основного металла детали и, по сути, в значительной степени определяющий долговечность и ресурс детали. В этой связи, необходимо решение двух задач. Первая (и приоритетная): исследование влияния физико-механических параметров металла детали, ее модифицированного поверхностного слоя на сопротивление усталости, разработка методов прогнозирования усталостной прочности на основе этих исследований. Решению этой задачи посвящена настоящая работа. Вторая: технологическое обеспечение тех или иных характеристик (параметров качества) поверхностного слоя.

4.В настоящее время отсутствуют надежные расчетные методы прогнозирования усталостной прочности деталей из металлических материалов, физически обоснованные и учитывающие влияние модифицированного поверхностного слоя детали после технологической обработки. Существует проблема расчетной оценки технологического воздействия на характеристики усталостной прочности - предел выносливости и усталостную долговечность. Эти характеристики нужно иметь возможность определять на любом этапе технологического процесса, при любом режиме обработки для проведения их сравнения и определения оптимального варианта, обеспечивающего заданную или максимальную усталостную прочность. Экспериментальным путем получение такого многообразия данных по усталостной прочности нецелесообразно.

Актуальность диссертации подтверждается тем, что ее основу составляют выполненные автором исследования в рамках федеральной целевой программы «Надежность и безопасность технических систем», тематических отраслевых программ «Авиационная технология» и «Надежность конструкций», а также межвузовской целевой научно-технической программы «Повышение качества и надежности продукции, программное обеспечение ЭВМ и технические средства обучения» (КНП-2000).

Таким образом, целью работы является разработка методов прогнозирования предела выносливости и усталостной долговечности с учетом влияния модифицированного поверхностного слоя детали после технологической обработки.

Основными задачами, решаемыми в работе, являются: 1. Разработка моделей учета влияния модифицированного поверхностного слоя при прогнозировании предела выносливости и усталостной долговечности. 2. Разработка расчетных методов прогнозирования предела выносливости и усталостной долговечности с учетом этих моделей на основе энергетического (термодинамического) подхода.

Впервые на основе разработанных расчетных методов появилась возможность проводить целенаправленный выбор технологии, в частности, методов и режимов обработки, обеспечивающих оптимальную усталостную прочность.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработаны расчетные методы определения предела выносливости и усталостной долговечности деталей из металлических материалов в многоцикловой области с учетом влияния модифицированного поверхностного слоя, напряженно-деформированного состояния и структуры и которые могут быть использованы как при нормальной, так и при повышенной температурах. Указанные методы могут быть использованы для решения следующих задач:

-выбора оптимального варианта технологии (технологического маршрута, режимов обработки) для обеспечения заданной или максимальной усталостной прочности путем расчетной ее оценки;

-определения причин разрушения деталей от технологических факторов и разработка мероприятий по их устранению;

-оценки ресурса работоспособности деталей, расчетное построение кривой усталостной прочности, определение коэффициентов запаса усталостной прочности по результатам замера параметров качества поверхностного слоя.

Выводы.

1. Технологический процесс Б финишной и упрочняющей обработки имеет преимущество перед технологическим процессом А в том, что создает параметры качества поверхностного слоя, обеспечивающие повышение усталостной долговечности на 12% и является экономически более выгодным, поскольку содержит меньшее число операций.

2. Наилучшими с точки зрения обеспечения наибольшей (оптимальной) усталостной долговечности, определяемые как опытным путем, так и расчетным, являются: режим чистового точения по серии 31 - Т30К4, у - — 5°, V =30 м/мин, S= 0,05 мм/об, t— 0,1 мм; режим поверхностно-пластического деформирования по серии 49 - Р = 3 атм, d = 2-3 мм, т = 40 мин.

256

3. Точность зависимости для определения усталостной долговечности приемлема для практических расчетов, средняя относительная погрешность по сравнению с опытными данными невелика.

4. Зависимость для определения усталостной долговечности может быть использована для выбора оптимальных (с точки зрения обеспечения наибольшей усталостной долговечности) режимов обработки при наличии массива данных по зависимостям параметров качества поверхностного слоя от определенных фиксированных уровней элементов режимов обработки.

5. Возможно использование зависимости для определения усталостной долговечности для назначения режимов обработки поверхности исходя из заданного (назначенного) ресурса работоспособности, путем использования вышеуказанного массива данных.

6. Зависимость для определения усталостной долговечности может быть использована для выбора рациональных технологических маршрутов финишной и упрочняющей обработки, обеспечивающих увеличение эксплуатационного ресурса.

7. На основе зависимости для определения усталостной долговечности разработан модифицированный метод расчета усталостной долговечности по базовым кривым усталости опасных сечений деталей шасси.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработаны новые расчетные зависимости и методы прогнозирования предела выносливости и усталостной долговечности в многоцикловой области деталей из металлических материалов, учитывающие комплекс параметров качества поверхностного слоя (шероховатость поверхности, распределения по глубине поверхностного слоя твердости, технологических остаточных напряжений - осевых и тангенциальных), физико-механические параметры металла, температуру и внешнее напряженное состояние. Решение этой комплексной проблемы было основано на новых нижеследующих научных результатах.

2.Проведено исследование энергии активации усталостного разрушения: по энергетическому балансу процесса усталостной повреждаемости, по результатам усталостных испытаний при нескольких уровнях напряжений при нормальной и при повышенных температурах для ряда конструкционных углеродистых, хромистых сталей и двух жаропрочных сплавов (после электрополирования и сквозного наклепа растяжением): установлена квадратичная зависимость энергии активации от суммарной интенсивности переменных напряжений сг; получены зависимости для определения структурных параметров: коэффициента неравномерности распределения плотности скрытой энергии V и коэффициента перенапряжений на межатомных связях к а; проведено обоснование наличия для материалов температурно-ресурсных зон эксплуатации; показано, что зависимость энергии активации от температуры может быть представлена квадратичной интерполяцией и что она имеет максимум в зоне температур 820.830 0 С для электрополированных образцов , а после сквозного наклепа смещается в зону 850.860 0 С, который объясняется эффектом упрочнения от деформационного старения; разработаны зависимости для расчетного определения энергии активации в зависимости от напряжений и температур для исследуемых материалов.

3.Проведено исследование структурных параметров термодинамической теории, разработаны методы их определения через параметры статической прочности материала и по твердости, установлена их связь с микроискажениями кристаллической решетки и с интенсивностью экзоэлектронной эмиссии. Исследованы зависимости твердости от технологических остаточных напряжений (получены соответствующие уравнения линейной регрессии, разработан метод определения остаточных напряжений по твердости и оценена его точность) и от степени циклической наработки (обнаружено, что для стали 30ХГСНА после электрополирования и шлифования на глубине 0,27 и 0,37 мм с увеличением циклической наработки происходит стабильный рост микротвердости и снижение ее рассеяния)

4. Положения термодинамической теории прочности были применены к механике разрушения: плотность внутренней (скрытой) энергии была принята в качестве критерия состояния локальной области, лежащей на траектории усталостной трещины, произведено обоснование принятого критерия; предложена модифицированная формула Пэриса-Эрдогана, определен физический смысл параметров этой формулы; разработана модель роста усталостной трещины исходя из дискретного характера ее распространения путем последовательного разрушения локальных областей; разработан метод расчетного определения кинетики изменения плотности внутренней (скрытой) энергии и усталостной долговечности локальной области, лежащей на траектории трещины («цепной» метод расчета).

5. Разработаны модели влияния и учета параметров качества поверхностного слоя детали на усталостную долговечность и предел выносливости: твердости, шероховатости, технологических остаточных напряжений, концентрации напряжений, масштабного фактора: модель развития трещины в локальной зоне минимальной долговечности (гипотеза «наиболее опасного поверхностного слоя»), определяющая условия образования очага усталостной трещины в зависимости от распределения параметров качества поверхностного слоя -как при определении усталостной долговечности, так и предела выносливости; модель влияния поверхностных слоев на кинетику роста усталостной трещины.

6.На основе установленных автором новых расчетных зависимостей предела выносливости материала от параметров истинной прочности на разрыв и твердости и зависимости предела выносливости материала при асимметричном цикле были выведены расчетные зависимости для прогнозирования предела выносливости с учетом параметров качества поверхностного слоя (твердости, шероховатости, технологических остаточных напряжений), концентрации напряжений, температуры, масштабного фактора и вида переменного напряженного состояния. Получены новые аналитические зависимости для усталостной долговечности в абсолютном и относительном виде. Определены особенности расчетов усталостной долговечности и предела выносливости при повышенных температурах испытаний (эксплуатации). Получена расчетная формула для определения коэффициента запаса прочности;

7.Разработанные расчетные методы подтверждены результатами усталостных испытаний при нормальной и повышенной температурах для ряда высокопрочных сталей, титановых и жаропрочных сплавов. Метод расчета усталостной долговечности успешно применен для

259 выбора оптимального маршрута и режимов (на операциях чистового точения и пневмодина-мического упрочнения) финишной и упрочняющей обработки авиационных деталей на Самарском заводе «Авиаагрегат» и Кумертауском авиационном производственном предприятии. Суммарный годовой экономический эффект составил 400 тыс. руб. Разработан модифицированный метод расчета усталостной долговечности по базовым кривым усталости, позволяющий производить более точное определение усталостных свойств опасных сечений и детали в целом без проведения усталостных испытаний. На основе разработанных моделей и методов расчета усталостной долговечности был проведен анализ причин разрушения деталей шасси типа «раскос» (изделие ТУ-204): было выявлено, что причиной разрушения по внутренней поверхности явился технологический фактор, предложено с целью устранения причины разрушения применить упрочняющие методы обработки.

260

1. Гребеник В.М. Усталостная прочность и долговечность металлургического оборудования. М.: Машиностроение, 1969. 256 с.

2. Сосновский Д.А. Опыт статистического анализа результатов механических испытаний на машиностроительном заводе и разработка методов экспрессной оценки механических свойств конструкционной стали / Автореф. дис.канд. техн. наук. Александровск, 1970. 15 с.

3. Трощенко В.Т. Метод ускоренного определения предела усталости металлов // Прикладная механика. 1967. Вып. 5. С. 50-54.

4. Трощенко В.Т. Деформирование и разрушение металлов при многоцикловом нагру-жении. Киев: Наукова думка, 1981. 344 с.

5. Костецкий Б.И., Шевеля В.В., Марневич К.В. Комплексное изучение основных стадий структурной повреждаемости при усталости некоторых сплавов на основе железа // Прочность металлов при циклических нагрузках. М.: Наука, 1967. С. 82-87.

6. Taira S. X-ray difraction approach for studies on fatigue and creep // Exp. Mech. 1973. V. 13. No.11. P.449-463.

7. Taira S., Tanaka К. Observation of fatigue crack propagation process in cold-rolled low-carbon steel // Proc. 12th Jap. Congr. Mater.res. Kyoto, 1969. P. 15-23.

8. Соболев В.Л. Ускоренная оценка усталостных характеристик ферромагнитных материалов неразрушающими методами магнитного сопротивления // Тр. / ВНИИНМАШ, 1972. Вып. 9. С. 73-82.

9. Гуща О.И. Исследование процесса усталостного разрушения металлов методом потерь на магнитный гистерезис и вихревые токи // Циклическая прочность металлов: Сб. науч. трудов / М.: Изд-во АН СССР, 1962. С. 147-152.

10. Карлов Г.И., Быструшкин Г.С. Неразрушающий метод контроля ранней стадии усталостного повреждения // Заводская лаборатория. 1968. № 7. С. 866-868.

11. Marón Е. // Proc. Symp. Eng. Uses hologr. / Univ. Struthclyde, 1968,Sept. London: Camridge univ. Press. 1969. P. 13-18.

12. Бырин B.H. Использование акустической эмиссии для диагностики состояния промышленных объектов // Измерения, контроль, автоматизация. 1977. № 3. С. 5-13.

13. Барсуков В.К., Ломаев Г.В., Парзняков Ю.М. Контроль параметров ферромагнитных материалов методом магнитных шумов // Дефектоскопия. 1973. № 6. С. 117-119.

14. Трощенко В.Т. Усталость и неупругость металлов. Киев:Наукова думка, 1971. 268 с.

15. Лозинский М.Г. Применение методов высокотемпературной металлографии для исследования закономерностей изменения строения металлов и сплавов в процессе испытаний на усталость // Прочнеть металлов при циклических нагрузках. / М.: Наука, 1967. С. 44-54.

16. Zener С. Elasticity and unelasticity of metals. Chicago, 1948. 241 p.

17. Ускоренные испытания изделий машиностроения на надежность / Под ред. В.Р. Верченко. M.: Госстандарт, 1969. Вып. 2. 83 с.

18. Иванова B.C. Структурно-энергетическая теория усталости металлов // Циклическая прочность металлов / М.: Изд-во АН СССР, 1962. С. 11-23.

19. Муратов Л.В. Энергия разрушения при циклических и статических нагрузках // Прочность металлов при переменных нагрузках / М.: Изд-во АН СССР, 1963. С. 111-118.

20. Усталостные испытаний на высоких частотах нагружнения / под ред. В.А. Кузьмен-ко. Киев: Наукова думка, 1979. 336 с.

21. Prot Е.М. Une nouvelle technique d'essai des matériaux. L'essai de fatigue sous chrse progressive //Rev. Met. 1948. V.45. No. 12. P. 481-496.

22. Locati L. Le prove di cafica come ausilio alia prodetta soné ed alie predusioni // Met. Ital. 1955. V.47. No.9. 245-260 p.

23. Одинг И.А. Допускаемые напряжения в машиностроении и циклическая прочность металлов. М.: Машгиз, 1962. 260 с.

24. Фридель Ж. Дислокации. М.: Мир, 1967. 643 с.

25. Серенсен C.B. Сопротивление материалов усталостному и хрупкому разрушению: Учебное пособие. М.: Атомиздат, 1975. 192 с.

26. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. М.: Металлургия, 1984. 280 с.

27. Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. М.: Металлургия, 1975.456 с.

28. Горицкий В.М., Терентьев В.Ф. Структура и усталостное разрушение металлов. М.: Металлургия, 1980. 208 с.

29. Watson P., Topper Т.Н. Fatigne-damage evaluation for mild steel incorporating mean stress and overload effects-Exp. Mech, 1972, Jan, p. 11-17.

30. Екобори Т. Физика и механика разрушения и прочности твердых тел./ пер. с англ. К.С.Чернявского под ред. B.C. Ивановой. М.: Металлургия, 1971.- 264 с.

31. Панин В.Е., Елсукова Т.Ф. Деформация и разрушение поликристаллов при знакопеременном нагружении как диссипативный процесс // Синергетика и усталостное разрушение металлов / М.: Наука, 1989. С. 113-138.

32. Иванова B.C. Синергетика: Прочность и разрушение металлических материалов. М.: Наука, 1992. 160 с.

33. Афанасьев Ф.Ф. Статистическая теория усталостной прочности металлов Киев: Изд. АН УССР, 1953. 125 с.

34. Волков С.Д. Статистическая теория прочности. М.: Машгиз, 1960. 138 с.

35. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. М.: Машинстроение, 1977. 230 с.

36. Иванова B.C. и др. Синергетика и фракталы в материаловедении. М.: Наука, 1994.383 с.

37. Пригожин И. От существующего к возникающему: Пер. с англ. М.: Наука, 1985.327 с.

38. Гленсдорф П-, Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций. М.: Мир, 1973. 280 с.

39. Панин В.А., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. Новосибирск: Наука, 1985. 226 с.

40. Баланкин A.C. Фрактальная динамика деформируемых сред // Письма в ЖТФ. 1990. Т. 16. Вып. 7. С. 14-20.

41. Гуров К.П. Феноменологическая термодинамика необратимых процессов: Физические основы. М.: Наука, 1978. 128 с.

42. Журкеи С.Н., Санфирова Т.П. Температурно временная зависимость прочности чистых металлов Докл. АН СССР. 1955. Т. 101. № 2. С. 237-240.

43. Журков С.Н. Кинетическая концепция прочности твердых тел / Вестник АН СССР. 1968. №3. С. 24-32.

44. Когаев В.П, Махутов H.A., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность: Справочник. М.: Машиностроение, 1985. 224 с.

45. Швальбе К.-Х. Основные принципы механики разрушения // Поведение стали при циклических нагрузках / Пер. с нем. под ред. проф. Даля М.: Металлургия, 1983. С. 300-314.

46. Трощенко В.Т., Покровский В.В., Прокопенко А.В. Трещиностойкость деталей при циклическом нагружении. Киев: Наукова думка, 1987. 256 с.

47. Черепанов Т.П. Механика хрупкого разрушения. М.: Наука, 1974. 640 с.

48. Черепанов Г.П., Черепанов А.Г. Образование трещины вследствие слияния дырок // Физ.-хим. механика материалов 1988. Т.24, № 1. С.26-31.

49. Ботвина Л.Р. Кинетика разрушения конструкционых материалов. М.: Наука, 1989.230 с.

50. Cherepanov G.P. // XVIII Intern, congr. of theoretical and applied mechanics, Haifa, Israel, Aug. 22-28, 1992. P. 37-48.

51. Черепанов Г.П. Квантовая механика разрушения // Проблемы прочности, 1990, № 2.1. С.3-9.

52. Партон В.З., Борисовский В.Г. Динамика хрупкого разрушения. М.: Машиностроение, 1988.239 с.

53. Иванова B.C., Шанявский А.А. Количественная фрактография. Усталостное разрушение. Челябинск: Металлургия, 1988. 400 с.

54. Алехин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов. М.: Наука, 1983.280 с.

55. Горицкий В.М., Терентьев В.Ф. Структура и усталостное разрушение металлов. М.: Металлургия, 1980. 208 с.

56. Kramer I.R. //Adv. Mech. and Phys. Surfaces. 1986. Vol. 3. P. 109-260.

57. Сулима A.M., Евстигнеев М.И. Качество поверхностного слоя и усталостная долговечность деталей из жаропрочных и титановых сплавов. М.: Машиностроение, 1974. 255 с.

58. Мухин B.C., Смыслов A.M., Боровский С.М. Модифицирование поверхности деталей ГТД по условиям эксплуатации. М.: Машиностроение, 1995. 254 с.

59. Кулаков Г.А. Формирование качества поверхностного слоя деталей с позиций системного подхода // Оптимизация технологических процессов по критериям прочности: Меж-вуз. тематич. научн.сб. / Уфа, 1989. С. 33-44.

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

61. Боровский С.М. Диагностирование эксплуатационной повреждаемости поверхностей деталей ГТД с помощью искусственно синтезированного параметра // Поверхность: технологические аспекты прочности деталей: Межвуз. науч. сб. /Уфа: УАИ, 1992. С. 51-60.

62. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. М.: Машинстроение, 1977. 230 с.

63. Бойцов Б.В. Надежность шасси самолета. М.: Машиностроение, 1976. 216 с.

64. Старков B.K. Дислокационные представления о резании металлов. М.: Машиностроение, 1979. 160 с.

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

66. Журков С.Н. Дилатонный механизм прочности твердых тел // Физика твердого тела. Т. 25. Вып. 10. 1983. С. 3119-3123

67. Потапова Л.Б., Ратнер С.Б. Энергетичесикй критерий длительной статической прочности твердых материалов с нелинейными физическими свойствами // Проблемы прочности. 1997. № 5. С. 23-29.

68. Ратнер С.Б., Бугло С.Т. Влияние релаксационных явлений на частотную зависимость выносливости пластмасс //Докл. АН СССР. 1971. Т. 199. № 6. С. 1292-1295.

69. Регель В.Р., Лексовский A.M. // Прочность металлов при циклических нагрузках: Материалы IV совещания по усталости металлов / М., 1967. С. 20-28.

70. Щипачев A.M., Смыслов A.M. К вопросу о создании методики для прогнозирования усталостной долговечности // Оптимизация технологических процессов по критериям прочности: Межвуз. науч. сб. / УАИ. Уфа, 1983. С. 15-20.

71. Борздыка A.M., Гецов Л.Б. Релаксация напряжений в металлах и сплавах. М.: Металлургия, 1978. 256 с.

72. Финкель В.М. Физика разрушения. М.: Металлургия, 1970. 376 с.

73. Третьяченко Г.Н., Карпинос Б.С. Энергетические соотношения при термомеханическом разрушении материалов // Проблемы прочности. 1997. № 5. С. 14-22.

74. Развитие усталостных трещин в материалах и конструкциях / Под ред. М.Э. Гарфа. Киев: Наукова думка, 1980. 151 с.

75. Соснин О.В. // Проблемы прочности, 1973,№5. С. 45-49

76. Степанов A.B. Основы практической прочности кристаллов. М.:1974. 326 с.

77. Gillemot L. // Periodical Politechn., Eng. Masch, and Bauwsen. 1966. Vol. 10, No2. P. 7794.

78. Havas I., Czoboly E. // Periodica Polytechn. Mech. Eng. 1980. Vol. 24, No 1/2. P. 19-28.

79. Sih G.C. // Eng. Fract. Mach. 1973. Vol. 5, No2. P. 365-377.

80. Sih G.C. // Ther. And Appl. Fract. Mech. 1988. Vol. 9, No3. P. 175-198.

81. Feltner C.E., Marrow J.D. // Trans. ASME. Ser. D, 1961. V. 83, Nol. P 287-299.

82. Chang C.S., Pimbley W.Z., Canway H.D.// Experimental Mechanics. 1968. V.8. No.3. P. 380-395.

83. Мартин Д.Е. Техническая механика //Труды американского общества инженеров-механиков. 1961. № 4. С.48-61.

84. Муратов Л.В. Энергия разрушения прициклических и статических нагрузках // Прочность металлов при переменных нагрузках / М.: Изд-во АН СССР, 1963. С. 111-118.

85. Осипов К.А. Вопросы теории жаропрочности металлов и сплавов. М: Металлургия, 1975.285 с.

86. Иванова B.C. Усталостное разрушение металлов. М.: Металлургиздат, 1963. 258 с.

87. Федоров В.В. Термодинамические аспекты прочности и разрушения твердых тел. Ташкент: Фан, 1979. 168 с.

88. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах: Пер. с англ. М.: Мир, 1979. 512 с.

89. Хакен Г. Информация и самоорганизация. Макроскопический подход к сложным системам: Пер. с англ. М.: Мир, 1991. 240 с.

90. Терентьев В.Ф. Эволюция структуры при усталости металлов как результат самоорганизации диссипативных структур // Синергетика и усталостное разрушение металлов / М.: Наука, 1989. С. 76-87.

91. Крупкин П.Л., Нагорных С.Н. О синергетическом подходе в механике материалов // Синергетика и усталостное разрушение металлов / М.: Наука, 1989. С. 225-234.

92. Федоров В.В. Кинетика повреждаемости и разрушения твердых тел. Ташкент: Фан, 1985.168 с.

93. Федоров В.В., Чекурова Г.А. и др. О структурных параметрах и характеристиках прочности металлов // Изв. АН СССР. Металлы. 1988. № 2. С.131-136.

94. Федоров В.В., Федоров C.B., Буше Н.А. Анализ влияния напряженно деформированного и структурного состояния на интенсивность диффузионной подвижности атомов в материалах / Ташкентский ин-т ж/д тр-та. Ташкент, 1984. 46 с. Деп. В ВИНИТИ 13.02.84. № 853.

95. Журков С.Н., Петров В.А. О физических основах температурно-временной зависимости прочности твердых тел // Докл. АН СССР. 1978. Т.239. № 6.

96. Ромашов Р.В. Исследование связи усталостного разрушения с энергетическими характеристиками процесса циклического деформирования металлов / Дисс.канд. техн. наук. Оренбург, 1978. 203 с.

97. Отчет по научно-исследовательской работе «Разработка методов прогнозирования закономерностей усталостного разрушения полуфабрикатов и образцов из конструкционных алюминиевых сплавов» / Ташкент, ТашИИТ, 1989. 143 с. № TP 0188С036262.

98. Новиков И.И. Об энергетических характеристиках вакансий в металлах // Изв. АН СССР. Металлы. 1976. С. 172-176.

99. Дехтярь Н.Я. // Изв. Вузов. Физика. 1985. № 5. С. 81-88.

100. Справочник по машиностроительным материалам. Том 1. Сталь. М.: Машгиз, 1959.907 с.

101. Федоров В.В., Щипачев A.M., Цыганов С.Г. Термодинамический метод прогнозирования усталостных характеристик металлов. / Ташкентский ин-т ж/д тр-та. Ташкент, 1985. И с. Деп. В ВИНИТИ 21.06.85. № 5008-85.

102. Щипачев A.M. Термодинамическая теория прочности: прогнозирование многоцикловой усталости металлов. Уфа: УТИС, 1998. 107 с.

103. Мухин B.C. Технологические методы обеспечения качества поверхности деталей. Уфа: УАИ, 1981.74 с.

104. Ищенко И.И., Погребняк А.Д., Синайский Б.Н. Влияние высоких температур на сопротивление усталости жаропрочных сталей и сплавов. Киев.: Наукова думка, 1979. 176 с.

105. Кеннеди А.Дж. Ползучесть и усталость в металлах. М.: Металлургия, 1965. 312 с.

106. Бокштейн С.З. Строение и свойства металлических сплавов. М.: Металлургия, 1971.496 с.

107. Симе Ч., Хагель В. Жаропрочные сплавы. М.: Металлургия, 1976. 568 с.

108. Copley S.M., Kear B.N. // Trans. Met. Soc. ATME, 1967. P. 977-983.

109. Давиденков H.H., Спиридонова Н.И. Анализ напряженного состояния в шейке растянутого образца // Заводская лаборатория. 1945. № 6. С. 58-67.

110. Бриджмен П. Исследование больших пластических деформаций и разрыва. М.: Изд-во иностр. лит., 1955. 444 с.

111. Давиденков H.H., Беляев С.Е., Марковец М.П. Получение основных механических характеристик стали с помощью измерения твердости // Заводская лаборатория. 1945. №. 11. С. 964-973.

112. Марковец М.П. Определение механических свойств металлов по твердости. М.: Машиностроение, 1979. 191 с.

113. Дель Г.Д. Определение напряжений в пластической области по распределению твердости. М.: Машиностроение, 1971. 199 с.

114. Вигдорович В.Н. Измерение твердости как метод исследования металлов // Заводская лаборатория. 1965. № 8. С. 993-1001.

115. Горелик С.С., Расторгуев JI.H., Скаков Ю.А. Рентгенографический и элек-троннооптический анализ. М.:Металлургия, 1970. 368 с.

116. Аброськин П.К. Исследование характеристик прочности металла литых изделий по результатам измерения твердости. Автореферат дис.канд. техн. наук. М.,1972. 21 с.

117. Паскудский Е.А. Применение метода экзоэмиссии для решения технологических задач повышения качества и эксплуатационных свойств деталей летательных аппаратов. Дис.канд. техн. наук. Уфа; УАИ, 1983. 190 с.

118. Борулько В.И. Применение метода микротвердости к оценке остаточных напряжений // Заводская лаборатория. 1985. № 6. С.86-87.

119. Крамаренко О.Ю., Куликовская О.В. Применение метода микротвердости при оценке усталостного повреждения // Заводская лаборатория. 1972. № 1. С.80 -85.

120. Беляев В.И. Исследование процесса усталости металлов. Минск: Изд-во МВССи-ПО БССР, 1962. 111 с.

121. Иванова B.C., Гордиенко J1.K. Изменение физических свойств металлов при циклическом нагружении. // Тр. / АН СССР, Ин-т металлургии, 1965. С.156-178.

122. Методы исследования сопротивления металлов деформированию и разрушению при циклическом нагружении / В.Т. Трощенко, Б.А. Грязнов, В.А. Стрижало и др. Киев: Нау-кова думка, 1974. 256 с.

123. Хартмут И. Исследование закономерностей изменения микротвердости при статическом и циклическом нагружении легких сплавов // Проблемы прочности. 1974. № 11. С. 1923.

124. Гольденберг A.A., Екименков JI.H., Меташоп JI.A. Структура и рассеяние результатов испытаний на усталость алюминиевых сплавов // МиТОМ. 1975. № 5. С. 61-65.

125. Гольденберг A.A., Олькин Б.И., Селихов А.Ф. и др. Применение метода микротвердости к исследованию изменения свойств конструкционных материалов при циклических нагружениях // Заводская лаборатория. 1969. № 7. С.846 -849.

126. Гольденберг A.A., Олькин Б.И., Воробьев А.З. Микротвердость конструкционных материалов под воздействием циклических нагружений // МиТОМ. 1969. № 3. С. 61-64.

127. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. Изд.З-е, перераб. и доп. 4.1. Деформация и разрушение. М.: Машиностроение,!974. 472 с.

128. Партон В.З. Механика разрушения: от теории к практике. М.:Наука,1990. 240 с.

129. Иванова B.C. Разрушение металлов. Серия «Достижения отечественного металловедения». М: Металлургия, 1979. 168 с.

130. Paris Р. and Erdogan F. // J. Basic Eng. 1963. V. 85. P. 528-534.

131. Фрост H.E., Холден Дж., Филипс Ч.Е. Экспериментальное изучение закономерностей развития трещин усталости // Усталость и выносливость металлов / М. : Иностранная литература, 1963. С. 150-179.

132. Файвисович А.В. Методика расчета начальной стадии накопления усталост-ных поверхностных повреждений // Заводская лаборатория. 1996. № 10. С.29-37

133. Будилов И.Н. Построение математической модели скорости роста трещины и численное моделирование НДС в разъемных соединениях двигателя / УГАТУ. Уфа, 1997. 71 с.

134. Технологические остаточные напряжения / Под ред. А.В. Подзея. М.: Машиностроение, 1973. 216 с.

135. Мухин В.С. К механизму подповерхностной повреждаемости деталей при высокотемпературной эксплуатации.// Поверхностный слой, точность и эксплуатационные свойства деталей машин и приборов / МДНТП. М., 1980. С. 58-62.

136. Балтер М.А. Упрочнение деталей машин. М.: Машиностроение, 1978. 184 с.

137. Степнов М.Н. О сопротивлении усталости титанового сплава ВТЗ-1 в связи с поверхностным наклепом // Проблемы прочности. 1985. № 3. С.20-23.

138. Когаев В.П., Дроздов Ю.Н. Прочность и износостойкость деталей машин. М.: Высшая школа, 1991. 319 с.

139. Балашов Б.Ф., Петухов А.Н. Сопротивление усталости дисков газовых турбин // Проблемы прочности. 1979. .№9. С. 38-41.

140. Ярема С.Я. О корреляции параметров уравнения Париса и характеристиках циклической трещиностойкости материалов. // Проблемы прочности. 1981. № 9. С. 20-28.

141. Ярема С.Я., Микитишин С.И. Аналитическое описание диаграммы усталостного разрушения материалов.// Физико-химическая механика материалов. 1975. № 6. С. 47-54.

142. Шанявский А.А. Роль ротационных деформаций в формировании сферических частиц в усталостном изломе //Физико-химическая механика разрушения. 1985 т. 21 № 5. С. 28-33.

143. Seeger А. // Proc. Of Intern. Conf.on Non-Linear Phenomena in Materials Science Aussoise, 1987. P. 234-239.

144. Павлов И.И., Шелест A.E., Тарасевич Ю.Ф. Пластическая деформация тугоплавких металлов и специальных сплавов М.:Наука, 1970. 111с.

145. Хлопотов О.Д. О равномерной остаточной деформации // МИТОМ, 1974, №12, С.12-14

146. Баланкин А.С., Иванова В.С., Бреусов В.П. // Доклады АН. 1992. Т. 322. № 6. С. 1080-1085.

147. Федоров В.В. Исследование и разработка научных основ прогнозирования повреждаемости и разрушения металлов. Дис. докт. техн. наук. М.: ВНИИЖТ, 1980. 439 с.

148. Федоров В.В., Щипачев A.M. Метод прогнозирования усталостной долговечности с учетом физико-механических свойств поверхностного слоя деталей из стали ЗОХГСНА. / Ташкентский ин-т ж/д тр-та. Ташкент, 1985. 16 с. Деп. & ВИНИТИ 21.06.85. № 5009-85.

149. Хеллан К. Введение в механику разрушения / Пер. с англ. A.C. Кравчука. Под ред. Е.М. Морозова. М.: Мир, 1988. 364 с.

150. Марковец М.П. Диаграммы истинных напряжений и расчет на прочность // Тр. / ВИАМ. 1947. Вып. 65. 140 с.

151. Степнов М.И., Гиацинтов Е.В. Усталость легких конструкционных сплавов. М.: Машиностроение, 1973. 317 с.

152. Школьник J1.M. Скорость роста трещин и живучесть металла. М.: Металлургия, 1973.216 с.

153. Soderberg H.// Trans ASME, 1933, p. 131-139/

154. Кудрявцев И.В. Внутренние напряжения как резерв прочности в машиностроении.-М.: Машгиз, 1951.

155. Марковец М.П.// Заводская лаборатория. № 3. 1955. С. 35-41.

156. Хейвуд Р.Б. Проектирование с учетом усталости. М.: Машиностроение, 1969.504 с.

157. Лебедев A.A., Шканов И.Н., Кожевников Ю.Л. Критерии выносливости при переменных нагрузках в условиях одноосного и двухосного статистического напряжения // Проблемы прочности. 1972. № 2. с. 15-19.

158. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз, 1963. 232 с.

159. Серенсен C.B., Тетельбаум И.М. Динамическая прочность в машиностроении: Справочное пособие. М. Л.: ГНТИМЛ, 1940. 376 с.

160. Мустафин Ч.Г. К определению предела выносливости деталей с концентратами напряжений при асимметричном цикле // Проблемы прочности. 1978. № 11. С. 34-38.

161. Дерягин Г.А. Оценка по предельным напряжениям усталостных свойств алюминиевых сплавов Д16Т и АВТ1 // Проблемы прочности. 1972. № 11. С. 74-81.

162. Лаврушин Г.А. Исследование чувствительности к концентрации напряжений чугуна при усталости в зависимости от асимметрии циклов нагружения. // Проблемы прочности. 1972. №9. С. 90-91.

163. Гольцев Д.И. // Вопросы динамики и динамической прочности. Вып. 111. Издательство АН Латв. ССР, 1955. С. 240-253.

164. Троян И.А., Шевчук А.Д. Влияние асимметрии цикла на выносливость теплостойкой стали при больших базах нагружения. // Проблемы прочности. 1983. № 10. С. 15-18.

165. Орлов И.А. Основы конструирования. М.: Машиностроение, 1977. Т.1. 305 с.

166. Михайлов-Михеев П.Б. Справочник по металлическим материалам турбино- и моторостроения. M.-JL: Машгиз, 1961. 380 с.

167. Петерсон Р. Коэффициенты концентрации напряжений. М.: Мир, 1977. 302 с.

168. Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах. М.: Металлургия, 1978. 248 с.

169. Мухин B.C. Качество поверхностного слоя при механической обработке жаропрочных сплавов и влияние его на эксплуатационные свойства материалов и деталей авиационных двигаталей. Дисс. докт. техн. наук. Уфа, 1974.

170. Смыслов A.M., Щипачев A.M. Прогнозирование усталостной долговечности титанового сплава ВТ18У при повышенных температурах с учетом технологии обработки поверхности // Изв. вузов. Авиационная техника. 1999. №2. С. 62-65.

171. Школьник J1.M. Методика усталостных испытаний: Справочник. М.: Металлургия, 1978. 302 с.

172. Яценко В.К. и др. Влияние алмазного выглаживания на качество поверхности и усталостную прочность стали ЭИ961.// Проблемы прочности. 1972. С.105-108.

173. Справочник по машиностроительным материалам. Том 1. Сталь. М.: Машгиз, 1959907 с.

174. Исследование формирования и управления свойствами в процессе произ-водства и эксплуатации ВПУ с целью повышения их ресурса./ Отчет по НИР УАИ Уфа, 1986. Инв. № 02860060037.

175. Папшев Д.Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностно-пластическим деформированием. М.: Машиностроение, 1978. 152 с.

176. Юдин Д.Л., Петраков А.П., Корноухов А.П. Увеличение срока службы тягового редуктора подвижного состава //Вестник машиностроения, 1981, №2. С.45-46.

177. Научно-технический отчет «Методические рекомендации по расчетной оценке долговечности деталей опор шасси на этапе проектирования», № 3298, шифр 018088П2, ЦА-ГИ, 1983.

178. УТВЕРЖДАЮ Генеральный директор ОАО «Авиа доктТтехн. .1.>i аков Г.А.»// / 2000 г.71. АКТо внедрении научных результатов докторской диссертации Щипачева A.M.

179. Мы, нижеподписавшиеся: со стороны АО «Авиаагрегат»:со стороны Исполнителя: Щипачев A.M. к.т.н., доцент УТИС

180. Экономический эффект от внедрения указанных научных результатов составляет 250 ООО руб. в год.

181. Примечание: Настоящий Акт не является основанием для взаимных финансовых претензий.1. Главный инженер1. В.Д. Осипов1. Исполнитель1. A.M. Щипачев

182. РЭСЭЙ АВИАЦИЯ-КОСМОС АГЕНТЛЬПЫ

183. КУМЕРТАУ 'КАЛАЬЫ АВИАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВО ПРВДПРИЯТИЕЬЬГ1. КумАПП)

184. ФЕДЕРАЛЬ ДЭУЛЭТ УНИТАР ПРЕДПРИЯТИЕМ Ы

185. РОССИЙСКОЕ АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОЕ АГЕНТСТВО

186. ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

187. КУМЕРТАУСКОЕ АВИАЦИОННОЕ ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ" (КумАПП)1. АКТ

188. Внедрения результатов научных исследований

189. Мы, нижеподписавшиеся: Со стороны Предприятия Главный инженер Соловьев А.И.

190. Со стороны Исполнителя Щипачев Андрей Михайловичканд. техн. наук, доцент У ТИС

191. Справка дана для предоставления в диссертационный совет Д 003.98.01 в Институте проблем сверхпластичности металлов РАН

192. Настоящая справка не является основанием для финансовых претензий.1. А.И. Соловьев275