CC BY
62
Секция
«ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАШИН И РОБОТОТЕХНИКА»
УДК 539.3
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ РАЗРУШЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПО ПРИЧИНЕ МАЛОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ
Е. О. Бабинова Научный руководитель - Т. Т. Ереско
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: yarsk2_tira@mail.ru
Приведен краткий обзор современного состояния исследований разрушения деталей машин по причине малоцикловой усталости, рассмотрены различные методы исследования: экспериментальные, математические, расчетно-модельные.
Ключевые слова: малоцикловая усталость, исследования, материалы, нагружение.
CURRENT STATUS OF RESEARCH OF DESTRUCTION OF MACHINE PARTS DUE LOW-CYCLE FATIGUE
E. O. Babinova Scientific supervisor - T. T. Eresko
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: yarsk2_tira@mail.ru
There is the article about a brief overview of the current state of research on failure of machine parts due to low cycle fatigue, considered various methods of research: experimental, mathematical, calculation-modeling.
Keywords: low cycle fatigue, research, materials, loading.
Важной задачей в машиностроении, наряду с экономичностью, является долговечность и надежность деталей, узлов, конструкций и т. д. Одно из возможных решений этой задачи - повышение прочности. В условиях динамических нагрузок деталей прочность играет важную роль, но она может быть снижена из-за усталости материала. Поэтому повышение усталостной прочности поможет увеличить долговечность и надежность.
Разрушение материалов до 5 104-105 циклов при номинальных напряжениях, равных и превышающих предел текучести, называется малоцикловой усталостью [1]. Малоцикловая усталость более опасна, чем многоцикловая, так как пластические деформации, появляющиеся в зоне излома, распространены по гораздо большему объему материала. Что делает меры по увеличению сопротивления этому виду усталости востребованными. Существует ряд стандартных испытаний на малоцикловую усталость, которые описаны в ГОСТе 25.505-85. Испытания проводятся на растяжение-сжатие образца в температурных условиях, максимально приближенных к эксплуатационным. Применяются два цикла нагружения - мягкий и жесткий, последний из которых применятся чаще. Испытания проводятся до появления поверхностных трещин составляющих 5-10 % от диаметра испытуемого образца. В ходе испытаний строят кривые усталости по изучаемым параметрам, а в результате обработки построенных кривых определяют сопротивляемость материала усталости [2].
Все исследования разрушения деталей машин по причине малоцикловой усталости нацелены на изучение нескольких обширных вопросов, по причастности к которым их можно разделить. Одна
Секция «Проектирование машин и робототехника»
большая группа исследований направлена на изучение механизма накопления малоцикловой усталости и составление его математического описания, другая - на изучение свойств материалов (сопротивления малоцикловой усталости) а также вычисления предела малоцикловой усталости и построения закономерностей малоциклового деформирования, третья - разработка способов и методик экспериментов, а также компьютерного моделирования для оценки материалов и влияния эксплуатационных условий на долговечность деталей, в некоторых случаях группы могут быть частично объединены.
К первой группе можно отнести работу В. А. Жукова под названием «Критерий малоциклового разрушения», в которой автор представил метод подбора материала для конструкций с помощью коэффициента подобия. Точность выведенных формул, с помощью которых можно получить критерий, для оценки сопротивления подбираемого материала, была проверена экспериментальным путем, с помощью построения кривых усталости [3].
Влияние малоцикловой усталости на детали машин можно также установить расчетно-экспериментальным методом, основанным на компьютерном моделировании разрушительных процессов, например влияние эксплуатационных условий на долговечность. Результаты применения такого метода - кривые усталости и многочисленные графики, например зависимость изменения длинны трещины при малоцикловом нагружении при разных температурах. Но методика определения достаточно сложна, поэтому для получения точных параметров нужно рассматривать различные сечения [4].
Подтверждение полученных расчетных данных экспериментально также получил метод, разработанный Д. Ф. Симбирским и А. А. Брунаком. Они изучали влияние выдержек на сопротивление материала малоцикловой усталости. Они получили нелинейное уравнение суммирования, при решении которого возможно определить долговечность при разной продолжительности выдержки. Для разработки математического метода использованы закономерности повторно-статического нагружения [5].
Математические расчетные параметры можно получить не только из эмпирических формул, описывающих поведение материала при малоцикловом нагружении, например можно ввести простой деформационный параметр - приведенный размах деформаций, что было сделано М. В. Бродием, и построить корреляционную зависимость приведенного размаха и долговечности, которая в большинстве случаев этого исследования является линейной функцией. Также результаты одноосного деформирования могут быть применимы к двуосному, так как экспериментальные точки принадлежат одной кривой [6].
Ко второй группе вопросов можно отнести работу В. С. Жернакова, И. П. Семенова и А. Н. Ермоленко. Они сравнивали сопротивлении малоцикловой усталости у титанового сплава ВТ-6 и нано-структурированого чистого титана. По результатам опытов оказалось, что наноструктутрированный титан сопротивляется малоцикловой усталости на 20 % меньше, чем титановый сплав [7].
На сопротивление малоцикловой усталости влияет внутреннее строение материала. В работе О. А. Базылевой, М. С. Беляева, Е. М. Висик, Н. Ф. Швановой представлены опыты, описывающие изменения предела малоцикловой усталости для различных кристаллографических ориентаций (КГО) при различной температуре. Выяснено, что предел для каждой КГО изменяется по-разному, и выяснено, что литейный дефект выходящий на поверхность порождает разрушение при малоцикловом нагружении [8]. Поэтому, важно чтобы поверхность была без дефектов, что доказывают исследования группы ученых, которые изучали влияние структурированного поверхностного слоя на циклическую долговечность легких сплавов. И пришли к выводу, что «формирование наноструктурирован-ных поверхностных слоев приводит к повышению пределов усталости исследованных сплавов в малоцикловой области на 10-15 % по сравнению с материалом в состоянии поставки» [9].
Современные исследования разрушения деталей машин по причине малоцикловой усталости многообразны. Они включают в себя как разработку математических методов описания, создание моделей, выяснение причин разрушения и способы его предотвращения, а также методы повышения предела малоцикловой усталости, многие из которых, широко применяются и в настоящее время.
В будущем, при достаточном изучении данной проблемы, будет возможно обобщить все полученные данные и успешно применять их на практике, существенно повысив долговечность и надежность деталей и машин, а также увеличить экономичность и организовать правильное и рациональное использование материалов и изделий.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2015. Том 1
Библиографические ссылки
1. Подскребко М. Д. Сопротивление материалов : учебник. Минск : Высш. шк., 2007. 797с.: ил.
2. ГОСТ 25.505-85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытаний на малоцикловую усталость при термомеханическом нагружении [Электронный ресурс]. URL: http://www.complexdoc.ru/ (дата обращения: 15.12.14).
3. Жуков В. А. Критерий малоциклового разрушения [Электронный ресурс]. URL: http://www.mmf.spbstu.ru/konf_2011/31.pdf (дата обращения: 15.12.14).
4. Милешкин М. Б., Библик И. В. Оценка влияния эксплуатационных условий нагружения на долговечность лопаток ГТД // Авиационно-космическая техника и технология. 2009. № 10 (67).
5. Симбирский Д. Ф., Брунак А. А. Модельные исследования влияния выдержек в цикле на сопротивление материала малоцикловой усталости с использованием закономерностей повторно-статического нагружения // Авиационно-космическая техника и технология. 2013. № 9 (106).
6. Бродий М. В. Анализ экспериментальных данных малоцикловой усталости при непропорциональном деформировании // Проблемы прочности. 2000. № 1.
7. Жернаков В. С., Семенова И. П., Ермоленко А. Н. Влияние напряженно-деформированного состояния деталей из объемных наноматериалов на усталостную прочность // Вестник УГАТАУ. 2009. Т. 12. № 2(31).
8. Влияние кристаллографической ориентации отливок из сплава типа ВКНА на сопротивление малоцикловой усталости / О. А. Базылева, М. С. Беляев, Е. М. Висик, Н. Ф. Шванова // Литейное производство. 2012. № 6.
9. Влияние структурированного поверхностного слоя на циклическую долговечность легких сплавов / В. А. Скрипняк, Е. Г. Скрипняк, А. А. Козулин, В. В Скрипняк // Изв. высш. учеб. заведений. 2012. Т. 55, № 9/3.
© Бабинова Е. О., 2015
