автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Прогнозирование циклической прочности и долговечности материалов по показателям сопротивления статическому нагружению

Введение.

1. Состояние вопроса по исследованию корреляции характеристик прочночти, пластичночти и усталости металлических материалов.

1.1 О связи между сопротивлением деформации при статическом нагружении и характеристиками усталости металлов и сплавов.

1.2. Изменение механических свойств под действием циклических нагрузок.

1.3. Влияние асимметричного цикла на сопротивление усталости и характеристики прочности металлов и сплавов.

1.4. Показатели сопротивления циклической и статической деформации. Задачи исследования

1.5. Программа исследования.

2. Методика проведения исследований.

2.1. Выбор материалов и образцов.

2.2. Устройство установок для испытаний на усталость и принцип их работы

2.3. Подготовка образцов к проведению исследований микроструктуры

2.4. Методика обработки экспериментальных данных. Точность экспермента

3. Сопротивление конструкционных материалов усталости и статической деформации.

3.1 О корреляции между коэффициентом деформационного упрочнения и наклоном кривых усталости

3.2 Упрочнение металлов в процессе усталости.

3.3 Сопротивление усталости при асимметрии цикла нагружения и его корреляция со способностью материала, к деформационному упрочнению.

3.4. О корреляции характеристик прочности и пластичности с параметрами сопротивления усталости.

4. Взаимосвязь параметров усталости и однократного разрушения. Практическая ценность работы.

4.1. Прогнозирование параметров сопротивления усталости материала деталей оборудования по параметру Ку.

4.2. Прогноз показателя сопротивления усталости натурной детали.

4.3. Пример прогноза кривой усталости натурной детали на основе пункта 4.2.

Актуальность темы. Современное оборудование работает в широком диапазоне механических напряжений и долговечности, то есть от области малоциклового нагружения на протяжении всей кривой многоцикловой усталости. Понятно, что одной только величины предела усталости для описания поведения материала при циклическом нагружении недостаточно. Нужна характеристика, учитывающая и напряжение и долговечность. В качестве такой характеристики вводится показатель сопротивления усталости, как отношение приращения напряжения к приращению долговечности. В логарифмических координатах он представляет собой постоянную величину и позволяет проводить сопоставление поведения материалов в различных условиях. Факторы, определяющие природу усталостных повреждений, так или иначе влияют на положение кривой усталости в логарифмических координатах. Последняя располагается "выше" - "ниже" или "круче" -"положе", поэтому показатель сопротивления циклическому нагружёнию, представленный в виде угла наклона кривой усталости к оси числа циклов нагружения, выступает в качестве характеристики, отображающей природу явления усталости. Испытания на усталость дорогие и трудоёмкие, поэтому актуальна задача оценки циклической прочности по кратковременным испытаниям образцов. Ряд исследователей считает, что предел усталости находится в прямой зависимости от предела прочности, в других случаях его связывают с пределом текучести и пластичностью. Общепризнано, что до определенных значений предел усталости растёт с увеличением предела прочности металла. После чего такое соответствие нарушается, то есть с ростом предела прочности предел усталости уменьшается. Эта неоднозначность в связи механических характеристик сопротивления статическому и циклическому нагружёнию осложняет разработку универсального метода прогнозирования, затрудняет использование простого их сопоставления. Тем не менее задача создания такого метода прогнозирования показателей сопротивления усталости довольно привлекательна и в силу очевидной экономической выгоды актуальна.

Показатели сопротивления усталости зависят от совокупного влияния характеристик прочности и пластичности. Прочность и пластичность связаны между собой кривой упрочнения. В случае представления ее в двойных логарифмических координатах тангенс угла наклона левой ветви к оси деформации явялется коэффициентом деформационного упрочнения.

Сопоставление показателей сопротивления усталости и статическому нагружению, выраженных тангенсами углов наклона соответствующих кривых, оказалось плодотворным в смысле нахождения критерия оценки долговечности материалов по кратковременным испытаниям. В этом и заключается смысл нового подхода к оценке прочности и долговечности конструкционных материалов, который описывается в настоящей работе.

Цель работы заключается в разработке метода прогнозирования показателей прочности и долговечности деталей машин и конструкций на основе связи параметров сопротивления статической и циклической деформации при условии выражения их в виде коэффициента деформационного упрочнения и тангенса угла наклона кривых усталости к оси числа циклов нагружения соответственно.

Научная новизна исследования заключается в:

- выявлении связи между показателями сопротивления усталости и статическому нагружению в виде тангенса угла наклона кривых усталости к оси циклов и коэффициента деформационного упрочнения;

- построении математической модели связи процессов сопротивления циклическому и статическому нагружению, описываемых с помощью спрямленных в логарифмических координатах кривых усталости и деформационного упрочнения;

- разработке метода ускоренного построения кривых усталости лабораторных образцов и натурных деталей на основе предлагаемой математической модели;

- применении разработанного метода ускоренного построения кривых усталости материалов в многоцикловой области ряда натурных деталей;

- оценке точности разработанного метода прогнозирования на базе сопоставления результатов прогноза с результатами натурных испытаний на усталость.

Практическая ценность работы состоит в использовании результатов исследования для прогнозировании кривых усталости ряда натурных деталей конструкции автомобильной и авиационной промышленности. Во внедрении метода ускоренного построения кривых усталости металлических конструкций в производство на ряде промышленных предприятий г.Нижнего Новгорода.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры "Детали машин и теория механизмов и машин" 10 сентября 2001 г. и 19 февраля 2002 г., на научно-технической конференции "Проблемы машиноведения", посвященной 10-летию Нижегородского филиала ИМАШ РАН РФ (г.Н.Новгород, 23-24 января 1997 г.), на Международном форуме по проблемам науки, техники и образования, организованном Академией наук о Земле 3-7 декабря 2001 г. (г. Москва), на всероссийской научно - технической конференции

Прогрессивные технологии в машиностроении и приборостроении» 16-18 сетября 2002 года (г. Арзамас).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 8 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка используемой литературы (48 наименований) и приложений. Её объем составляет 123 страницы машинописного текста, 47 рисунков, 7 таблиц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе изучения параметров, характеризующих сопротивление статическому и циклическому нагружению, выявлены универсальные количественные характеристики указанных процессов, коррелирующие друг с другом в широком диапазоне действующих факторов.

2. По результатам испытания широкого круга материалов -углеродистых и легированных сталей, чистых металлов, сплавов на основе алюминия и титана - определён вид и оценены количественные параметры зависимости между углом наклона кривой усталости к оси числа циклов нагружения, с одной стороны, и углом наклона кривой деформационного упрочнения к оси деформации - с другой.

3. Теоретически обосновано и экспериментально исследовано влияние ряда факторов на выявленную связь показателей сопротивления циклическому и статическому нагружению. Определено, в частности, что природа материала, температура и масштабный эффект практически не оказывают влияния на параметры указанной зависимости.

4. На основе исследования выявленной связи показателей сопротивления циклическому и статическому нагружению разработан метод прогнозирования положения кривых усталости лабораторных образцов (экспресс-метод) и уточнён, в части учёта асимметрии цикла нагружения, метод прогнозирования положения кривой усталости натурных деталей по повреждению микроструктуры поверхности.

5. Разработанный метод прогнозирования кривых усталости в многоцикловой области практически применён для ряда натурных деталей автомобиля (цапфы задних мостов, вторичные валы КПП, шаровые пальцы, карданные валы), а также узла системы взлета-посадки учебно-тренировочного самолета. Оценка точности прогнозирования, выполненная с использованием результатов натурных испытаний, подтвердила достаточную для метода ускоренного построения кривой усталости точность: максимальная ошибка в определении величины предела выносливости не превышает 11-13%.

1. Мак Лин Д. Механические свойства металлов / Пер. с англ. Л.И.Миркина под ред. Я.Б.Фридмана. М.:Металлургия, 1965.

2. Медведев С.Ф. Циклическая прочность металлов / ГНТИ. Москва: Машлит,1961.

3. Шапошников H.A. Механические испытания металлов. М.-Л.: Машгиз,1954.

4. Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. М.: Металлургия, 1978.

5. Иванова B.C. Усталостное разрушение металлов. М.Металлургия,1978.

6. Ратнер С.И. Разрушение при повторных нагрузках. М.: Оборонгиз, 1959,352 с.

7. Трощенко В.Т. Деформирование и разрушение металлов при многоцикловом нагружении. Киев: Наукова думка, 1981. С.225-239.

8. Трощенко В.Т. Циклические деформации иусталость металлов. В 2 т. Т.1. Малоцикловая имногоцикловая усталость металлов. Киев: Наукова думка, 1985. 199 с.

9. Магидов М.Б.,Шетулов Д.И.,Соколов Л.Д. Структурный анализ усталости металлов //Изв. АН СССР. Металлы. 1973. N3. С.164-165.

10. Давиденков H.H. и Назаренко Г.Т. // ЖТФ, 1953. N5.

11. Беляев В.И. Исследования процесса усталости металлов. Минск, 1962.

12. Балтер М.А. Упрочнение деталей машин. Повышение усталостной и контактной прочности. М. Машиностроение, 1968.

13. Steferding В.Р. // Механика, 1964,12В450,N12.

14. Жуков С.Л. // Заводская лаборатория. 1945, NN 11-12.

15. Марковец М.П. // Заводская лаборатория. 1947, N8.

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

17. Ужик Г.В. Сопротивление отрыву и прочность металлов. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1950.

18. Polakowski W.H., Á.Polschound hurt, Proc. A.S.T.M., 1954.

19. Тыжнова H.B. //ЖТФ, 1951. N2.

20. Марьяновская Т.С., Никонов А.Г. Сб. "Прочность металлов при переменных нагрузках". Москва: Изд-во АН СССР, 1963.

21. Гликман Л.А.Дэхт В.П. Сб. "Некоторые вопросы усталостной прочности стали". М.: Машгиз, 1953 С. 5.

22. Давиденков H.H., Шевандин Е.М. // ЖТФ, 1931. № 1.

23. Мак-Грегор С., Гроссман Н.

24. Ратнер С.И. // ДАН СССР, 106, 1956, 2.

25. Одинг И.А., Марьяновская Т.С., Никонов А.Г. // ДАН СССР, 1962. Т. 143. N6.

26. Ferro A., Mazzzetti P., Montalenti G. On the Effect Crystalline Structure of Fatigue: Comparison between and Hehadonal Metals// Phil. Mag. 1965, Vol.12, N118.

27. Магидов М.Б.,Шетулов Д.И.,Соколов Л.Д. О возможности корреляции наклонов диаграмм усталости и кривых упрочнения на примере титана, цинка и кадмия // Изв.АН СССР. Сер.физ.-техн. 1972. N 1. С.38-42.

28. Шетулов Д.И., Соколов Л.Д., Скуднов В.А., Соленов В.М., Гладеких А.Н., Шнейберг A.M., Гуслякова Г.П., Дмитриев Н.П. Механические свойства редких металлов. М.Металлургия, 1972. 268 е.

29. Шетулов Д.И. О некоторых поверхностных эффектах при устталости металлов.-Физико-химическая механика материалов. 1971, N 2, с. 7-11.

30. Магидов М.Б.ДЛетулов Д.И.,Мясников A.M., Шибаров В.В. Соколов Л.Д. Исследование упрочнения в процессе усталости некоторых чистых металлов //Изв. АН СССР. Металлы. 1970. N 6. С. 165-169.

31. Разрушение твердых тел / Пер. с англ. З.Г.Фридмана. М.: Металлургия, 1965. С. 312.

32. Соколов Л.Д, Скуднов В.А., Соленов В.М., Гладских А.Н., Шнейберг A.M. Влияние типа решетки и энергии дефекта упаковки на механические свойства металлов //Труды Горьков. политехи, ин-та. 1968. Т.24. Вып.9. С. 5-18.

33. Шетулов Д.И. Связь сопротивления циклической нагрузке с повреждаемостью поверхности металлов // Изв. РАН. Металлы. 1991. №5. С. 160.

34. Скляров Н.М. Некоторые вопросы надежности авиационных материалов // Авиационные материалы. 1977. Вып.З. С. 4-9.

35. Бородин H.A., Гиацинтов Е.В., Когаев В.П., Степнов М.Н. Сопротивление усталости алюминиевых сплавов при асимметричном цикле // Труды МАТИ. 1964. Вып. 61. С. 26-37.

36. Колесников А.Ф. Новые плоскости скольжения в цинке // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1938. Т.8. Вып.8-9. С.1031-1039.

37. Alden Т.М. Dinamic Recovery and Fatigue in some Brittle Cristals // Acta Metallur. 1963, vol. 11, №7. p.491.

38. Носкова Н.И., Немнонов C.A., Павлов В.А. Сопоставление энергии дефекта упаковки с электронной структурой металла. В кн. Свойства и применение жаропрочных сплавов. М.: Наука, 1966. С.52-54.

39. Екобори Т. Физика и механика разрушения и прочности твердых тел / Пер. с англ. под редакцией B.C. Ивановой М.: Металургия, 1973. 264 с.

40. Escaig В., Fontaine G., Friedel J. On the role of stacking fault in some problems glide and twinning in cubic metals // Canadian Journal of Phisics, 1967, vol, №2, p.481-492.

41. Шетулов Д.И., Гущин A.H. К вопросу об упрочнении в процессе циклического нагружения металлов // Физико-химическая механика материалов. 1979. №4. С.112-114.

42. Мясников A.M., Шетулов Д.И., Соколов Л.Д. Оценка чувствительности к асимметрии цикла по по истинной диаграмме деформирования // Заводская лаборатория. 1971. №11." С. 1371-1372.

43. Шетулов Д.И., Андреев В.В., Рассохин В.Д., Полушкин О.В. Влияние размеров детали на точность прогноза угла наклона левой ветви кривой усталости // Управление строением отливок и слитков: Межвуз.сб.науч. тр. Н.Новгород: НГТУ, 1997.С.120-123.

44. Шетулов Д.И. Оценка показателя сопротивления усталости по результатам испытаний металлов и сплавов при статической нагрузке // Известия РАН. Металлы. 1994. №4. С. 147-151.

45. Шетулов Д.И., Андреев В.В. Прогнозирование долговечности деталей машин по нестандартным физико-математическим параметрам конструкционных материалов // Известия РАН. Металлы. 1998. №3. С.55-59.

46. Шетулов Д.И., Бугров Д.Ю., Андреев В.В. Оценка параметров усталостного поведения некоторых конструкционных материалов // Материаловедение и высокотемпературные технологии: Межвуз. сб.науч. тр. Н.Новгород: НГТУ, 1999. Вып.1.С.94-99.

47. Рис. П-1. Микроструктура алюминия после циклической нагрузки, Х500,1 = 20 °С.а) а = 100 МПа, N = 4230 циклов, N = 100%ЫР . (образец разрушен);б) о = 22 МПа (ниже предела усталости), N = 730380 циклов.г Деформация изгиба вращающегося образца.1. П1-31и

48. Рис. 11-2. Электронномикроскопические снимки алюминия, испытанного на усталость при 20 XI0000, а 100 МПа, N - I О3 циклов, N - 41,7%ЫР. Деформация изгиба вращающегося образца.ni-4 mj '