CC BY
21
живлення 14. Сигнали вщ кисневих датчиков фiксуються на екраш двохканального осцилографа 16.
За характером змiни сигналiв можна робити висновки про динамiчну реакцiю датчиков на перiодичну зм^ складу горючей сушнп в адаптер! 8 (рис. 6).
Рис. 6. Осцилограми типових вихщних сигналiв: а - справного датчика кисню (Ueux. ритмiчне бiля 0,75 в.); б - несправного (уповтьнена реакцiя); t - величина запiзнення
сигналу
Попереднi опробування дiагностичного стенда показали добру стабшьшсть його роботи i можливiсть яшсно1 оцiнки кисневих датчиков ( X - зондiв) у широкому дiапазонi складу горючо1 сумiшi. Разом с тим, аналiз вiдмов кисневих датчиков в умовах експлуатацiï i обробка статистичних даних по автомобiлях рiзних марок пiдтвердили гостру необхiднiсть застосування розробленого стенда в умовах станцш технiчного обслуговування автомобiлiв.
Список л^ератури
1. Чижков Ю.Л., Акимов С.В. - Электрооборудование автомобилей. - М.: За рулем, 1999. - 384 с.
2. Автомобильный справочник. Пер. с англ. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: ЗАО КЖИ "За рулем", 2004. - 992 с.
© 2006 р. Канд. техн. наук В. П. Юд1н, Г. В. Борисенко, О. О. Падченко
Нацюнальний техшчний ушверситет, м. Запор1жжя
НЕКОТОРЫЕ ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА УСТАЛОСТИ
Важной проблемой современной науки является разработка новых подходов к прогнозированию эволюции сложных систем, так как традиционные теории исчерпали свои возможности. Решение этой проблемы возможно только на основе идеи междисциплинарности, позволяющей применить комплексный подход к проблемам прочности и разрушения. В частности, решение проблемы разработки эффективных методов прогнозирования усталостной долговечности металлических материалов возможно при условии успешного использования результатов исследования процесса усталости в разных областях науки: металлургии, физики металлов, металловедения, механики сплошных сред. При этом важную роль играет терминология, которая должна обеспечивать однозначность толкования применяемых терминов, ибо если вводимые термины и определения для описания любого явления допускают различные толкования, то это может вызвать терминологические недоразумения, обуславливающие несопоставимость результатов, полученных разными исследователями. К сожалению, этому важному вопросу пока не уделя -ется должного внимания.
Как известно, одним из важнейших свойств твердых тел является их прочность, характеризующая способность тел сопротивляться разрушению. Следовательно, термин "разрушение" является ключевым в определении прочности материала, поэтому важность определенности и однозначности его толкования очевидна. Эволюция физических представлений о разрушении твердых тел связана с развитием учения о прочности. Начальные теории прочности твердых тел основывались на статическом подходе, при котором описание прочностных свойств сводилось к понятиям пределов прочности и предельных состояний, превышение которых связывалось с потерей устойчивос-
ти тела к распаду его на части (разрыву). Основоположником таких теорий является Гриффит [1]. Разрушение в таких теориях представлялось как катастрофический акт, протекающий со скоростью звука. Понятие долговечности в таких теориях не имело места. Уже в 30-х - 40-х годах прошлого столетия появились работы, в которых наблюдалась и обсуждалась зависимость прочности от длительности действия нагрузки, что трудно было совместить с представлением разрушения, наступающего критическим образом. При этом разрушение уже стали связывать не только с разделением тела на части, но и с его деформацией. Все более острой становилась проблема взаимосвязи процессов разрушения и деформации, которая относится к наиболее давним и сложным вопросам в области физико-механических исследований. Многочисленные исследования подтверждают безусловную связь между процессами деформации и разрушения. Однако, разделить эти процессы оказалось не так-то просто, особенно на микроуровне. Принципиально разными являются соотношения этих процессов в армированных и кристаллических материалах.
С начала второй половины прошлого века начинает утверждаться кинетическая концепция прочности, основанная на предположении термофлуктуационной природы элементарных актов распада межатомных связей [2]. Авторы этой теории, отмечая отсутствие общепризнанного определения элементарных актов деформирования и разрушения, пригодного для любых твердых тел различного строении, предложили разрушением называть акты возникновения и роста дефектов структуры материала, а деформацией - акты перемещения последних. Однако, и это определение не может считаться всеобъемлющим.
В конце 70-х годов прошлого века окончательно сформировалась теория диссипативных структур И.Пригожи-на (синергетика), которая изучает нелинейный характер комплексных процессов самоорганизации, протекающих в сложных динамических системах. С этих позиций в общем случае разрушение сложной системы в работе [3] характеризуется переходом ее в диссипативное состояние, связанное с нарушением устойчивости ее симметрии, которая определяется эффективностью самоуправляемого синтеза новых, более адаптивных структур к внешнему фактору, восстанавливающего симметрию системы на более высоком масштабном уровне.
С инженерной точки зрения понятие разрушения материала исследуемого объекта требует большей конкретизации. Согласно нормативным документам [4, 5, 6] разрушение определяется как "зарождение и развитие в материале дефектов и (или) разделение объекта на части", что нельзя считать вполне определенным и однозначным. Во-первых, являются ли разрушением отдельные стадии процесса или только их комплекс, завершаемый разделением объекта на части, что далеко не всегда реализуется. Часто объект не доводится до разделения на части, а считается уже разрушенным. В зарубежной терминологии различается разделение объекта на части (fracture), а также его разрыв (rupture) [7].
В работе [8] механическое разрушение определяется как любое изменение размера, формы или свойств материала конструкции, машины или отдельной детали, вследствие которого конструкция или машина уже не может удовлетворительно выполнять свои функции. Такое определение является достаточно всеобъемлющим и однозначным, но незаконченным, ибо в нем не указаны подходы к определению момента потери работоспособности конструкции или машины.
Прежде всего необходимо отметить, что при определении механического разрушения излишней является конкретизация объектов исследования, поскольку ими могут быть не только конструкции, машины и их элементы, но также инструменты, образцы и различные натурные изделия, применяемые в качестве образцов для исследования процесса их разрушения, а также другие объекты, предельное состояние которых может определяться из разных соображений. Например, на рабочих лопатках турбины или компрессора авиационного двигателя не допускается появление никаких трещин. Предельным состоянием их материала является начало появления последних. В то же время та же лопатка в качестве образца для исследования процесса разрушения может быть доведена до разделения ее на части, что, естественно, и будет для нее предельным состоянием.
Исходя из вышеизложенного, представляется целесообразным механическое разрушение рассматривать как процесс изменения размера, формы и свойств материала объекта исследования, который приводит к потере его способности удовлетворительно выполнять свои функции. При этом момент потери его работоспособности следует характеризовать как пороговое (предельное) состояние его материала в процессе разрушения, которое также должно быть регламентировано. Нормативами [9] по сути только обозначены пути решения этого вопроса, где лишь перечислены основные критерии предельного состояния требуемого объекта, которые можно разделить на две группы , характеризующие резкое (значительное) изменение какого-либо контролируемого параметра в процессе усталости объекта, либо достижение наперед заданного его значения. При этом не регламентируется ни контролируемый параметр, ни принцип определения его предельных значений. А пока не регламентировано само понятие предельного состояния материала объекта, проблематичным остается вопрос методики его определения. Решение вопроса установления предельных состояний для конкретных объектов возможно на основе глубоких знаний процесса усталостного разрушения конструкционных материалов в определенных условиях воздействия внешней среды.
В настоящее время сложный процесс усталости материалов исследователи стремятся разложить на простые
процессы, определяющие накопление усталостных повреждений. Разными исследователями выделяются разные периоды и стадии разрушения, границы которых обозначаются на обобщенных диаграммах усталости [10, 11, 12].
Во введении в монографию [13] отмечается, что в связи с развитием методов и средств обнаружения и измерения развивающихся трещин в элементах конструкций представляется целесообразным дать оценку их несущей способности в зависимости от стадии разрушения. Такая оценка должна основываться на закономерностях развития трещины при циклическом нагружении, установленных методами механики разрушения при рассмотрении предельных состояний, соответствующих росту трещин до критических размеров. К сожалению, этот принцип не нашел должного развития ни в самой монографии, ни в работах других исследователей.
В свете такого подхода к определению понятия разрушения целесообразно предельное состояние материала исследуемого объекта устанавливать с учетом стадии разрушения в зависимости от выполняемых функций последнего. При этом для определения характеристик сопротивления усталости материала необходимо исследовать все периоды и стадии его разрушения, а затем, исходя из кинетики этого процесса, в зависимости от служебных функций конструкции устанавливать предельные значения параметров, контролирующих процесс разрушения материала.
В работах разных исследователей показано, что процесс усталости металлических материалов по аналогии с деформированием при статическом растяжении можно разделить на два периода: зарождения и распространения усталостных трещин, которые на диаграмме усталости разделяются линией Френча. В свою очередь, каждый период делится на разные стадии. В работах [14, 15] первый период составляют три стадии: циклической микротекучести, циклической текучести и циклического упрочнения (разупрочнения). Второй период составляют стадии припорогового, стабильного и ускоренного роста усталостных трещин. При этом период распространения усталостных трещин обычно описывается кинетическими диаграммами усталости в координатах й1/йп = / (АК) или й1/йп = / (I) [9, 16, 17]. Здесь I - длина трещины, мм; п - число циклов, АК - размах коэффициента интенсивности напряжений, МПа • л/м .
В работе [18] на обобщенной диаграмме усталости (рис. 1) рассматривается пять периодов усталости: I - инкубационный, II - период упрочнения (разупрочнения), III - период развития микротрещин по механизму сдвига вдоль плоскостей скольжения, IV - период стабильного развития микротрещины по механизму отрыва, V - период окончательного разрушения (долома).
В работе [19] показано, что на кинетической диаграмме усталости гладких цилиндрических образцов из сплавов на основе никеля в условиях чистого изгиба с вращением в области многоцикловой усталости можно выделить три стадии, характеризующиеся различными механизмами разрушения (рис. 2):
- стадия (1) стабильного роста микротрещины по механизму продольного сдвига с формированием псевдобороздчатого рельефа;
- стадия (2) стабильного роста макротрецины по механизму нормального отрыва с формированием бороздчатого рельефа;
- стадия (3) ускоренного роста трещины с реализацией смешанного механизма разрушения: комбинация сдвига и отрыва и формированием смешанного ямоч-но-бороздчатого рельефа при прохождении трещины через зону макропластической нестабильности с переходом в ямочный рельеф в зоне долома.
Граница перехода стадии 1 в стадию 2 характеризуется пороговыми значениями АКо, а граница перехода стадии 2 в стадию 3 - значениями АК/ .
Сравнивая кинетическую диаграмму усталостного разрушения (см. рис. 2) с обобщенной диаграммой усталости (см. рис. 1), можно видеть, что 1, 2, 3 участки кинетической диаграммы соответствуют периодам III, IV и V обобщенной диаграммы.
Анализируя периоды усталостного разрушения, можно заключить, что период V ускоренного (катастрофического) процесса разрушения, характеризуемый
Число циклов нагружения
Рис. 1. Схема обобщенной диаграммы усталости: I, II, III, IV, V - периоды усталости
Рис. 2. Схема кинетической диаграммы усталостного разрушения: 1, 2, 3 - основные участки диаграммы
большими значениями размаха коэффициента интенсивности напряжений (от AKj до AKfc ), не может быть принят в расчет как резерв работоспособности материала.
Период IV развития макротрещины до критического размера, вероятно, может приниматься в расчет только как резерв работоспособности материала, характеризуя его живучесть.
Период III роста микротрещин, характеризуемый низкими значениями размаха коэффициента интенсивности напряжений (от AKt до AKо ), представляет собой такое максимальное их значение AK , при котором трещина не растет на протяжении 108 циклов. Начало этого периода, очевидно, соответствует линии Френча [20].
Большая трудоемкость прямого способа определения величины AKt не позволяет применять ее в широкой практике инженерных расчетов. В качестве характеристики трещиностойкости конструкционных материалов для инженерных расчетов целесообразно применять величину AKо , сравнительно легко определяемую по кинетическим диаграммам усталости и проверяемую с помощью макро- и микрофрактографического анализа.
Предлагаемый подход позволяет регламентировать предельное состояние материала исследуемого объекта в зависимости от кинетики его разрушения и выполняемой им функции. Кроме того, он позволяет уточнить определение живучести объектов, работающих в условиях многоцикловой усталости. В настоящее время живучесть испытуемых объектов принято оценивать числом циклов с момента появления в них трещины до момента окончательного разрушения [21]. В таком определении отсутствуют строгость и определенность, что обуславливает несопоставимость полученных результатов. Во-первых, понятие трещина строго не определено количественно. Практически момент появления трещины фиксируется различного рода датчиками, и от того, какой применен датчик, зависит фиксирование момента появления трещины. Во-вторых, долговечности на стадии стабильного роста трещины и на стадии ускоренного разрушения не могут считаться равноценными. Так как основная доля долговечности испытуемого объекта с макротрещиной приходится на стадию стабильного роста трещины по механизму отрыва, целесообразно живучесть объекта с трещиной оценивать числом циклов, приходящихся на эту стадию.
Поскольку сложность и большая трудоемкость метода микроскопического исследования структурных изменений в материале для определения границ периодов и стадий разрушения на рассмотренных ранее обобщенных диаграммах усталости затрудняет их применение в практике инженерных расчетов работоспособности исследуемых объектов, то значительно проще их установить по кинетическим диаграммам усталости.
Выводы
Предложено определение понятия механического разрушения металлических материалов с позиций стадийности процесса усталости.
Показана целесообразность регламентирования предельного состояния материала исследуемого объекта в зависимости от кинетики его разрушения и выполняемой им функции.
Предложено определение живучести элементов конструкции с позиций стадийности процесса усталостного разрушения.
Список литературы
1. Griffith A.A. //Phil. Trans. Roy. Soc. - 1920. - 221A. - P. 163.
2. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. - М.: Наука, 1974. - 560 с.
3. Иванова В.С. Информационно-синергетический анализ диссипативных сред в физических и других наносистемах / Фракталы и прикладная синергетика ФиПС-2005: Труды IV Междунар. междисциплинарного симп. (Москва, 14-17 ноября, 2005). - М.: Интерконтакт Наука, 2005. - С. 9-22.
4. ДСТУ 2825-94 Розрахунки та випробування на мщнють. Термши та визначення основних понять. - К.: Держстандарт Украши, 1995 - 40 с.
5. ГОСТ 23.207-78 Сопротивление усталости. Основные термины, определения и обозначения. - М.: Изд-во стандартов, 1978. - 48 с.
6. Трощенко В.Т., Сосновский Л.А. Сопротивление усталости металлов и сплавов. Справочник в 2-х ч. - К.: Наук. думка, 1987. - 1303 с.
7. Макклинток Ф.А., Аргон А.С. Деформация и разрушение материалов /Пер. с англ. - М.: Мир, 1970. - 443 с.
8. Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях: Анализ, предсказание, предотвращение / Пер. с англ. - М.: Мир,
1984. - 624 с.
9. ГОСТ 25.507-85 Методы испытания на усталость при эксплуатационных режимах нагружения. - М.: Изд-во стандартов,
1985. - 32 с.
10. Иванова В.С., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. - М.: Металлургия, 1975. - 456 с.
11. Коцаньда С. Усталостное растрескивание металлов /Пер. с польск. под ред. С.Я. Яремы. - М.: Металлургия, 1990. - 622 с.
12. Hempel M. Die Entstehung von Microrissen in metallischen Werkstoffen unter Wechselbeanspruchung //Arch. Eisenhuttenwess. -1967. - Bd. 38. - No. 6. - S. 446.
13. Серенсен С.М., Когаев В.П., Шнейдерович Р.М. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. - М.: Машиностроение, 1975. - 488 с.
14. Терентьев В.Ф. Усталость металлических материалов. - М.: Наука, 2002. - 248 с.
15. Терентьев В.Ф. Усталостная прочность металлов и сплавов. - М.: Интермет Инжиниринг, 2002. - 288 с.
16. Ярема С.Я. Стадийность усталостного разрушения и ее следствия //Физ.-хим. механика материалов. - 1973. - Т.9. - № 6. -С. 66-72.
17. Методические указания. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик развитию трещины (трещиностойкости) при циклическом нагружении - Львов: Госстандарт СССР, 1979. - 126 с.
18. Беженов А.И. Топография и кинетика усталостного разрушения стали / Качество поверхности металлопродукции из конструкционной стали (под общ. ред. чл.-корр. АН УССР Ю.А.Шульте). - К.: Тэхника, 1990. - С. 141-152.
19. Маслов Л.И., Беженов А.И. Термоактивационный анализ процесса усталостного разрушения / Циклическая вязкость разрушения металлов и сплавов. - М.: Наука, 1981. - С. 71-79.
20. French H. Fatigue and the Hardening of Steels //Trans. ASTM. - 1933. - Vol. 21. - P. 899-946.
21. Школьник Л.М. Методика усталостных испытаний. Справочник. - М.: Металлургия, 1978. - 304 с.
© 2006 р. Канд. техн. наук А. И. Беженов Национальный технический университет, г. Запорожье
ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ "ПУТИ РАЗВИТИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ"
16-18 мая 2006 г. в рамках выставки "Металлургия и машиностроение", торгово-промышленная палата,
г. Запорожье
МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ РЕЗЦОВ ДОРОЖНЫХ ФРЕЗ "Ш^ТСЕМ" НА БАЗЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
МЕХАНИЗМА ИЗНАШИВАНИЯ
На сегодняшний день при ремонте асфальтобетонных дорожных покрытий применяются дорожные фрезы, обеспечивающие удаление и измельчение слоя деформированного асфальта. Режущим инструментом в дорожных фрезах является барабан с закрепленными на нем резцами (72-150 шт.). Наличие закрепленного абразива и большие скорости резания приводят к тому, что режущая часть инструмента подвергается интенсивному абразивному и ударно-абразивному износу.
Исследование процессов, протекающих в условиях взаимодействия рабочего органа дорожной фрезы (состоящего из корпуса, твердосплавного наконечника, защитного кольца и прижимной втулки) с асфальтобетонным покрытием, показывает, что резец подвержен интенсивному абразивному изнашиванию с наличием локальных удар -ных нагружений, работает в среде с твердостью Н = 14.. .18 ГПа, пределом прочности на сжатие = 18.. .30 ГПа, скоростью относительного перемещения V = 30.70 м/с с возможными локальными ударными нагрузками величиной 170-200 Дж. Учитывая сложный механизм воздействия абразивной среды на поверхность корпуса резца, экстремальные условия изнашивания, а также возможность заклинивания резца в резцедержателе, для повышения эксплуатационного срока целесообразно упрочнять корпус резца.
На предприятии ЭЛУАД Запорожье проведены промышленные исследования износа резцов дорожных фрез "МА^еп. Результаты показывают, что в среднем резцы выходят из строя после выработки 5700-6000 м2 при величине заглубления 15 мм. Происходит интенсивное укорочение наконечника на 6-10 мм, а также уменьшение диаметра корпуса резца с образованием фаски износа, что приводит к "оголению" наконечника. Исследования также показали, что возможны ряд характерных механизмов протекания изнашивания: равномерный износ по всем образующим, повышенный износ в районе корпуса, вследствие работы в условиях высокой вязкости асфальта и неравномерный - вследствие заклинивания.
