WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 11 | 12 || 14 | 15 |   ...   | 42 |

Фелтнер и Морроу в 1961 году предположили, что усталостное разрушение наступает в момент, когда необратимо рассеянная энергия достигает критического значения, равного предельной работе деформации при статическом нагружении.

Мощным толчком к изучению энергетических критериев послужили исследования В.В. Федорова, который на основе развиваемой им термодинамической теории прочности предложил в качестве критерия прочности материалов использовать изменение плотности внутренней энергии при ударных испытаниях образцов как отношение работы разрушения А к деформированному объему V, полагая при этом, что при высокоскоростной деформации процессы в деформируемых объемах будут приближены к адиабатическим.

A u = a =. (2.5) * V V В работе [243] В.В. Федоров впервые показал, что плотность внутренней энергии является однозначной и интегральной характеристикой термодинамического состояния материала поверхностного слоя. При этом основная роль в повреждаемости отводилась скрытой энергии пластической деформации, на наличие которой впервые указал Хорт ещё в 1906 г.

Существенно улучшив методику испытаний на маятниковом копре (повысив однородность поля напряжений в образце без надреза), аk В.В. Федоров установил следующее: ударная вязкость не является постоянной величиной, а пропорциональна изменению деформируемого объема; с увеличением деформируемого объема пропорционально растет и работа разрушения; зависимость объемной ударной вязкоaV сти от пластически деформируемого объема Vд рабочего участка имеет вид [243] A a = m +, (2.6) V V д m где – эмпирический параметр, зависящий от материала.

Чтобы решить проблему оценки пластически деформированного объема, В.В. Федоровым предложено оценивать критическую плотность внутренней энергии по результатам усталостных испытаний образцов при многоцикловом знакопеременном нагружении. При этом можно считать, что поля напряжений и деформаций распределяются более равномерно по образцу, чем в случае образования шейки при ударных испытаниях. При этом однозначная связь между напряженнодеформированным и термодинамическим состоянием поверхностного слоя устанавливается при действии упругих напряжений u = d, (2.7) ij ij где – тензор напряжений; – тензор деформаций.

ij ij Анализируя и обобщая опыт разработки и исследования различных энергетических критериев прочности [239], можно отметить, что в качестве меры усталостного повреждения материалов различными учеными рассматривались: полная рассеянная энергия (Лашко И.Ф., Фелтнер и Морроу); разница между этой энергией и энергией, рассеянной при напряжениях, равных пределу усталости (Гольцев Д.И., Чанг С., Хэнсток Р.Ф.); скрытая энергия наклепа (Коффин, Мартин Д.Е., Муратов Л.В., Федоров В.В.); полная площадь петли гистерезиса (Трощенко В.Т.); часть рассеянной энергией, зависящей от напряжения (Тирувенгадам А.) и др. Основной задачей исследования в этом направлении, по мнению В.Т. Трощенко [239], является «накопление экспериментальных данных наряду с более глубоким изучением физики процесса усталости...».

2.1.2. КИНЕТИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ ПРОЧНОСТИ Выбор критериев прочности в каждом случае связан с постановкой задачи (табл. 2.1). В ряде случаев оправдано использование предельных параметров, но объективную картину устойчивости материала к действующей постоянно или периодически в течение определенного времени совокупности разрушающих факторов они дать не могут. Выше показано, что для усталостного разрушения наибольшей информативностью обладают кинетические критерии, в которых фактор времени отражает кинетику накопления повреждаемости материалов. В качестве меры накопленной повреждаемости в кинетическом подходе могут рассматриваться приращения: запасенной энергии, плотности дефектов, интенсивности сигналов акустической эмиссии, остаточной намагниченности и др. показателей состояния материалов, позволяющих прогнозировать выработанный и остаточный ресурс элементов машин и оборудования, что необходимо для решения задачи управления сроком их службы.

Таблица 2.Области применения критериев прочности Предельные критерии Кинетические критерии Прочностные Решение Оценка Расчет Диагностика Оптимизация расчеты контактных задач предель- скорости кине- материалов трибосистемы ных харак- тических протеристик цессов Большое значение имеет изучение разрушения как процесса, развивающегося в течение конечного времени и зависящего от скорости нагружения. В этом случае критерии классической механики разрушения, основанные на континуальных моделях и теории сплошных сред, не могут достоверно отразить сущность реальных физических процессов. При экстремально высоких скоростях деформации, вспышках высоких локальных температур, концентрации высоких давлений происходит не только плавное «смещение» фазовой точки состояния материала в фазовом пространстве, но и смена ведущего Расчет характеристик смазочного слоя Расчет скорости изнашивания материалов Оценка несущей способности узлов трения Оценка критических температур в узле трения Оценка динамических свойств фрикционного стыка Регламентирование предельно допустимых повреждений Оценка совместимости и оптимизация смазочных материалов Регламентирование механических свойств деталей пар трения Оценка скоростей химических реакций (роста окисных пленок и др.) Выбор режимов ускоренных испытаний трибоматериалов и узлов трения машин Прогнозирование долговечности конструкционных и смазочных материалов узлов трения Оценка скоростей пластической деформации, ползучести, роста усталостных трещин и др.

машин с учетом заданного ресурса и ведущих механизмов повреждаемости Диагностика состояния и оценка выработанного и остаточного ресурсов деталей пар трения машин Оценка распределения полей температур, напряжений, деформаций и перемещений в трущихся деталях Оценка допустимых нагрузок с учетом температуры, состава среды и поврежденного состояния материала и еон Оптимизация технологии изготовления, выбор материалов и регламентирование их свойств для деталей пар трения старениАнализ влияния различных факторов на долговечность материалов при изнашивании, усталости, ползучести, поверхностКй тактные задачи по оценке площадей касания, давлений и температур в зоне фрикционного контакта, сближения механизма повреждаемости. Одним из способов отражения изменения показателей прочности материалов при усталости является гипотеза суммирования повреждений [3, 19, 202, 243, 286], в которой развитие разрушения представлено изменением во времени скалярных функций: – сплошность и = 1 - – поврежденность тела. Начальному состоянию материала, при отсутствии поврежденности, соответствуют значения = 1, = 0; в процессе работы 0 < < 1, 0 < < 1; в момент разрушения = 0, = 1. Для этих параметров из физических соображений составлены кинетические выражения вида d d = f (,...) или = f (,...). (2.8) dt dt Используя принцип линейного суммирования повреждений и связывая начало разрушения с критическим значением некоторой р переменной, условие разрушения тела можно записать в виде d = 1.



(2.9) р Здесь роль параметра повреждаемости могут играть степень пластической деформации, число циклов деформирования, объем разрыхляемого материала, температура саморазогрева [39, 185, 202] и т. д. Пример использования подобных кинетических выражений для описания процесса усталостного изнашивания содержится в работе [185]. Такой упрощенный подход при изучении поврежденности материалов не всегда является эффективным, т. к. возникают трудности с выбором и обоснованием параметра, оценкой его критического значения и установлением расчетных кинетических зависимостей.

Более конкретным способом описания поврежденности является оценка концентрации дефектов, получаемая в рамках металлофизических исследований. Такой подход для анализа поврежденности материала поверхностного слоя был, например, использован в работах [99, 64, 275, 179], где она характеризуется числом разрушенных межатомных связей. Критическое значение этого параметра, соответствующее началу диспергирования материала поверхностного слоя, определяется аналитически исходя из модельных представлений о расположении атомов в кристаллической решетке и форме частиц изнашивания. Однако и этот подход не учитывает сложности разрушения межатомных связей вследствие сублимации, образования порогов на дислокациях, образования межузельных атомов, микротрещин и др., что изменяет значения энергии активации и вклад этих событий в общее поврежденное состояние материала. Поэтому важно учитывать не только накопление повреждений, но и механизм, отвечающий за конкретный способ разрушения связей.

Известен ряд гипотез, описывающих накопление повреждаемости в материалах [243], обзоры которых даны в работах С.В. Серенсена, В.Н. Геминова, Н.А. Бахвалова, В.В. Федорова и др. [243, 242]. В работе [243] они сведены к четырем основным подходам: 1) скорость повреждаемости зависит только от напряжения и температуры, степень поврежденности пропорциональна длительности действия нагрузки, а критическое значение повреждаемости остается постоянным (критерии Пальмгрена-Майнера, Бейли и др.); 2) скорость повреждаемости, как и в первом случае, зависит только от напряжения и температуры, но критическое значение повреждаемости является функцией приложенных напряжений; 3) скорость повреждаемости находится в степенной зависимости от длительности пребывания маm c териала под нагрузкой: u = ctm, где – показатель степени, – параметр, зависящий от напряжения и температуры (методы КортенаДоллана, Одинга-Геминова); 4) скорость накопления повреждений u = является функцией степени поврежденности: - un ( f [,T]).

Первые два подхода, основанные на гипотезе линейного накопления повреждаемости, физически не вполне обоснованы. Они могут дать хорошую сходимость теоретических расчетов и экспериментальных данных только для мягких, слабо упрочняющихся материалов (медь, олово, серебро и др.), а также для материалов, в которых под напряжением не происходит фазовых превращений (закаленные стали) [243].

Третий и четвертый подходы более объективны, поскольку учитывают предысторию нагружения материала, но последний признается более точным, поскольку, когда материал пребывает без нагрузки, состояние материала не остается постоянным вследствие действия релаксационных процессов, которые в третьем подходе не учитываются.

Одним из первых критериев [168], учитывающих длительность приложения нагрузки, стал интеграл повреждений Тулера-Бучера t К = [ (t) - ] t, (2.10) p tгде и – эмпирические параметры.

Интегрирование по времени производится с некоторого начального момента t0 нагружения до выполнения условия разрушения K = Kc Kc, где – постоянная для каждого материала. Например [179], для меди параметры данной модели составляют = 2, = 0,75ГПа, Kc = 0, ГПа2/мкс.

В структурно-временном подходе вводится понятие структуры на временной шкале с размером – инкубационным или структурным временем разрушения, посредством которого учитывается дискретность процесса разрушения. Принимая, что условием разрушения является достижение силовым импульсом в течение времени опредеJ (t) Jc ленного критического значения, П.А. Глебовский и Ю.В.





Петров приводят следующий критерий прочности [155]:

t (t )dt (2.11), c t - где c – предел прочности бездефектного (не содержащего специаль t но созданных концентраторов напряжений) материала; – длительность приложения нагрузки.

Данный критерий можно рассматривать как определенное обобщение континуальной механики, согласно которому недостаточно, чтобы напряжение достигло критического значения; необходимо, чтобы оно еще действовало в течение определенного времени [155]. Таким образом, авторы ограничивают пространство допустимых состояний материала областью, ограниченной критическими параметрами и.

c При этом время до разрушения можно описать равенством d =, (2.12) c 2 Klc c где – максимальная скорость упругих волн, d = – линейный c Klc размер элементарной ячейки разрушения, –трещиностойкость материала, c – критическое напряжение, которое хорошо соответствует экспериментам по высокоскоростному разрушению (отколу). При d этом отмечается, что параметр в настоящее время не имеет четкой физической интерпретации.

Среди теорий усталостного разрушения есть подходы, основанные на статистическом анализе распределения напряжений и деформаций по зернам деформируемого поликристаллического материала.

Среди них наиболее известна теория Н.Н. Афанасьева, описанная в работе [239], критерием разрушения в которой принимается нарушеn ние сплошности в некотором количестве смежных зерен, а условие WL n = WVc W разрушения записывается в виде, где – вероятность n m c V нахождения рядом зерен из, – объем образца, – коэффициL V ент пропорциональности, – количество зерен в объеме. Статистические теории развивались также в трудах В.П. Когаева, Вейбулла, В.В. Болотина, С.Д. Волкова, В.Н. Пантелеева, Кидании, Фрейденталя и др. Последний в качестве критерия прочности предложил m сохранение неразрушенными связей материала, ответственных за его несущую способность. В этом случае вероятность разрушения обN разца после циклов наработки имеет вид mN П(S) = [1- (1- P(S)) ], (2.13) Р(S) где – вероятность разрушения связей в зависимости от нагрузки.

Статистические теории, по сути, являются феноменологическими, поскольку для адекватной оценки параметров полученных на их основе моделей требуются многочисленные эксперименты. Химическая неоднородность, внутренние напряжения, наличие пор и включений, анизотропия кристаллов обусловливают различие свойств отдельных зерен и блоков мозаики, что делает затруднительным их обобщенный статистический анализ. Однако В.Т. Трощенко [239] отмечает, что, несмотря на формальность подхода, статистические теории могут быть полезны при систематизации эмпирических закономерностей усталостного разрушения материалов.

Более фундаментальным является энергетический подход к оценке прочности материалов, основанный на гипотезе об энергетической аналогии потери устойчивости кристаллической решетки при различных воздействиях. Согласно термодинамике любые воздействия на материал можно выразить посредством единой характеристики – энергии. Любые кинетические процессы сопровождаются необратимыми преобразованиями энергии в тепловое движение атомов, после чего энергия считается потраченной. Однако тепловые движения частиц также могут совершать работу за счет действия т. н. термической флуктуации – случайного избытка кинетической энергии отдельных атомов, которые совершают работу, например, по выходу из узлов кристаллической решетки или по образованию новых соединений с элементами внешней среды. Такие акты не могут совершаться мгновенно и требуют конечного времени. Теория Больцмана связала вероятность появления таких флуктуаций с энтропией системы и энергией активации кинетического процесса. Я.И. Френкель получил выражение, показывающее, как энергия активации и внешние факторы определяют время до разрушения межатомных связей. Трудами Л.

Жильмо, В.С. Ивановой, В.В. Федорова и др. было экспериментально установлено, что работа разрушения материала (удельная запасенная энергия деформации в предельном состоянии материала) является инвариантным параметром к характеру внешних воздействий и фундаментальным свойством материалов. При этом подходе предельные критерии механических теорий прочности выглядят точками на многомерной поверхности области критических состояний. Таким образом, энергетический подход для оценки прочности позволяет, абстрагируясь от конкретных физических механизмов, протекающих на микроуровне, связать прочность со временем, необходимым для накопления достаточного количества микроповреждений, совокупная энергия которых, запасаясь в материале, постепенно достигает критического значения.

Основываясь на структурно-энергетической теории прочности, В.В. Федоров [243] предложил следующее условие разрушения в интегральном виде:

t* u = u + u(t ) = u + udt = u = const., (2.14) 0 * 0 * t* где u – некоторый параметр повреждаемости, – время до разрушения. В данном выражении повреждаемость материала разделена на две части – изначально присущую и накапливаемую в течение време t* u ни со скоростью. С этих позиций мерой поврежденности можно = u(t) u* считать отношение, равное 1 в момент разрушения. Основной проблемой теорий разрушения, оперирующих подобными параметрами повреждаемости, является то, что они по своей природе ненаблюдаемы [243]. Для экспериментальной проверки и обоснования u данных критериев необходимо, чтобы параметр имел физический смысл конкретного свойства материала и его можно было бы объективно измерить в процессе его повреждаемости.

Pages:     | 1 |   ...   | 11 | 12 || 14 | 15 |   ...   | 42 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.