Научная статья на тему 'Повышение точности прогнозирования циклической прочности металлов'

Повышение точности прогнозирования циклической прочности металлов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
112
72
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЦИКЛИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ / ТЕМПЕРАТУРА / ЭНТРОПИЯ / ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ / CYCLIC STRENGTH / TEMPERATURE / ENTROPY / DAMAGEABILITY

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Куриленко Георгий Алексеевич, Григорьева Галина Витальевна

В работе используется термографический подход для оценки процесса накопления повреждаемости в металлах при их циклическом деформировании. Процесс макроупругого деформирования рассмотрен совместно с термодинамикой микропластических деформаций. Получены формулы для практического расчета потока удельной энтропии, производимой при циклическом деформировании в очаге накопления и развития повреждаемости. Этот поток энтропии разложен на функциональные части, которые удобно использовать при прогнозировании циклической долговечности. Приведены результаты практического использования проведенных исследований. Работа является обобщающей разработанного автором термографического подхода исследования повреждаемости металлов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE MORE ACCURATE FORECASTING CYCLIC STRENGTH OF METALS

The paper uses the thermal approach to assess the process of accumulation of damage in metals under repeated deformation. The process макроупругого deformation discussed in conjunction with the thermodynamics микропластических deformations. Formulas are obtained for the practical calculation of flow of the specific entropy produced under cyclic deformation in the hearth of accumulation and development of damage. This entropy flow divided into functional parts that can be useful in predicting the cyclic durability. Results of practical use of the research. Work is a generalizing developed by the author of thermographic approach research damaging metals.

Текст научной работы на тему «Повышение точности прогнозирования циклической прочности металлов»

УДК 620.179.13

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛОВ

Георгий Алексеевич Куриленко

Новосибирский государственный технический университет, 630092, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, доктор технических наук, профессор кафедры прочности летательных аппаратов, тел. (383)346-17-77, e-mail: teormech@ngs.ru

Галина Витальевна Григорьева

Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, старший преподаватель кафедры специальных устройств и технологий,

тел. (383)361-07-31, e-mail: sgga_55@mail.ru

В работе используется термографический подход для оценки процесса накопления повреждаемости в металлах при их циклическом деформировании. Процесс макроупругого деформирования рассмотрен совместно с термодинамикой микропластических деформаций. Получены формулы для практического расчета потока удельной энтропии, производимой при циклическом деформировании в очаге накопления и развития повреждаемости. Этот поток энтропии разложен на функциональные части, которые удобно использовать при прогнозировании циклической долговечности. Приведены результаты практического использования проведенных исследований.

Работа является обобщающей разработанного автором термографического подхода исследования повреждаемости металлов.

Ключевые слова: циклическая прочность, температура, энтропия, повреждаемость.

THE MORE ACCURATE FORECASTING CYCLIC STRENGTH OF METALS

Georgiy A. Kurilenko

Novosibirsk state technical University, 630092, Russia, Novosibirsk, etc. K. Marksa 20, building 5, doctor of technical Sciences, Professor of Department of strength of aircrafts, tel. (383)346-17-77, e-mail: teormech@ngs.ru

Galina V. Grigorieva

Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., senior teacher of the Department of special devices and technologies, tel. (383)361-07-31, e-mail: sgga_55@mail.ru

The paper uses the thermal approach to assess the process of accumulation of damage in metals under repeated deformation. The process макроупругого deformation discussed in conjunction with the thermodynamics микропластических deformations. Formulas are obtained for the practical calculation of flow of the specific entropy produced under cyclic deformation in the hearth of accumulation and development of damage. This entropy flow divided into functional parts that can be useful in predicting the cyclic durability. Results of practical use of the research.

Work is a generalizing developed by the author of thermographic approach research damaging metals.

Key words: cyclic strength, temperature, entropy, damageability.

Получение расчетных формул. Работа большинства конструктивных элементов протекает номинально в пределах упругого деформирования. При этом пластические деформации в макрообъеме работающих деталей отсутствуют, но происходит микроскопическое деформирование отдельных зерен металла, связанное с выделением тепла. Поэтому процесс макроупругого деформирования необходимо рассматривать в тесном единстве с термодинамикой микропластических деформаций.

Это удобно сделать с помощью уравнения энергии, которое для квазистатических необратимых процессов можно записать в виде

dS_l/dq (D) d£ij\ dt Т \dt 0' dt ) '

„ dS йа „

Здесь — и —соответственно скорости изменения удельной энтропии и

гт, ~ йеу

количества тепла; Т-температура в рассматриваемый момент времени; —-

dt

скорость изменения тензора деформаций; -тензор диссипативных

напряжений.

Для адиабатических процессов с^ = 0 и скорость производства энтропии полностью определяется диссипативной функцией

= (1)

Следует заметить, что понятие энтропии, строго говоря, относится только к медленно протекающим равновесным процессам. Но такие процессы являются идеализированными и в действительности точно никогда не реализуются. Но к ним можно подойти сколь угодно близко. Очень многие реальные процессы, идущие с конечными скоростями, можно считать приблизительно квазистатическими (квазиравновесными). Именно такими являются процессы медленного накопления и развития повреждаемости при многоцикловой усталости, которой и посвящена данная работа.

Известно, что даже при весьма малых амплитудах колебаний зависимость между напряжениями а и деформациями в в металлах не остается линейной и при представлении ее в координатах а-в наблюдается замкнутая петля механического гистерезиса, площадь которой представляет диссипированную за цикл колебаний энергию, через которую и рассчитывается приращение всей произведенной за цикл удельной энтропии Д£(1г/)по формуле (1).

Рассмотрим колебательный процесс, связанный с реализацией одноосного напряженного состояния. Выражения, описывающие изменение напряжений и деформаций во времени, имеют вид

а = Оа 5т(й)0 , £ = £а — <р). (2)

Из (1) с учетом (2) получаем:

\мЫ\ = 1-£лс15 = 1-пЕ82азт<р. (3)

С учетом связи между коэффициентом поглощения энергии у и этср [1] гр = 4кф\Бтф\ вьгражение (3) принимает вид

(1г/) = флЕе* (4)

4 ТКф' v 7

Здесь Кф - коэффициент формы петли гистерезиса.

Рис. Разложение потока энтропии на функциональные части

Разложим по формуле (4) на функциональные части в

соответствии со схемой, изображенной на рисунке. На схеме приняты обозначения:

ц) -приращение за цикл колебаний той части производимой энтропии, которая вызывает непосредственный нагрев очага повреждаемости;

Д51(^)-поток энтропии, идущий на накопление повреждаемости, т.е. на зарождение и развитие микротрещины;

ц) -часть производимой энтропии, связанной с неопасными деформациями в очаге;

д^(1г/)-поток энтропии, рассеиваемой в окружающую среду в виде тепла.

Формула для расчета АБ^известна в литературе:

Л52(1" = С>(|)«Сг^. (5)

Здесь с^-удельная теплоемкость;

Tl и -температуры очага повреждаемости соответственно в начале и конце рассматриваемого цикла колебаний.

Оставшаяся часть приращения энтропии

= AS^ - м2(1,) = М^+М^0.

При разложении потока энтропии AS^ на AS^ и AS^ будем опираться на идеи, заложенные в деформационных критериях усталостного разрушения, а именно, исходить из того, что при работе до предела выносливости (т.е. при Аен < Aer), где Д£н-неупругая часть деформации, а Asr -неупругая часть деформации, соответствующая нагружению с амплитудными напряжениями, находящимися на уровне предела выносливости) производится только "неопасная энтропия". При работе за пределом выносливости (AsH > AsR) часть энтропии, которая соответствует неупругой деформации Аенп = Аен — AsR , расходуется на необратимые процессы накопления усталостных повреждений, а оставшаяся часть является неопасной. Выражения для подсчета соответствующих приращений удельной энтропии (выраженных через гр) будут иметь вид:

, =0. (при ffa < aR)

Д5(1») = bSEÉL -c bL 1п(Ь\

г? АТКф v ■ф \TJ'

С' = - ^Ш(I). (пр^ <тв)

В этих формулах, Т = , Фя -коэффициент поглощения энергии, соответствующий работе при амплитудных напряжениях оа, равных пределу

выносливости aR. Формула (6) для подсчета AS^4^ остается без изменений.

Обсуждение результатов. Энтропия как функция состояния является наиболее полной диссипативной функцией, поскольку она учитывает интегральным образом буквально все, что происходит в очаге развития повреждаемости, включая температуру. Поэтому использование приращения энтропии в качестве индикатора развития повреждаемости позволило повысить точность прогнозирования усталостной прочности.

Следует заметить, что использование других параметров повреждаемости (обычно это диссипированная энергия) не позволяет разложить их на функциональные части с достаточной для прогнозирования точностью.

Так в работе [2] рассеянная за цикл колебаний энергия AW^ разложена на тепловую ДИ^1^ и повреждающую AW„l4^ части:

AW™ = ди^ + AW}l4) .

Но при этом не выделена скрытая энергия деформации ДИ^1^ , вызывающая неопасное движение дислокаций, поэтому при расчете ДИ^1^ в области малых амплитудных напряжений, когда доля ДИ^1^ особенно возрастает, получается большая погрешность, отмечаемая самими авторами.

В схеме разложения [3] из ДИ^1г/) не выделена повреждающая энергия.

Это связано, на наш взгляд, с большой погрешностью расчета ДИ^1^ при энергетическом подходе.

Введение диссипативной функции Д5^ и ее разложение по схеме на рисунке позволило использовать различные части этого разложения, которые довольно легко рассчитываются, для решения ряда конкретных задач.

Практическое использование результатов работы. Результатом проведенных исследований явилось решение ряда актуальных задач прикладного характера в области прогнозирования усталостной прочности, которые можно сформулировать следующим образом.

1. Разработан метод ускоренного прогнозирования индивидуального предела выносливости деталей по кинетике приращения удельной энтропии

АБ^ в очаге накопления повреждаемости [5]. Кривая АБ^=/((Га) в районе физического предела выносливости имеет резкий излом, абсцисса которого и соответствует индивидуальному пределу выносливости испытываемой детали.

2. Разработан метод прогнозирования циклической долговечности как "бездефектных" (без начальных трещин) деталей по кинетике , так и деталей, имеющих исходные надрезы. При расчете долговечности бездефектных деталей предварительно определяется ее истинный предел выносливости и коэффициент поглощения энергии на уровне предела выносливости. Эти параметры по разработанной методике определяются с высокой точностью и достоверностью. Затем рассчитывается удельная

повреждающая энергия за цикл ДИ^1^ через поток удельной повреждающей энтропии Аб!^, по которой и прогнозируется циклическая долговечность [6]. Прогнозирование циклической долговечности деталей с трещинами опирается на кинетику приращения АБ^11^ в кончике трещины, которая также рассчитывается достаточно точно с помощью современной аппаратуры для неконтактного измерения температуры. Строится график скорости роста

трещины в зависимости от АБ^11^ , который можно рассматривать как термодинамическую интерпретацию традиционной формулы Пэриса. По этому графику рассчитывается циклическая долговечность испытываемой детали с начальной макротрещиной [7].

Погрешность прогнозирования при этом не превышала 30%, что в разы меньше погрешности прогнозирования по стандартной методике.

3. Предложен более точный термографический метод определения усилия Р(2, при котором происходит страгивание трещины при вязком и упруго-вязком разрушении, по которому можно рассчитывать

характеристики статической трещиностойкости металлов. График зависимости растягивающей образец силы Р от Д52 , подсчитываемой в кончике развивающейся трещины, в районе усилия Рд имеет характерную площадку [8]. По предложенному методу разброс определяемых характеристик трещиностойкости уменьшается на 10% - 20% и также уменьшается на 40% - 50% время испытания [9].

4. Разработаны практические методы неразрушающего контроля циклической прочности серийно выпускаемых деталей в производственных условиях и испытательные стенды для их реализации [10].

Выводы. Разработаны новые методы прогнозирования циклической прочности металлов и неразрушающего контроля циклической прочности деталей машин, основанные на использовании термодинамического индикатора накопления и развития повреждаемости - приращения удельной энтропии в очаге повреждаемости.

Эти методы имеют определенные преимущества в области точности и трудоемкости по сравнению с известными методами:

-приращение энтропии является наиболее полной диссипативной

функцией;

- разложено на функциональные части, что позволяет в каждой конкретной задаче использовать адекватную этой задаче часть Д5^

- использование современной ИК техники позволяет вести непрерывное наблюдение за очагом повреждаемости и оперативно выдавать необходимую для расчета информацию;

- информацию о развитии повреждаемости выдает сам испытываемый объект.

Предложенные термографические методы неразрушающего контроля прочности показали свою эффективность в промышленности. Результаты работы внедрены на ряде крупных предприятий нашей страны в виде действующих испытательных стендов, вписанных в технологические цепочки контроля качества материалов и деталей машин (завод «Сибтекстильмаш» (Новосибирск), Московский машиностроительный завод «Опыт»).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Трощенко В.Т. Деформирование и разрушение металлов при многоцикловом нагружении / В.Т. Трощенко. Киев: Наукова думка, 1981.

2. Гуревич С.Е., Гаевой А.П. Методика экспериментального определения разрушающей энергии при циклическом нагружении // Заводская лаборатория. 1973. №9. С.1110-1114.

3. Федоров В.В. Термодинамические аспекты прочности и разрушения твердых тел // В.В. Федоров. Ташкент: Фан, 1979.

4. Куриленко Г.А. Способ определения предела выносливости. Авт. свид. №1499167. -Бюл. изобр., №29, 1989, с.154.

5. Куриленко Г.А. Использование термодинамического подхода при циклических испытаниях материалов // ПМТФ. 1989. №5. С.158 - 163.

6. Kurilenko G.A. Quantitative infrared investigations through the intensity of thermal source in the domain of damaging // Proc. of the 4th Intern. Workshop "Advanced Infrared Technology and Applications", Firenze (Italy), 1997. P.177-188.

7. Куриленко Г.А., Пшеничный А.Б., Труфанова Т.В. Оценка повреждаемости циклически деформируемых деталей с макротрещинами // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 1992. №3. С. 46-49.

8. Куриленко Г.А., Пшеничный А.Б. Способ определения трещиностойкости материалов. Авт. свид. № 1820278. - Бюл. изобр., №21, 1992, с. 73.

9. Куриленко Г.А. Исследование трещиностойкости металлов термографическим методом//Обработка металлов. 2010. №3. С. 41 - 44.

10. Куриленко Г.А. и др. Установка для высокочастотных резонансных испытаний деталей v-образной формы на усталость при изгибе. Авт. свид. № 1633336. - Бюл. изобр., №9, 1991, с.98.

© Г. А. Куриленко, Г. В. Григорьева, 2014

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.