CC BY
4
УДК 621.8.036
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-9-585-589
РАЗВИТИЕ УСТАЛОСТНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА МИКРОРЕЛЬЕФ
ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛА
С.А. Мотевич
Развитие усталостных повреждениий находит свое проявление, в первую очередь, в поверхностном слое материала, что позволяет находить закономерности и исследовать взаимосвязи между исчерпанием ресурса какого-либо нагруженного элемента и характеристиками рельефа поверхности. В статье рассматриваются параметры, влияющие на изменение оптических свойств поверхности в процессе стадийного развития усталости.
Ключевые слова: усталость, циклические нагрузки, оптические свойства, автокорреляционный интервал, среднеквадратическое отклонение.
Многие исследователи в своих работах отмечали определенную взаимосвязь между развитием и накоплением усталостных повреждений, особенно на стадии рассеянной поврежденности, и проявлением их в поверхностном слое материала [1, 2].
Если обратиться к рекомендациям, приведенным в [1], то обращает на себя внимание подход автора, который в качестве характеристики рельефа поверхности предлагает использовать такие параметры, как среднее арифметическое отклонение профиля поверхности.
Однако, в работах [3, 4] авторы приводят данные по микрорельефу поверхности, которые получены в результате циклирования лабораторных образцов. В качестве примера можно посмотреть на профилограммы поверхности, показанные на рис. 1-3.
Г т "Г т г Т - РГ — г- Г"
1
Г •* —•
-и и -
I Л'
- _
1
ГУ
Рис. 1. Профилограмма поверхности до нагружения
Рис. 2. Профилограмма поверхности образца, выработавшего 16,5% своего ресурса
Вертикальное увеличение составляет х5000, а горизонтальное х50. При этом, авторами было сделано сканирование поверхности вплоть до момента разрушения образца, что позволяет говорить о анализе характеристик рельефа не только на стадии рассеянной поврежденности, но и на стадии локальной.
В свою очередь, для ответственных узлов и элементов конструкций, например, для грузоподъемных машин, авиа- и космической техники и т.п. оценивать ситуацию на стадии трещиностойкости особого смысла не имеет, так как наличие усталостных трещин в них попросту не допускается. Таким образом, наиболее интересным является оценка взаимосвязей рельефа поверхности и выработанного ресурса элемента именно на стадии рассеянной поврежденности, когда усталостные повреждения носят микрохарактер и наблюдается отсутствие магистральных макротрещин.
Анализируя приведенные профилограммы, можно сделать вывод, что в процессе накопления и развития усталости микрорельеф поверхности изменяется в двух направлениях.
Первое - это увеличение высоты и глубины экструзий и интрузий соответственно.
Второе - это изменение угла наклона граней экструзий и интрузий, а также полос скольжения.
Поэтому наиболее полную информацию о состоянии поверхности можно получить, оценивая изменения этих двух характеристик, которые в свою очередь являются параметрами индикатриссы рассеяния [5-7].
На рис. 4 приведена гистограмма распределения высот микронеровностей поверхности образца, выработавшего 16,5% своего ресурса. На рис. 5. гистограмма распределения высот микронеровностей поверхности образца, выработавшего 30,5% своего ресурса.
Анализируя приведенные данные, можно сделать вывод, что наблюдается рост высот микронеровностей поверхности в процессе развития усталостных повреждений. Это заключение также хорошо согласуется с данными, полученными другими исследователями [8, 9].
Но при этом, мы говорим о двухпараметрической оценке характеристик поверхности. И второй характеристикой будет являться корреляционный интервал, который характеризует угол наклона граней экструзий и интрузий.
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 с с с Histogram
гп П г-1
1 -0,001 -9,000e-4 -8,000e-4 -7,000e-4 -6,000e-4 -5,000e-4 -4,000e-4 -3,000e-4 -2,000e-4 -1,0000e-4 0,000 1,0000e-4 2,000e-4 3,000e-4 4,000e-4 5,000e-4 6,000e-4 7,000e-4 8,000e-4 9,000e-4 0,001 0,001 0,001
Рис. 4. Гистограмма распределения высот микронеровностей поверхности образца, выработавшего 16,5% своего ресурса 586
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 -0, Histogram
~1
002 -0,002 -0,001 -0,001 -6,000e-4-2,000e-4 2,000e-4 6,000e-4 0,001 0,001 -0,002 -0,002 -0,001 -8,000e-4-4,000e-4 0,000 4,000e-4 8,000e-4 0,001 0,002
Рис. 5. Гистограмма распределения высот микронеровностей поверхности образца, выработавшего 30,5% своего ресурса
Для оценки корреляционного интервала применялся пакет программ STATISTIKA. Автокорреляционные функции показаны на рис. 6-7.
Autocorrelation Function
—1
_1
1—
1—
1_ 1—
1_
L
a
Рис. 6. Автокорреляционная функция поверхности образца, выработавшего 16,5% своего ресурса
Autocorrelation Function
—1
_1 n
г J
L г
L
l_ г
L
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
a
Рис. 7. Автокорреляционная функция поверхности образца, выработавшего 30,5% своего ресурса
587
Анализируя полученные автокорреляционные функции, можно сделать вывод, что огибающие кривые проходят переход от максимального значения до нуля и после совершают колебания с затухающей амплитудой.
Если ограничиться периодом развития усталости, называемого стадией рассеянной поврежден-ности (до линии Френча), то количественные значения вышеуказанных характеристик составят: для среднеквадратического отклонения высот микронеровностей 0,00004 - 0,00052 мм; для корреляционного интервала 0,035 - 0,015 мм.
Получив методом множественного регрессионного анализа итоговое уравнение, которое будет связывать между собой эти характеристики и ресурс элемента металлоконструкции, можно будет говорить об его объективной оценке.
При этом возникает вопрос, каким образом получать искомые характеристики, так как средне-квадратическое отклонение и корреляционный интервал получаются путем обработки экспериментальных данных. В качестве технического средства диагностики предлагается использовать лазерный бесконтактный профилограф-профилометр [10]. Он выдает информацию не только графически в виде огибающей кривой профиля, но и в виде цифрового массива, пригодного для обработки в различных программах, что позволяет автоматизировать процесс и снизить влияние человеческого фактора при контроле и оценке остаточного ресурса ответственных узлов и элементов несущих металлоконструкций машин, предельным состоянием которых является усталость или исчерпание трещиностойкости.
Список литературы
1. Коцаньда С. Усталостное разрушение металлов. М.: Металлургия, 1976. 456 с.
2. Коллинз Д. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. 624 с.
3. Селиверстов Г.В., Сорокин П.А., Дронов В.С. Оптический контроль несущих металлоконструкций грузоподъемных кранов // Тез. докл. Международной выставки и конференции "Неразрушаю-щий контроль и техническая диагностика в промышленности". М., 2003. С. 92.
4. Селиверстов Г.В., Сорокин П.А., Дронов В.С. Контроль накопления усталостной повреждаемости по изменению оптических свойств поверхности материала // Тяжелое машиностроение. 2003. №8. С. 8 - 10.
5. Сорокин П.А. Основы построения оптимальных рефлектометрических систем автоматизации контроля дефектов поверхности изделий в массовых производствах. Автореф. дис. на соиск. уч. степ. д-ра техн. наук. Тула: ТулГУ, 1996.
6. Сорокин П.А., Чистяков В.Л. Оптические способы обнаружения и классификация дефектов поверхности изделий // ВОТ. Серия 13. Комплексная автоматизация производства и роторные линии. М.: ЦНИИинформации. 1990. №11. С. 28 - 38.
7. Басс Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука, 1972. 424 с.
8. Селиверстов Г.В., Сорокин П.А., Толоконников А.С. Проявление повреждаемости металлоконструкций в зонах концентрации напряжений при упругопластическом деформировании Известия ТулГУ. Сер. Подъемно-транспортные машины и оборудование. Вып. 4. Тула: Изд-во ТулГУ. 2003. С. 202 - 207.
9. Сорокин П.А., Селиверстов Г.В., Толоконников А.С. Изменение оптических свойств поверхности - как критерий усталостной поврежденности металлоконструкций грузоподъемных машин // Техническая диагностика и оценка остаточного ресурса грузоподъемных кранов: Сборник статей / Под ред. д-ра тех. наук, проф. А.В. Вершинского. Екатеринбург: ЗАО «УЭЦ», 2007. С. 124 - 137.
10. Кучин А.А., Обрадович К.А. Оптические приборы для измерения шероховатой поверхности. Л.: Машиностроение, 1981. 197 с.
Мотевич Светлана Анатольевна, магистрант, veta.m231 yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE DEVELOPMENT OF FA TIGUE DAMA GE AND THEIR EFFECT ON THE MICRORELIEF OF THE
SURFACE OF THE MATERIAL
S.A. Motevich
The development offatigue damages finds its manifestation, first of all, in the surface layer of the material, which makes it possible to find patterns and investigate the relationship between the exhaustion of the resource of any loaded element and the characteristics of the surface relief. The article discusses the parameters that affect the change in the optical properties of the surface during the stage development offatigue.
Key words: fatigue, cyclic loads, optical properties, auto correlation interval, standard deviation.
Motevich Svetlana Anatolyevna, master, veta.m231@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University
