Вплив частоти та форми циклу навантажування на високотемпературну циклічну тріщиностійкість біматеріалу - Автореферат

Вплив частоти і форми циклу навантажування на швидкість поширення втомних тріщин за нормальних та високих температур досліджували В. Т. Також, хоча відомо, що короткотривала витримка за максимального навантаження може збільшувати, зменшувати, або не впливати на швидкість поширення тріщини у матеріалі в залежності від температури, частоти та форми циклу навантажування, вплив даних факторів на тріщиностійкість біматеріалу роликів МБЛЗ вивчений недостатньо. Наукові результати, які склали основу дисертації, отримані здобувачем, як виконавцем теми "Дослідження впливу температури і форми циклу навантажування на швидкість росту втомних тріщин в матеріалі МБЛЗ” (№ держреєстрації 0101U006829), що фінансувалась з коштів Державного фонду фундаментальних досліджень України, і виконувалася в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя упродовж 2001-2004 років спільно з Інститутом проблем міцності НАН України. Для досягнення вказаної мети необхідно було вирішити наступні задачі: розробити методику автоматизованого дослідження впливу температури, частоти, форми циклу навантажування на циклічну тріщиностійкість біматеріалу; ґрунтуючись на підходах лінійної та нелінійної механіки руйнування виявити основні закономірності впливу частоти та форми циклу навантажування на кінетику поширення тріщини втоми-повзучості;Розглянуто сучасний стан питання впливу параметрів циклічного навантажування на швидкість поширення тріщин за нормальних та підвищених температур, а також мікромеханізми росту тріщини в умовах втоми та втоми-повзучості. На основі проведеного аналізу літератури можна стверджувати, що не зважаючи на ряд праць присвячених питанням впливу частоти та форми циклу навантажування, недостатньо вивченим є вплив параметрів циклічного навантажування, зокрема короткотривалих витримок на циклічну тріщиностійкість матеріалів. Не достатньо вивчене питання впливу частоти та форми циклу навантажування на циклічну тріщиностійкість біматеріалу, використовуючи критерії лінійної та нелінійної механіки руйнування, зокрема, коефіцієнт інтенсивності напружень, розмах розкриття вершини тріщини, розмах J - інтегралу. Швидкість РВТ в біметалі від розмаху КІН описували рівнянням Періса: , де та - параметри матеріалу, що залежать від механічних властивостей; ? - розмах коефіцієнту інтенсивності напружень (КІН); - довжина тріщини; - кількість циклів навантажування; Хоча за трапецевидного циклу навантаження спостерігалось збільшення розмаху розкриття вершини тріщини, порівняно із трикутною формою циклу навантажування, затуплення вершини тріщини внаслідок повзучості зменшує концентрацію напружень у її вершині і, як наслідок, уповільнюється швидкість її поширення.У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що полягає у виявленні основних закономірностей впливу експлуатаційних чинників (температури, частоти, форми циклу навантажування) на циклічну тріщиностійкість біматеріалу і розробці методики оцінки живучості ролика МБЛЗ. Виявлено, що у випадку представлення даних у координатах da/DN-?KBI швидкість РВТ, в сталі 15Х13МФЛ, в діапазоні, ?KBI=12…50 MПAOМ, не чутлива до температури випробувань ( 20 0С; 600 0С), проте отримано значне зростання швидкості РВТ (у 5...7 разів) із підвищенням температури з 20 до 600 0С в залежності від розмаху розкриття вершини тріщини і розмаху J - інтегралу. Виявлено, що збільшення часу перебування тіла з тріщиною за максимального навантаження, внаслідок зменшення частоти навантажування з 0,1 до 0,01 Гц, або короткотривалої витримки th=10 сек, в 4...5 разів зменшує швидкість росту тріщини у сталі 15Х13МФЛ, при 600 0С. На основі кількісних фрактографічних досліджень виявлено що вплив частоти та форми циклу навантажування на мікрошвидкість росту втомної тріщини (крок борозенок) аналогічний впливу на макрошвидкість, із збільшенням витримки крок борозенок зменшується, що повязано із релаксацією напружень, обумовленою накопиченням пластичності та повзучістю у вершині тріщини. Запропонована методика інженерного розрахунку живучості біметалевого ролика МБЛЗ, яка ґрунтується на аналізі напружено-деформованого стану біметалевого циліндра, підходах лінійної механіки руйнування, і дозволяє оцінювати довговічність ролика з початковими дефектами з урахуванням впливу частоти і форми циклу навантажування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що полягає у виявленні основних закономірностей впливу експлуатаційних чинників (температури, частоти, форми циклу навантажування) на циклічну тріщиностійкість біматеріалу і розробці методики оцінки живучості ролика МБЛЗ.

1. Розроблений комплекс методик автоматизованого дослідження високотемпературної тріщиностійкості біматеріалу в умовах втоми та втоми-повзучості за низькочастотного навантажування (0,1...0,01 Гц), який підвищує достовірність експериментальних результатів за рахунок вдосконалення системи керування випробувальною машиною.

2. З використанням підходів лінійної та нелінійної механіки руйнування проведені комплексні дослідження впливу температури, частоти, та форми циклу навантажування на кінетику поширення тріщин в біматеріалі в умовах втоми та втоми-повзучості.

3. Виявлено, що у випадку представлення даних у координатах da/DN-?KBI швидкість РВТ, в сталі 15Х13МФЛ, в діапазоні, ?KBI=12…50 MПAOМ, не чутлива до температури випробувань ( 20 0С; 600 0С), проте отримано значне зростання швидкості РВТ (у 5...7 разів) із підвищенням температури з 20 до 600 0С в залежності від розмаху розкриття вершини тріщини і розмаху J - інтегралу.

4. Виявлено, що збільшення часу перебування тіла з тріщиною за максимального навантаження, внаслідок зменшення частоти навантажування з 0,1 до 0,01 Гц, або короткотривалої витримки th=10 сек, в 4...5 разів зменшує швидкість росту тріщини у сталі 15Х13МФЛ, при 600 0С. Такий вплив обумовлений затупленням вершини тріщини за рахунок ініціювання процесів повзучості і як наслідок зменшення ефективних напружень у вершині тріщини. 5. Встановлено, що для обох досліджених сталей, за усіх режимів випробувань, переважаючим був внутрішньозерновий мікромеханізмом руйнування з наявністю втомних борозенок. За більших значень КІН (?КBI 40,0 MПAOМ ), реалізується механізм ямкового відриву. Підвищення температури до 600 0С спричиняє появу у сталі 15Х13МФЛ міжзернового руйнування при ?КB=30 MПAOМ, що є наслідком зменшення зернограничної міцності.

6. Фізично обґрунтовано вплив частоти та форми циклу навантажування на кінетику поширення втомних тріщин. На основі кількісних фрактографічних досліджень виявлено що вплив частоти та форми циклу навантажування на мікрошвидкість росту втомної тріщини (крок борозенок) аналогічний впливу на макрошвидкість, із збільшенням витримки крок борозенок зменшується, що повязано із релаксацією напружень, обумовленою накопиченням пластичності та повзучістю у вершині тріщини.

7. Виявлено зростання частки міжзеренного руйнування, а також сліди пластичного деформування борозенок у зламі зразка із збільшенням часу перебування при максимальному навантаженні, що свідчить про накопичення пластичної деформації у вершині тріщини під час її поширення. Запропоновані схеми поширення тріщини втоми та втоми-повзучості за короткотривалих та довготривалих витримок, на основі дослідження мікро - та макрошвидкості росту тріщини, а також аналізу мікромеханізмів руйнування.

8. Запропонована методика інженерного розрахунку живучості біметалевого ролика МБЛЗ, яка ґрунтується на аналізі напружено-деформованого стану біметалевого циліндра, підходах лінійної механіки руйнування, і дозволяє оцінювати довговічність ролика з початковими дефектами з урахуванням впливу частоти і форми циклу навантажування.

Перелік опублікованих праць

Марущак П. О. Методика дослідження швидкості росту тріщини і опис кінетичних діаграм руйнування в умовах втоми-повзучості // Вісник Тернопільського державного технічного університету.-2003.-Том 8.-№2.-С.23-28.

Марущак П. О. Метод реалізації циклічного навантаження для електромеханічних випробувальних машин // Вісник Тернопільського державного технічного університету.-2004.-Том 9.-№1.-2004.-С. 16-21.

Ясній П. В., Марущак П. О. Автоматизований електромеханічний стенд для випробувань матеріалів в умовах втоми та втоми-повзучості // Вісник Тернопільського державного технічного університету-2003.-Том 8.-№3.-С. 5-10.

Ясній П. В., Марущак П. О. Методика визначення коефіцієнту інтенсивності напружень для призматичного біметалевого зразка із бічною тріщиною // Вісник Житомирського державного технологічного університету. - 2004.- № 30. / Технічні науки. - С. 35-41.

Ясній П. В., Марущак П. О. Вплив температури на швидкість росту тріщини у матеріалі покриття біметалевого ролика МБЛЗ // Машинознавство.-2004.-№2.-С. 3-9.

Ясній П. В., Марущак П. О., Ващенко О. П. Вплив частоти та форми циклу навантажування на високотемпературну тріщиностійкість покриття біметалевого ролика МБЛЗ // Вісник Тернопільського державного технічного університету.-2004.-Том 9. -№3.-С. 5-11.

Ясній П. В., Марущак П. О. Вплив часу витримки на високотемпературну циклічну тріщиностійкість біматерілу // Збірник праць ІІІ Міжнародної конференції “Механіка руйнування та міцність конструкцій”, (22-24 червня), Львів. -Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка.-2004.-С.617-622.

Ясний П. В., Марущак П. О. Исследование трещиностойкости материалов биметаллического ролика МНЛЗ //Тезисы докладов V Международной научно-технической конференции “Современные проблемы машиноведения”, (1-2 июля), Гомель.-ГГТУ им. П. О. Сухого.-2004.-С. 25.

Ясній П. В., Марущак П. О. Поширення тріщини в біметалевому зразку в умовах втоми-повзучості // Тези доповідей ІІ Міжнародної науково-технічної конференції “Проблеми динаміки і міцності у газотурбобудуванні”.-К: Інститут проблем міцності ім. Г. С. Писаренка.-2004.-С. 207-208.

Марущак П. О. Особливості визначення розмаху J- інтегралу в умовах втоми-повзучості // VII науково-технічна конференція ТДТУ (22-24 квітня 2003 року) “ Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино - і приладобудуванні”.-Тернопіль.-2003.-С. 115.

Марущак П. О. Вплив температури на поширення втомної тріщин у біматеріалі 15Х13МФЛ/25Х1М1Фл (11-12 травня 2004 року) // VIII науково-технічна конференція ТДТУ “ Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні”.-Тернопіль.-2004.-С. 83.

Марущак П. О. Методика дослідження швидкості росту тріщини в умовах втоми-повзучості (24-26 квітня 2002 року) // VI науково-технічна конференція ТДТУ “Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні”.-Тернопіль.-2002.-С. 101.

Yasniy P. V., Maruschak P. O. Effects of frequency, temperature and loading waveform on fatigue crack growth in steel 15Kh13MF // Abstracts of 21st International congress of theoretical and applied mechanics (August 15-21), Warsaw, Poland.-2004.-P. 253.

Yasniy P. V., Maruschak P. O. The influence of the loading cycle frequency and form on the high-temperature crack resistance of bimetal// Proceedings of IV International congress “Mechanical engineering technologies’04” (September 23-25), Varna, Bulgaria.-2004.-Vol. 3.-P. 206-209.

15. Ясний П. В., Марущак П. О. Влияние температуры на микромеханизмы усталостного разрушения биматериала 15Х13МФЛ/25Х1М1Фл // Материалы международной научно-технической конференции "Механика неоднородных деформируемых тел: методы, модели, решения" (1-8 октября), Севастополь.-ОРЕЛГТУ.-2004.- C.73-75.

16. Марущак П.О. Циклічна тріщиностійкість біматеріалу 15Х13МФЛ/25Х1М1Фл // Збірник праць І Міжнародної науково-технічної конференції “Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин”, (4-7 жовтня), Тернопіль.-ТДТУ.-2004.-С. 249-253.