Прогнозирование износостойкостии усталостной прочности деталей сельхозмашин на основе кинетического подхода к процессу разрушения металлов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Список литературы

1. Канашка Д.И. Повышение безопасности операторов транспортных сельскохозяйственных агрегатов за счет ликвидации самопроизвольного опускания грузовых платформ//Дисс. канд. техн. наук. - С-Пб, 1991. - 307 с.

2. Овчаренко A.A. Повышение безопасности операторов мобильной сельскохозяйственной

самосвальной техники за счет предотвращения самопроизвольного опускания грузовых платформ//Дисс. канд. техн. наук. - С-Пб, 2005.-210 с.

3. Анализ производственного травматизма в АПК за 1998-2006 г.г. Научные отчеты ВНИИОТ Орел. - ВНИИОТ, 2006.

УДК 539.3:621.8

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИИ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬХОЗМАШИН НА ОСНОВЕ КИНЕТИЧЕСКОГО ПОДХОДА К ПРОЦЕССУ РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

В.Я. Коршунов, доктор технических наук, профессор П.Н. Гончаров, Д.А. Новиков, аспиранты

ФГБОУ ВПО «Брянская государственная сельскохозяйственная академия»

Разработана методика расчёта скорости накопления упругой энергии в микрообъёмах при пластической деформации материала в процессе внешнего трения и знакопеременной нагрузки на основе использования кинетических уравнений и энергии активации образования и аннигиляции дефектов.

Ключевые слова: энергия, деформация, трение, усталость, кинетические уравнения, энергия активации, дефекты.

The method for calculating the rate of accumulation of elastic energy in micro-plastic deformation of the material in the process of friction and alternating loads, using the kinetic equations and the activation energy of formation and annihilation of defects.

Keywords: raenergiya, deformation, friction, fatigue, kinetic equation, the activation energy, defects.

В настоящее время считается общепринятым фактом, что пластическая деформация и разрушение твёрдого тела являются кинетическими процессами независимо от физико-химической природы материала и условий его нагружения. Поэтому одним из главных направлений изучения усталостного разрушения современных машиностроительных материалов при граничном трении и циклическом нагруже-нии деталей в процессе их эксплуатации служит изучение физической природы процесса усталости, кинетики накопления усталостных повреждений и разрушения, определение критериев сопротивления материалов возникновению и распространению усталостных трещин[1,2].

Накапливаемая в деформируемом объёме деталей приграничном трении и знакопеременном нагружении деталей внутренняя энергия Ли определяется суммой двух составляющих -упругой Д11е и тепловой А11т[3].

Ди=Дие+Лит.

За параметр повреждаемости и критерий разрушения твёрдого тела принимается как и

при других видах деформации плотность внутренней энергии и, накопленной в деформируемом объёме тела. В соответствии с термодинамической теорией микрообъём считается разрушенным, если плотность накопленной внутренней энергии достигает критической величины и», равной энтальпии плавления Н3 [3]. При этом, за счёт слияния головных дислокаций в плоскости скольжения, образуется субмикротрещина, которая приводит к разрушению микрообъёма в зоне контакта трущихся поверхностей образцов, а при усталостном испытании деталей к их разрушению.

На основе структурно-энергетического подхода к процессу пластической деформации и разрушения металлических материалов с использованием термодинамических и молекуляр но-кинетических (термоактиваци-онных) представлений, величина накопленной упругой энергии А ис за определённый цикл нагружения Д1Чус с будет равна

2/c-T

h

U' •ехр -

U'

лл. 2к-Т, * = h

U схр

U ) Rv-T,

■ Sh ■

R Т

со.

-LJ" -схр ■AN .

»«м ■

f U"

R -T \ «V 1ij

(I)

U' = U-G).

U" = U + CD.

и - ио + Af/eo + AC/e,vc - £/m,,= 0,5-lCT3 -kam - r-cp/b- Va ■ Nv

Г,-=0,57-ö-,

где Л- постоянная Больцмана; Л - постоянная Планка: Лс - газовая постоянная, пересчитанная на 1 мм3; 7", - абсолютная температура: Í7- постоянная доля энергии образования и аннигиляции дефектов; U0 - энергия активации образования дефектов в Fea: AUeo - величина упругой энергии в материале после термической обработки и легирования; Л[Jcl - величина упругой энергии в материале после определенной степени деформации (упрочнения): Ur¡ -тепловая составляющая внутренней энергии; a)VCi - необратимая работа, затраченная на перемещение атомов в плоскости скольжения

дислокаций под действием внешней силы; kw)i

- среднее значение коэффициента перенапряжения межатомных связей; х,- напряжение сдвига, г, = 0.57 о, . Va - атомный объём;^-число атомов в активируемом объёме.

Энергия активации образования дефектов U' при определении длительной прочности материалов хорошо коррелирует с энергией образования вакансий. Энергия активации аннигиляции вакансий LJ" примерно в 1.5 раза выше энергии U' и примерно равна энергии са-моднффу зии вакансий (атомов).

С энергетических позиций усталостную прочность образцов можно представить как частное от деления критического значения изменения плотности у пру гой энергии Д Ue», соответству ющей моменту разру шения на среднюю скорость

её накопления Uе в изотермическом приближении

Üe-prVó .(2)

/. = ■

к-Т

U' • ехр

U' ]

{ К-1

{/"•ехр

U'

\ К'Ти

где р|- плотность дислокации; V — объём дислокаций.

Для более точного прогнозирования скорости износа материалов при граничном трении и усталостной прочности деталей расчёт необходимо вести послойно и в каждом слое учитывать коэффициент концентрации напряжения Кк развитие субмикротрещин и усталостной трещины в целом, а также накопленную ранее в микрообъёмах упругую энергию деформации AUe,.

Анализ у равнения (1) показал, что одним из основных параметров, определяющих износостойкость материалов и их усталостную прочность. является приложенное напряжения о,

Величина напряжения о,в зоне контакта деталей в условиях граничного трения определяется соотношением

(7 2 Д-ф cos g.(3) 1 ~ nblRh

где R„,p- результиру ющая сила трения: а -угол наклона силы Rmpк направлению движения тру щихся тел: b.l- ширина и длина зоны контакта образцов при внешнем трении: R),-радиус рассматриваемой точки от поверхности трения.

Здесь

«тр = fä

*ТР

cos а = —,

"тр

где N„,0 нормальная нагрузка; Утр сила трения.

При циклическомнагру женин на элемент детали действуют как переменные напряжения. определяемые параметрами оа и а„п. так и вну тренние остаточные напряжения - технологические осевые агс и тангенциальные ап.

Интенсивность напряжений С| определяется как сумма интенсивностей амплитудных переменных напряжений средних напряжений цикла ат11 и остаточных напряжений о„

<7, =^,+СГп11 +СГп

(6)

Осевые о1Г и тангенциальные о,, остаточные напряжении имеют взаимно перпендикулярное направление, поэтому их интенсивность равна

<Т

СТ.

(7)

"+ ставится при растяжении. "-" при сжатии.

Введение понятия истинного предела текучести оит.[4] позволяет предложить зависимость для расчёта остаточных технологических напряжении о„ с учётом силового и температурного факторов

= I • Е • < - То.с. > (8)

где а„ - коэффициент линейного расширения: Т, - температу ра нагрева микрообъёма; Тос - температура окружающей среды; о, - интенсивность напряжения в процессе механической обработки.

Коэффициент концентрации напряжений Ккш от шероховатости поверхности ^.определяется соотношением

^=(1-0.136^)'.

Для послойного расчёта усталостной долговечности при растяжении-сжатии необходимо учитывать изменение напряжения по глубине детали оы, с учётом распространения усталостной трещины

= <7, ' Кки

■ К

я

где Ки, - коэффициент концентрации напряжения, изменяющийся по глубине детали; Я,, - радиу с детали; Я, - радиус рассматриваемого объёма.

Тогда

0-, = К• КВI ■ Е■ {-Тос><7,~}анх. (9)

В случае циклического изгиба, при рассмотрении усталостной долговечности элемента (слоя детали, расположенного на расстоянии Ь от поверхности), вместо о,, следует подставлять меньшее значение, равное о^

1-

2-/Л

'л /

(10)

где с1„ - диаметр детали.

При симметричном цикле нагружения -изгиб с кручением, действующие напряжения равны:

О" О0-« +С7а -ЭИШ (11)

где со - круговая частота нагружения; I -время.

На основе разработанной методики были проведены теоретические расчёты некоторых параметров усталостной прочности образцов их стали 45, твёрдостью НВ 1800. Результаты которых представлены на рису нках 1.2.

/,.-. мм/цикл

V

V

0

Ж

16

/». ЛИ

Рису нок 1 - Зависимость скорости роста усталостной трещины Ч тр (1) и сё относи тельной величины (трОТ — М тр, / АЛ', (2) от длины трещины (тр

К> КцпОТ

Анализ графиков, представленных на рисунках 1,2 показал, что скорость роста усталостной трещины I становится больше с

у величением её длины С,р (см. рис.1, линия 1). Относительная величина скорости роста усталостной трещины /? т[) = М !носит

более сложный характер (см. рис. 1 линия 2). Таку ю зависимость можно объяснить изменяющейся по глубине величиной приложенного напряжения, которая в свою очередь зависит от коэффициента концентрации напряжений Кк (см.рис.2. линия 1).

Изменение по глубине детали величины относительного коэффициента усталостной

прочности от ~ / . который представляет собой отношение количества циклов до разрушения микрообъёма на определённой глубине ДМ, к общему числу циклов нагружения. характеризующему длительную прочность детали в целом N.. носит также довольно сложный характер (см. рис. 2, линия 2).

2 ■ 1 ■

О _ ___

0.8 ' 1б Ь.т Рису нок 2 - Значение коэффициента концентрации напряжения К« (I) и относительного коэффициента усталостной прочности К т (2) в зависимости от глубины залегания микрообъёма И,

До глубины примерно 30-35% радиуса детали относительный коэффициент усталостной прочности увеличивается, а затем начинает резко уменьшаться. Поэтому мнение некоторых специалистов, предлагающих по изменению твёрдости поверхностного слоя детали прогнозировать её усталостную прочность является, на наш взгляд, несостоятельным [3]. Однако зависимость К п от от глубины залегания микрообъёма Ь,. представленная на рисунке 2 , убедительно говорит о том, что состояние поверхностного слоя детали в значительной степени влияет на её усталостную прочность и соответственно на износостойкость. Поэтому оптимальное упрочнение поверхностного слоя детали (НУ,. иео), является важной конструкторско-технологической задачей.

Выводы. Разработанный расчётно-аналитический метод даёт возможность теоретически прогнозировать скорость формирования новой поверхности деталей сельхозмашин

в процессе граничного трения, а также её послойную усталостную прочность в процессе эксплуатации.

Список литературы

1. Иванова B.C. Природа усталости металлов / В.С.Иванова, В.Ф. Терентьев. - М.: Металлургия, 1975. - 325 с.

2. Федоров В.В. Исследование взаимной связи износостойкости и долговечности подшипниковых материалов с энергетическими характеристиками процесса трения скольжения / В.В. Федоров, В.Я. Коршунов, C.B. Ха-чатурьян // Тезисы докладов 2-ого международного симпозиума о посадках скольжения. -Братислава, ЧССР. - 1977. - С. 123. - 126.

3. Федоров В.В. Кинетика повреждаемости и разрушения твердых тел/ В.В.Федоров. -Ташкент: Фан, 1985. - 167 с.

4. Коршунов В.Я. Расчет предела усталости металлов по величине коэффициента перенапряжений межатомных связей / В.Я. Коршунов // Вестник машиностроения. - 1997. -№9. - С.32 - 34.

УДК 556.114.679; 504.04.06

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ ПО ТЕРРИТОРИИ - СХЕМА ПЕРЕНОСА

Е.В. Байдакова, кандидат технических наук Е.М. Байдаков, кандидат технических наук

ФГБОУ ВПО «Брянская государственная сельскохозяйственная академия»

Выполнены полевые исследования распределения цезия по форме, профилю, почвам и другим условиям формирования стока по водосборным площадям. Рассмотрены математические модели изменения концентрации радионуклидов по длине водосбора на неосушенных и осушенных землях.

В результате последствий аварии на Чернобыльской АЭС произошло интенсивное загрязнение почв радионуклидами. Особенно существенно это проявилось в юго-западных районах Брянской области. Поскольку здесь наблюдается загрязнение гидроморфных почв и почв мелиорируемых (осушаемых и орошаемых) территорий.

Полевые наблюдения за уровнем радиации проводились нами в Красногорском, Но-возыбковском и Злынковском районах Брянской области.

Field experiments have been accordingly conducted to study Csi37 spreading over the form profiles soils and other factors with regard to run off channels of water intake areas.

Math's equations have been worked out delineating radionuclide concentration change measured alongside water intake channel on drained or untrained areas.

Для проведения экспериментальных исследований по радиоактивному фону водосборов были организованы 5 полигонов.

Образцы отбирались пробоотборником до глубины 10 см. Содержание радионуклидов определяли сцинтилляционным методом, прибор РУБ-01П6 с блоком детектирования БДКГ-ОЗП. Уровни гамма радиации определяли с помощью радиометра СРП-68-01, через 20-25 м.

Образцы отбирались по створам, которые были проложены по линиям тока воды от водораздела к подножию склона.