автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Разработка метода оценки ресурса изделий обработки металлов давлением при их изготовлении и эксплуатации

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ МАШИНОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи

Вурдуковекий Владимир Григорьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ РЕСУРСА ИЗДЕЛИЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ ПРИ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 05.16.05 - обработка металлов давлением

Диссертация

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научные руководители:

член-корреспондент РАН В.Л.Колмогоров

доктор технических наук Б.А.Мигачёв

Екатеринбург - 1999 г.

\

\

СОДЕРЖАНИЕ

^Р'^-ДКЦЫР в ж а я я ж ж а я ж ж я я я ж я ж я а я я к я а я я я я а а я ж ж я я ж ж ж ж ж я я ж ж ж я ж ж ж а

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ПРОГНОЗИРОВАНИЮ РАЗРУШЕНИЯ

1.1 технологическая повреждённость. Феноменологический подход к описанию разрушения в процессах обработки давлением. ...........................................13

1.2 влияние технологической поврежденности на ресурс прочности и долговечность деталей машин и элементов

КОСТрУКИ)^]^ • жяятяжяяяаяатжшжжяяяажтяяяяяяжтяаяяяяяяатя -¿-"7

1. з особенности накопления повреждений и прогнозирование ресурса прочности при эксплуатации машин и элементов

конструкций .........................................33

ВЫВОДЫ ...............................................54

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. . ..................................56

2. МОДЕЛЬ НАКОПЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ В МАТЕРИАЛЕ ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОМ

ФОРМОИЗМЕНЕНИИ

2.1 Феноменологическая модель среды с повреждениями.....57

2.2 вывод кинетического уравнения повреждаемости, модель накопления повреждений в материале при пластическом деформировании. .....................................65

2.3 оценка повреждаемости при немонотонном сложном нагружении. .........................,...............74

2.4 переходная функция, учёт изменения повреждаемости при высоких температурах в паузах между этапами деформирования. .....................................84

ВЫВОДЫ ......................... .................... . 94

3- ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ НАКОПЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕНИЙ.

3. i Определение пластичности Л .........................9&

р

3.2. определение параметров /з, В и а _____...............99

3.3 экспериментальное определение пластичности Лр непрерывно литых сталей при предплавильных температурах ........................................114

3.3.1 методика исследования пластичности стали

при предплавильных температурах................116

3.3.2 Результаты экспериментального исследования...... 137

3.4 применение модифицированного метода А.н.грубина для оценки напряжённо-деформированного состояния при растяжении цилиндрического образца с надрезом.........155

выводы ............................................. 169

4. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РЕСУРСА ИЗДЕЛИЙ ПРИ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ

4.1 Распространение феноменологической модели разрушения на случай эксплуатации машин и сооружений ........... ,«..17С

4.2 методика прогнозирования ресурса изделий в процессе изготовления и эксплуатации. ........................201

Е^Ь^ДЗС^Д^Ь! кяяяятяжавяяяятавяжжаякяжяяяжяяяяявхявяяжжажяя 21

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................... .................... 217

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ....................................... . 219

ПРИЛОЖЕНИЯ .

255

Приложение 1

иллюстративный пример использования модели накопления повреждений для прогнозирования ресурса при изготовлении и

эксплуатации деталей машин .............................256

приложение 2

Иллюстративная программа "ПАМАОЕ" использования обобщённой модели разрушения для оценки повреждённости и ресурса изделий обработки металлов давлением при изготовлении и

эксплуатации............................. —... —. —»зоз

приложение 3.

оценка прочности и долговечности протяжного инструмента при обработке термоупрочнённых рельсовых подкладок (применение обобщённой модели) ........................,зю

приложение 4

Алгоритм расчёта напряжённо-деформированного состояния цилиндрического образца с надрезом (модифицированный метод

А.н.грубина) ...........................................342

приложение 5

справки об использовании результатов работы ............349

введение

Технический прогресс требует создания сложных машин, агрегатов и сооружений, среди различных процессов изготовления деталей машин и элементов конструкций ведущее место будут продолжать занимать технологические процессы обработки металлов давлением, разрушение метала в процессе обработки, накопление в обрабатываемом металле пор, трещин и других микронесплошностей является одной из важнейших проблем теории и технологии обработки давлением, широко известны работы п. У. Бриджмена, А. А-Богатова, с. и. Губкина, А.к.гоша, м. я. дзугутова, Б.Л.Колмогорова, ф. А. макклинтока, и других учёных, посвягцённых этой проблеме, несмотря однако на достигнутые успехи в этой области, вопрос предотвращения и прогнозирования разрушения остаётся проблематичным и сегодня.

с научной и практической точек зрения проблема разрушения материала является общей, затрагивающей как производство, так и эксплуатацию машин и сооружений, в последнее время в связи с усложнением машин и сооружений проблема оценки и прогнозирования их ресурса становится объектом пристального внимания учёных, одним из основных факторов, определяющих ресурс деталей машин и элементов конструкций является накопление повреждений в металле при его обработке. повреждения - дефекты сплошности, накапливающиеся на стадии изготовления изделий, снижают ресурс и надёжность машин и сооружений.

вместе с тем большинство современных теорий прочности не учитывает историю "формирования" прочности деталей машин и элементов конструций в процессах обработки. в каждой области

обработки и режимах эксплуатации зачастую используются специфические методы, расчётный аппарат и свои критерии разрушения, что противоречит общей тенденции техники создания совмещенных, интегрированных технологичеких комплексов и агрегатов, а в науке - созданию общих и поэтому универсальных теорий и методов расчёта.

важным аспектом рассматриваемой проблемы является установленный факт протекания в металле наряду с накоплением повреждений процессов залечивания дефектов, знание особенностей таких процессов открывает возможность управления качеством и ресурсом изделий.

Резервы повышения качества изделий обработки давлением, их ресурса и точность его оценки заключаются в переходе как к разработке и проведению технологического процесса обработки металла, так и к проектированию и эксплуатации изделий, на основе общего подхода, учитывающего процесс накопления и залечивания повреждений в металле на всех стадиях "жизни" изделия.

основой общего подхода к прогнозированию разрушения материала в процессе изготовления и эксплуатации деталей машин и элементов конструкций может стать механика повреждённого деформируемого тела - один разделов механики твёрдого деформируемого тела. в основе механики повреждённго деформируемого тела лежит феноменологический подход к описанию накоплений в материале при его нагружении, а повреждённость материала рассматривается как особое механическое сосотояние элемента сплошной среды, подобное деформированному состоянию этого элемента.

всё вышесказанное говорит о том, что научно - обоснованная

разработка на основе учёта процессов накопления и залечивания повреждений в металле при его деформировании и применение методик прогнозирования и оценки ресурса металла при изготовлении деталей машин и элементов конструкций методами обработки металлов давлением и их последующей эксплуатации, является актуальной задачей, имеющей научный и практический интерес.

настоящая работа выполнялась в рамках государственной научной программы "Комплексная программа Российской Академии наук Фундаментальных исследований проблем машиностроения, механики и процессов управления " на 1991-2000 годы по темам "системное моделирование кинетики развития повреждённости материалов в процессе обработки деталей и эксплуатации машин с целью управления долговечностью и живучестью изделий машиностроения" N г.р. 01=09,10 037664, 1992-1994 гг„? "Создание системы прогнозирования и контроля ресурса прочности деталей на основе математического моделирования и использования средств неразрушающего КОНТРОЛЯ" N Г,р. 01.960,009411 1996-2000 гг. , и хоздоговорных программ < "Разработка системы обобщённых нормативно-технических документов по безопасности сложных систем и обьектов при техногенных и природных катастрофах" - хоздоговор N Д13/91 между ЛКО "ДИКСИ" и институтом физико-технических проблем севера Якутского отделения со ан СССР, "Оценка влияния термоупрочнения подкладочной полосы на стойкость протяжного инструмента и прочность протяжных станков" - хоздоговор N М231/91 между салдинским металлургическим заводом и институтом машиноведения Уро ран) .

Целью настоящей вабрты является совершенствование на основе механики повреждённости теории разрушения металлов применительно

к процессам обработки и распространения её на процессы нагружения при эксплуатации в рамках развития общей концепции прогнозирования разрушения изделий как в процессе их изготовления, так и при эксплуатации.

научная новизна работы состоит в том, что разработана общая методика прогнозирования ресурса изделий в процессе изготовления и эксплуатации с использованием аппарата механики поврежденности одного из разделов механики твёрдого деформируемого тела;

на основе разработанной методики проведено прогнозирование ресурса изделий обработки давлением;

показана необходимость учёта переходных явлений в процессах накопления повреждений при существенно немонотонных процессах нагружения и определён вид простейших функций, описывающих этот переход;

экспериментально исследована пластичность ряда непрерывно -литых сталей при температурах близких к плавлению и термомеханических параметрах деформации, свойственных совмещённым процессам разливки и обработки давлением;

Практическую ценность работы составляют г методика оценки и прогнозирования ресурса изделий обработки металлов давлением при их изготовлении и эксплуатации, учитывающая повреждённость металла, накопленную в процессе пластического формоизменения и эксплуатации, что позволяет повысить качество изделий обработки давлением и точность оценки и управления их ресурсом;

полученные при исследовании данные о пластичности непрерывнолитых сталей, которые позволили улучшить конструктивные параметры машин непрерывного литья заготовок, способствовали выбору оптимального технологического процесса изготовления

фасонных заготовок, получаемых путём прессования непрерывнолитых слябов.

Реализация работы в промышленности. Данные о пластичности были использованы на ОАО "УРАЛМАШ" в отделах главного конструктора машин непрерывного литья и главного конструктора прокатного оборудования в расчётах при проектировании машин непрерывного литья заготовок и новых перспективных машин и схем технологических процессов обработки непрывно литых сталей.

Разработанная методика оценки и прогнозирования ресурса изделий была применена для оценки прочности и ресурса инструмента при изготовлении термоупрочнённых рельсовых подкладок на салдинском металлургическом заводе.

на защиту выносятся следующие положения г усовершенствованная модель разрушения металла в процессах изготовления изделий методами пластической деформации и их эксплуатации, полученная на основе описания деформирования среды с повреждениями и учитывающая переходные процессы в развитии повреждённости металла при немонотонном нагружении;

методика прогнозирования и оценки ресурса при изготовлении и эксплуатации металлоизделий, полученных методами пластической деформации;

экспериментальные данные пластичности непрерывно-литых сталей при температурах предплавления и методика их определения.

достоверность научных результатов и выводов обоснована прменением методов механики твёрдого деформируемого тела, теории обработки металлов давлением, методов испытаний материалов и совпадением результатов расчётов, как с известными литературными,

так и экспериментальными данными.

Апробация работы. основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на 9 конференциях и семинарах: ill всесоюзная научно-техническая конференция "Теоретические проблемы прокатного производства" «Днепропетровск, 1980 г.); всесоюзная конференция "Технология и средства производства " (свердловск, унц ан СССР, 1983 г.); всесоюзная конференция "Проблемы прочности, надёжности и живучести элементов конструкций машиностроительной промышленности" «Петропавловск, 1985 г,); Региональная конференция "Математическое моделирование технологических процессов" < Пермь, 1987); XIII всесоюзная научно-техническая конференция "Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур" (Каунас, 1989 г. >; Международная научно-техничекая конференция "Актуални проблеми на пластичната обработка на металите" (Варна, 1990 г.); V уральский семинар "Проблемы проектирования конструкций" (миасс, 1991 г.); восьмая международная конференция по разрушению (Киев, 1993 г.); International Conference on Advances Materials and Processing Technologies (AMPT'93), (Dublin, 1993),

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ. структура и объём диссертации. диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложения и списка литературы, она изложена на 348 стр., содержит 78 рисунков, 13 таблиц. Библиографический список включает 332 наименования.

первая глава диссертации является обзорной, в ней рассмотрены современные представления о разрушении металлов и сплавов, методы его прогнозирования с позиций феноменологического подхода к описанию накопления повреждений в процессе изготовления изделий

путём пластического деформирования и их эксплуатации? дано понятие о технологической повреждённости металлоизделий, её влиянии на ресурс прочности и долговечности машин и элементов конструкций? сформулирована постановка задачи.

во второй главе с помощью гипотезы эквивалентности мощности деформаций вводится феноменологическая модель среды с повреждениями. на основе модели и принципа автомодельности процесса накопления повреждений при пластическом деформировании выводится кинетическое уравнение повреждённости обрабатывамого материала, которое используется для построения модели накопления повреждений в условиях монотонного и немонотонного нагружения. в случае немонотонного нагружения показана необходимость введения переходной функции для описания переходных процессов в накоплении повреждений при смене схемы нагружения, приведены примеры простейших переходных функций.

& третьей главе описывается методика экспериментального определения параметров модели накопления повреждений, на основе экспериментальных данных даётся оценка адекватности модели; приводится методика эксперимента и полученные в работе экспериментальные данные о пластичности нелрерывнолитых сталей при предплавильных температурах; показана возможность применения для оценки напряжённо-деформированного состояния при испытаниях на растяжение образцов с надрезом модифицированного метода А. н.грубина

в четвёртой главе, разработанная в работе модель накопления повреждений и методика оценки повреждённости металла, распространяются на случай эксплуатации изделий в условиях малоциклового, многоциклового нагружений и ползучести. Показано,

что применяемые для описания повреждённое™ деталей машин и элементов конструкций модели разрушения являются частными видами предлагаемой модели, даны рекомендации по определению параметров модели по литературным данным и путём проведения эксперимента, в рамках единой концепции прогнозирования ресурса изделий при изготовлении и эксплуатации приводится методика прогнозирования ресурса на основе предлагаемой в работе модели накопления повреждений.

В приложении I приведён иллюстративный пример использования модели для оценки повреждаемости и ресурса таких широко распространённых, изготовляемых методами обработки давлением деталей машиностроения как болт, пружина и металлокорд автомобильных шин.; приведено описание иллюстративной программы "DAMAGE" для персональной ЭВМ, в основу которой положен рассмотренный в работе иллюстративный пример.

в приложении 2 приведена англо-язычная версия программы "вamare" использования обобщённой модели разрушения.

в приложении 3 приведён опыт применения обобщённой модели для оценки прочности и долговечности протяжного инструмента при обработке термоупрочнённых рельсовых подкладок на

салдинском металлургическом заводе.

в приложении 4 приведён алгоритм расчёта напряжённо деформированного состояния цилиндрического образца с надрезом при растяжении на основе использования модифицированного метода а.Н.Грубина.

в приложении 5 приведены спраки об использовании результатов настоящей работы на оао " уралмаш" и оао "салдинский металлургический завод. "

ГЛАВА I

СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ПРОГНОЗИРОВАНИЮ РАЗРУШЕНИЯ

г. I технологическая повреждённост