CC BY
51
УДК 539.3
В. Р. СКАЛЬСЬКИЙ, Д. В. РУДАВСЬКИЙ, П. Я. ГАЛАН, I. М. ЛЯСОТА,
П. П. ВЕЛИКИЙ, Я. Д. ТОЛОПКО (Фiзико-механiчний шститут iM. Г. В. Карпенка
НАНУ, Львiв)
ОЦ1НКА РОЗВИТКУ ВТОМНОГО РУЙНУВАННЯ В'ЯЗКИХ КОНСТРУКЦ1ЙНИХ СТАЛЕЙ
В робот описано методику випробувань призматичних зразк1в стал великогабаритних конструкцш для побудови шнетичних д1аграм втомного руйнування цих матер1ал1в. Отримаш шнетичш д1аграми апроксимо-вано аналггичними залежностями i3 невщомими параметрами, як1 знайдено методом найменших квадрапв.
В работе описано методику испытаний призматических образцов стали крупногабаритных конструкций для построения кинетических диаграмм усталостного разрушения этих материалов. Полученные кинетические диаграммы аппроксимировано аналитическими зависимостями с неизвестными параметрами, найденными методом наименьших квадратов.
The procedure for testing the prismatic steel specimens of heavy constructions to build the kinetic diagrams of fatigue fracture is described in the paper. The kinetic diagrams obtained have been approximated by analytical dependences with unknown parameters, which were found using least squares method.
Вступ
Протягом останшх десятатть бурхливо роз-виваються дослщження мехашки руйнування конструкцшних матерiалiв. Це зумовлено особливою практичною цшнютю отриманих в цш обласп теоретичних та експериментальних результата, великим значенням !х для створення методик оцшки працездатностi iнженерних конструкцiй.
При оцшщ довговiчностi металевих елемен-ив сучасних великогабаритних конструкцiй ключову роль вщграе, побудована для !х мате-рiалу, кiнетична дiаграма втомного руйнування (КДВР). Така дiаграма забезпечуе дослщниюв основною iнформацieю про характер втомного руйнування даного металевого матерiалу под> бно як дiаграма розтягу - про процес деформа-цii та крiм того безпосередньо застосовуеться при визначенш живучостi елементiв металоко-нструкцш, що циклiчно навантажують. У вщ-повiдностi iз концепцiею механiки руйнування довговiчнiсть конструкцii призначеноi для екс-плуатацii в режимi багатоциклового наванта-ження обумовлюеться насамперед опiрнiстю матерiалу поширенню трiщин у припороговiй обласп, що вiдповiдае 1-й дiлянцi КДВР [1]. Тому для розрахунку довговiчностi при багато-цикловiй втомi дослщниками придiляеться особлива увага саме припороговш дiлянцi при по-будовi КДВР.
Апроксимуючи експериментально побудо-вану КДВР вiдповiдною аналiтичною залежшс-тю V = V (AKj) можна легко визначити залиш-
кову довговiчнiсть елемента металоконструкцii iз трщиною за формулою [2]:
Nd =j V-1 (AK, [I]]dl.
(1)
де l0, lc - початковий та кшцевий розмiри трi-щини, вiдповiдно.
В данш роботi описано теоретико-експери-ментальну методику побудови КДВР зразюв iз сталi st 3852 (рис. 1, а), вирiзаних iз напрацьо-ваного елемента стрши пiдйомного крану портового обладнання (час експлуатацii близько 250 тис. год.), а також зi сташ 09Г2С (вихiдний стан).
В експериментальних дослщженнях засто-совували випробувальну установку (рис. 1, б) для вивчення процесiв зародження та розвитку втомних трiщин у балкових зразках прямокут-ного поперечного перерiзу. Випробування проводились за постiйноi деформаци, коли коефi-цiент iнтенсивностi напружень (К1Н) монотонно змiнюеться з ростом трщини [3] (так зване жорстке навантаження).
Опис установки
За конструкцшним принципом дп установка нагадуе силову схему машин типу Шенк-Ерлiнгер [4]. Вона може працювати за схемою консольного чи чистого згишв. На рис. 1, в показано кшематичну схему установки та ii зага-льний вигляд з блоком вимiрювання. Зразок 6 iз конструкцшного матерiалу одним кiнцем жорс-
© Скальський В. Р., Рудавський Д. В., Галан П. Я., Лясота I. М., Великий П. П., Толопко Я. Д., 2010
тко фшсують у нерухомому захопi 7, а шшим -у привщному важелi 4, 5 який тягою 3 з'еднаний з ексцентриком 2, останнш жорстко закрiплений на валу двигуна 1. Зразок розташо-вують так, щоб послаблений концентратором напружень перерiз був посерединi просвггу мiж захопами. Важiль може повертатися навколо ос свое!" фiксацii шд час циклiчного наванта-ження зразка на шаршрних опорах. Вузли та блок управлшня випробувальною установкою змонтоваш на однiй основi i дають можливiсть вимiрювати частоту циклiв навантаження та його величину, кшьюсть циктв за перiод ви-пробувань або за заданий оператором промiжок часу.
а)
10
о
Г1Г
б)
в)
/о 9 8
/I 12
Рис. 1. Схематичне зображення зразка для випробувань (а); кшематична схема установки (б) та И загальний вигляд (в): 1 - електродвигун; 2 - ексцентрик; 3 - шатун; 4 - важшь;
5 - рухомий захоп; 6 - зразок; 7 - нерухомий захоп; 8 - хвилеввд сигнаив АЕ; 9 - первинний перетворювач АЕ; 10 - вим1рювальний модуль; 11 - стшка; 12 - станина; 13 - кожух тензометричного вим1рювального моста
Величина перемщень важеля задаеться оператором перед початком випробувань. Важшь
мае можливють через вилку здшснювати коли-вання разом iз затиснутим у ньому кшцем бал-кового зразка. Коливний рух важеля iз необхщ-ною амплiтудою передаеться з ексцентрикового механiзму, який приводиться в обертання елек-тродвигуном. Змiна зусилля навантаження здшснюеться змiною ексцентриситету ексцент-рика. Передбачена можливiсть змiни частоти навантаження та його величини за змшою де-формацii. На рис. 2 показано структурну схему блока управлшня.
Рис. 2. Структурна схема блока управлшня випробувально" установки: 1 - шструментальний тдсилювач; 2 - фшьтр високих частот; 3 - смуговий фшьтр; 4, 6, 7 - тдсилювач;
5 - детектор; 8 - компаратор; 9 - вольтметр;
10 - л1чильник; Я1^Я4 - тензорезистори
Блок управлшня виконаний на сучаснш елементнш базi й дозволяе з необхiдною точш-стю вимiрювати режими циклiчного навантаження зразюв конструкцiйних матерiалiв. Тен-зометричш резистори Я1, Я2, Я3, Я4 наклеенi безпосередньо на важiль випробувально" ма-шини таким чином, що дають можливiсть оде-ржати максимальну чутливiсть вимiрювального тензомоста, який живиться напругою 12 В (ошр тензорезисторiв ~ 400 Ом). 1нструментальний тдсилювач АЭ620 1 з коефiцiентом шдсилення П = 50 забезпечуе чутливють 0,3 В на 100 кг сили деформаци важеля. Вихiд шструменталь-ного пiдсилювача виведено на задню панель пристрою. Налаштування iнструментального шдсилювача дае можливiсть тарувати установку i встановлювати заданi початковi навантаження.
Для зменшення впливу шумiв сигнал з ви-ходу шструментального пiдсилювача фшьтру-еться в фшьтрах 2 i 3 пiдсилюеться шдсилюва-чем 4. Детектор середнього значення 5 вид^е середне значення сигналу навантаження зразка (по змiннiй складовш), яке масштабуеться шд-силювачем 6 i вимiрюеться вольтметром 9. Ма-сштабування встановлено так, що iндикатор
вольтметра показуе середне значення зм1ни на-вантаження на важель
Для тдрахунку цикл1в навантаження змш-ний сигнал шдсилюеться в шдсилювач1 7 { за допомогою компаратора 8 перетворюеться в прямокутш 1мпульси. Кшьюсть ¡мпульшв виво-диться на табло л1чильника, який дозволяе за-рееструвати максимально 99 000 000 циктв навантаження.
Техшчш характеристики установки
Максимальне зусилля на важел1...........3,0 кН
Тип зразка...................................балковий
Частота навантаження.................0,1.. .100 Гц
Габарити...........................680x445x490 мм
Вага...............................................560 Н
Обробка результа^в випробувань
На основ1 проведених випробувань для трьох однакових призматичних зразюв стал1 81 3852 були отримаш даш швидкостей та вщ-повщш !м значення довжин поширення втомно! трщини. Ц довжини були перераховаш у вщ-повщш значення розмаху К1Н за наступними формулами [5]
АК, (I ) = (1 - Я) К, тах (I), де Я - асиметр1я циклу навантаження;
()= 6 -10-6 • Мтах р ( I
К1 тах (/--Р I Ь
(2)
де
'(I)=(I
12
1,99 - 2,47 •--Ь
12,97 •
-23,17 •! - I + 24,80•
4Л
- безрозм1рна поправочна функщя; Мтах - максимальне значення згинного моменту у поперечному перер1з1, що вщповщае трщиш; Ь та ^ - висота та товщина зразка вщповщно (див. рис. 1, а).
Побудоваш таким чином КДВР стал1 81 3852 наведет на рис. 3.
Для апроксимацп експериментально отри-маних даних було запропоновано наступне сшввщношення [6]:
V (АК, ) = V •
(АК! - Ка ^ К/с -АК,
(3)
де У0, д - параметри апроксимацп, що були ви-значеш методом найменших квадрат1в.
Рис. 3. КДВР стал 81 3852:
точки - експериментальш дат; суцшьна лшш - р1вняння (3), де V, = 7,8840-8 (м/цикл), д = 0,81
Аналопчш випробування були проведет для побудови КДВР стал1 09Г2С (рис. 4).
, МПа ■ м
Рис. 4. КДВР стал1 09Г2С:
точки - експериментальш дат, суцшьна лшш -ршняння (3), де У0 = 1,3610-7 (м/цикл), д = 0,74
Висновки
1. Напрацьована сталь 81 3852 мае р1вень порогового значення К1Н, що не перевищуе 10 МПа-м { е меншим приблизно на 11 % вщ аналопчного показника для ненапрацьовано! стал1 09Г2С, а величина критичного значення
К1Н - Кус для сталi 81 3852 е вищою, нiж у сталi 09Г2С. Це свiдчить про висок характеристики опору поширення втомно! трiщини сталi 81 3852 навт у напрацьованому станi.
2. Швидюсть росту втомно! трiщини за циктчного навантаження у сталi 09Г2С вища, нiж у сталi 81 3852, що пiдтверджуе И низьку стшюсть до втомного руйнування.
3. Створена випробувальна установка за-безпечуе дослщження зразкiв на зародження та поширення втомних трщин у конструкцiйних матерiалах з одночасним рееструванням необ-хщно! шформаци - кiлькостi циклiв та рiвня навантаження. Завдяки конструкцiйним ршен-ням зведено до мiнiмуму власш шуми установки, що дозволяе ефективно застосовувати метод АЕ для мошторингу розвитку трiщини вiд моменту И зародження i аж до руйнування зразка.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Ярема, С. Я. Исследование роста усталостных трещин и кинетические диаграммы усталостного разрушения [Текст] / С. Я. Ярема // Физ.-хим. механика материалов. - 1977. - № 4. - С. 3-21.
2. Андрейкив, А. Е. Усталостное разрушение и долговечность конструкцш [Текст] / А. Е. Андрейкив, А. И. Дарчук. - К.: Наук. думка, 1992. -183 с.
3. Методы и средства оценки трещиностойкости конструкционных материалов [Текст]: сб. науч. тр. / под. ред. В. В. Панасюка. - К.: Наук. думка, 1981. - 314 с.
4. Серенсен, С. В., Машины для испытаний на усталость [Текст] / С. В. Серенсен, М. Е. Гарф, Л. А. Козлов. - М.: Машгиз, 1957. - 404 с.
5. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик сопротивления развитию трещины (трещиностойкости) при циклическом нагружении [Текст]: метод. указ. - Львов: ФМИ АН УССР, 1979. - 115 с.
6. Механика разрушения и прочность материалов [Текст] : справ. пособие в 4 т. - К.: Наук. думка, 1988.- Т. 1: Основы механики разрушения / В. В. Панасюк, О. Е. Андрейкив, В. З. Партон. -488 с.
Надшшла до редколеги 02.04.2010.
Прийнята до друку 19.04.2010.
