WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 28 | 29 || 31 | 32 |   ...   | 42 |

Сравнительный анализ экспериментальных данных показал, что зубки их твердого сплава ВК-10 имеют более высокую начальную твердость 1500 кгс/мм2, которая в процессе наработки значительно не меняется. Зубки из сплава ВК-16 более пластичны, имеют начальную микротвердость менее 1000 кгс/мм2, но почти во всех случаях отмечается некоторый рост микротвердости (наклеп) в процессе наработки до 1300…1600 кгс/мм2. Относительно низкая начальная твердость зубков из сплава ВК-16 объясняется более высоким содержанием в них пластичной фазы – кобальта. По результатам испытаний можно констатировать, что сведения о твердости зубков не дают информации об их усталостной долговечности. Значение микротвердости само по себе не является адекватной характеристикой поврежденного состояния материала. Более информативным является получаемый на основе оценки микротвердости и энергии активации структурно-чувствительный коэффициент, который в процессе наработки твердосплавных зубков возрастает от 0,06...0,09 до 0,15. Этот параметр определяется как коэффициент пропорциональности между эффективной энергией активации и механическим напряжением и характеризует степень пластической деформации материала.

4.2.3. РАЗРАБОТКА КИНЕТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ УСТАЛОСТНОЙ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ УДАРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ Для привязки обобщенной кинетической модели усталостной повреждаемости материалов (разработанной в гл. 2) к рассматриваемому виду усталостной повреждаемости необходимо произвести идентификацию ее параметров с учетом специфики ударных испытаний зубков и экспериментально обосновать адекватность полученной модели реальному поведению зубков.

Для идентификации параметров обобщенной кинетической модели рассматривались такие её параметры, как связанная энергия eупр l = T s, энергия упругой и пластической eпл деформаций в условиях динамических испытаний, при которых в материалах происходят быстропротекающие механические, трибологические, физические, химические и др. процессы. Разработанная в гл. 2 кинетическая модель описывает изменение энергии системы, находящейся в состоянии локального равновесия. Поэтому она не может использоваться для описания процессов, происходящих непосредственно в момент удара, когда условия являются существенно неравновесными, и точная оценка локальных термодинамических свойств системы в каждый момент времени представляется технически весьма сложной. В течение времени между ударами термодинамические свойства материалов, напротив, вполне определяемы, поэтому целесообразно рассматривать изменение энергии системы не в единицу времени, а за цикл нагружения (удар), т. е. будем рассматривать не мгновенные, а цикловые приращения внутренней энергии зубков, а eц упр lц конкретно – цикловые приращения мольных энергий, и eц пл.

Как правило, значение потенциальной энергии, обусловленной упругими деформациями, намного ниже уровня запасенной энергии пластической деформации, и поэтому первым часто пренебрегают.

Однако при наличии высоких ударных нагрузок, по величине сопоставимых с пределом прочности материалов, значение eц может упр быть весьма значительным и поэтому требует учета в кинетической модели повреждаемости и разрушения зубков. С учетом размерности величин V (мм3/моль), (кгс/мм2), Е (МПа) ее величина составляет m у 2 V V F m у - m у - e = 10 =, кДж/моль. (4.6) ц упр 2E 2ES у Если период следования ударов намного меньше долговечности материала, точность прогноза практически не пострадает, при условии, что периодически возникающая цикловая энергия упругой де eц упр формации зубков является величиной, постоянно действующей в материале. Фактически она не накапливается в материале (т. е. равNц на нулю между ударами) и поэтому не зависит от. Погрешность оценки долговечности при этом составит не более одного периода.

lц Цикловое приращение связанной энергии может быть опредеNц Т лено с учетом абсолютной температуры, числа циклов наработки и длительности ударного взаимодействия t (с) за цикл по формуле у t N ц ц l = RT ln, кДж/моль. (4.7) ц Многочисленные испытания зубков на ударную стойкость показали, что саморазогрев материала зубков не превышает 1 °С, что позволяет считать данный процесс практически изотермическим. При этом в уравнениях энергетического баланса не требуется учитывать изменение внутренней энергии материала за счет теплопередачи. Поэтому в кинетической модели средняя температура материала принимается Т равной комнатной 293К.

Молярный объем V твердых сплавов находится из процентного m содержания в них основных компонентов: углерода, вольфрама и кобальта, мольные объемы которых составляют соответственно мм3/моль, 9530 мм3/моль и 6620 мм3/моль. Исходя из этого рассчитанные молярные объемы твердых сплавов ВК-10 и ВК-16 составляют соответственно 6490 мм3/моль и 6498 мм3/моль.

Модуль упругости твердых сплавов Е в 2…3 раза превышает значения для конструкционных сталей. В среднем для расчетов приЕ мем 5·105МПа.

Специфика динамических испытаний состоит в том, что для оценки механических напряжений важно учитывать не средние, а их амплитудные значения. Н.С. Нассиф показал, что в зубках при ударных воздействиях на эпюре нагружения можно обнаружить кратковременные (длительностью t 0,001с) динамические скачкообразные всплесу ки напряжений с амплитудой (рис. 4.23), величина которых до 5 раз у выше давления прижатия ; при этом эпюра ударного нагружения п упрощенно может быть представлена в виде прямоугольного импульса с коротким динамическим всплеском на его фронте. Такая модель дает возможность физического описания наиболее существенных признаков удара в кинетической модели повреждаемости.



а б Рис. 4.23. Эпюра напряжений при циклических ударных воздействиях:

tк – длительность контакта зубка с плитой за цикл испытаний Рост внутренней энергии зубков за счет мольной работы пластической деформации eц пл можно оценить как - e = 10 N V, (4.8) ц ц у ц м пл где – средняя цикловая относительная деформация зубка за один ц удар. Произведение Nц составляет суммарную пластическую дец формацию зубка.

Отметим, что до начала наработки на стенде материал имеет исходную поврежденность, что можно учесть дополнительным слагаемым, равным разности между начальным значением энергии активации пластической деформации материала u и минимальным началь0н ным значением энергии активации u0i неприработанных образцов данной марки сплава.

* uЭнергия активации разрушения определена как величина энергии активации пластической деформации твердых сплавов, достиг* uших состояния предразрушения. Практически величина находится на разрушенных образцах вблизи места излома.

В результате проведенной идентификации получим кинетическую модель накопления повреждаемости в зубках при ударных циклических испытаниях в виде tц Nц VmFу2 4 u = RT ln + 10- + 10- NцVм + (u0н - u0i ). (4.9) ц у 2ESу Как следует из структурно-энергетической теории прочности, разрушения можно ожидать, когда приращение внутренней энергии достигнет определенной критической величины. Тогда условие разрушения материала примет вид:

t N V F ц ц m у - 4 - 5 * RT ln + 10 + 10 N V + (u - u ) = u. (4.10) ц у ц м 0 н 0i 2ES 0 у Для проверки адекватности данной кинетической модели сопоставим экспериментальные данные по исследованию роста энергии активации пластической деформации материалов при ударных испытаниях и соответствующие им расчетные кривые.

При разработке кинетических зависимостей была выбрана следующая система размерностей: универсальная газовая постоянная составляет R=0.008314 кДж/моль·К, температура образцов в процессе наработки на стенде существенно не изменялась и составляла Т293К (20 °С), значение постоянной времени было принято =10-12с, начальная запасенная энергия пластической деформации для всех твердых сплавов на основании анализа экспериментальных данных была принята равной u = 60 кДж/моль, среднее локальное давление в зоне верн шины зубков при испытаниях составляло = 600 кгс/мм2, анализ эпюр нагружения показал, что длительность ударной динамической нагрузки составляет около 0,001 с при длительности одного цикла t ц 0,25 с, что соответствует частоте ударов 4Гц.

Остальные необходимые данные для построения кинетических моделей систематизированы в табл. 4.4.

В результате подстановки всех данных в кинетическую модель (4.9) были получены частные кинетические модели повреждаемости.

Построенные по этим моделям расчетные кривые для зубков R(сплав ВК-10) и R0073 (сплав ВК-16) показаны соответственно на рис. 4.15 и 4.19 сплошными линиями. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных показало их удовлетворительное соответствие, что подтверждает возможность применения для описания повреждаемости твердых сплавов полученной кинетической модели.

Таблица 4.Данные усталостных испытаний твердосплавных зубков Типо- Марка № об- Исходная Энергия ак- Средняя пластиразмер твердо- разца энергия актива- тивации ческая деформазубка го ции разруше- ция зубка за сплава ния, цикл исптаний uн, кДж/моль кДж/моль ц, % R4704 ВК-10 1 108 250 0,2 141 0,3 88 0,4 138 0,5 91 0,R0073 ВК-16 1 88 230 0,2 99 0,3 91 0,4 68 0,5 66 0,4.2.4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ ЗУБКОВ БУРОВЫХ ДОЛОТ Полученные результаты позволяют вплотную подойти к проблеме создания методики ускоренных испытаний зубков буровых долот на ударную стойкость. Ключевым моментом при этом является оценка всех параметров кинетической модели после непродолжительной наработки зубка на стенде, что позволит расчетным путем экстраполировать модель до пересечения функции повреждаемости критического уровня и за счет этого прогнозировать их долговечность.

Исследования показали, что все необходимые экспериментальные данные для создания кинетической модели (а именно температуру испытаний Т, начальное значение энергии активации u и циклон вую деформацию ) можно получить уже на начальном этапе изучец ния повреждаемости зубков. Момент разрушения зубка можно оценить исходя из энергетического условия разрушения. Основанная на вышеприведенных соображениях экспериментально-расчетная методика ускоренных испытаний твердосплавных зубков включает следующие основные этапы:

1) перед началом испытаний производятся оценки энергии активации пластической деформации материала вершины зубков и исходных размеров (высоты) зубков;

2) выполняется наработка зубков на стенде в течение 2 мин;

3) после испытаний измеряется температура саморазогрева зубков, повторно определяется их высота и рассчитывается средняя относительная деформация зубков за цикл;

4) полученные данные подставляются в кинетическую модель и определяется расчетный ресурс зубков;

5) если отобранные зубки разрушились уже в процессе их предварительной наработки, то партия бракуется без процедуры прогнозирования.

Эксперименты показали, что погрешность такой оценки не превышает 15%, что делает методику пригодной для проведения сравнительных ресурсных испытаний в заводских условиях. Относительно высокая погрешность связана с нелинейностью изменения цикловой деформации, а также разбросом результатов оценки значений энергии активации и относительной деформации.





Эффективность данной методики ускоренных испытаний была подтверждена при испытаниях твердосплавных зубков из различных партий. На рис. 4.24, 4.25 представлены результаты экспериментально-расчетного прогнозирования ресурса зубков (партии R5458 и R2560, сплав ВК-10). На рисунках сплошными линиями показан прогнозируемый рост накопленной энергии, рассчитанный по частным кинетическим моделям. Первая партия показала достаточно высокий расчетный ресурс, превышающий принятые за критерий качества 4800 циклов наработки без разрушения. Вторая партия показала относительно низкие результаты, ее расчетная долговечность не превышала 1000 циклов. Экспериментальная проверка подтвердила эти прогнозы. Корреляция прогнозируемого и фактического ресурсов, показанная на рис. 4.26, подтверждает удовлетворительную сопоставимость расчетных и экспериментальных данных.

Экономический эффект от внедрения методики ускоренных испытаний складывается из кратного уменьшения длительности эксперимента, снижения энергозатрат при испытаниях, возможности использования испытанных зубков в сборке долот, повышения долговечности плиты, уменьшения числа аварийных отказов стенда, снижения брака при запрессовке зубков в шарошку.

Рис. 4.24. Результаты прогнозирования Рис. 4.25. Результаты прогнозирования долговечности зубков по результатам долговечности зубков по результатам ускоренных испытаний зубков R2560 ускоренных испытаний зубков R(твердый сплав ВК-10) (твердый сплав ВК-10) Для автоматизации формирования базы данных, обработки экспериментальных результатов и прогнозирования ресурса зубков совместно НТЦ «Надежность» СамГТУ и ОАО «Волгабурмаш» была разработана программа «Resource 2», интерфейс которой показан на рис. 4.27.

Рис. 4.27. Иллюстрация работы программы «Resource 2» по формированию базы данных и прогнозированию ресурса твердосплавных зубков при ускоренных испытаниях 4.3. ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ОБЪЕМНОЙ УСТАЛОСТИ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВИБРОИСПЫТАНИЯХ Исследование накопления усталостных повреждений проводили в два этапа: сначала образцы подвергали виброиспытаниям, затем выполняли их склерометрическое исследование. Исследование проводилось на образцах из алюминиевого сплава АМГ-3 совместно с МГТУ им. Н.Э. Баумана в рамках федеральной целевой программы «Интеграция академической и вузовской науки». Методика исследований образцов, подвергнутых виброиспытаниям, была построена на изучении основных явлений, сопровождающих развитие усталостных процессов, – потери пластичности (охрупчивания) материала, структурных и диссипативных превращений.

В ходе виброиспытаний, характеризуемых знакопеременными изгибными деформациями, максимальные напряжения сосредоточены на поверхности образцов у места их консольного закрепления. Этим обоснована достоверность исследований усталостных процессов методами оценки характеристик поверхностных слоев. При этом наклеп оценивали по повышению микротвердости материала (по Виккерсу) в области протекания усталостных процессов. Накопление усталостных повреждений, изменения структуры и пластичности материала образцов оценивали методом склерометрии по величине u и.

4.3.1. МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ НА УСТАЛОСТЬ Разработка методики испытаний конструкционных материалов на усталость и выполнение экспериментов на вибростенде проводились в МГТУ им. Н.Э. Баумана И.Н. Овчинниковым [81]. При испытаниях плоский образец закреплялся на вибростенде (рис. 4.28) и нагружался гармоническими колебаниями I рода с частотой f, при этом свободный конец образца совершал колебания с амплиту2A дой ±А. Динамические напряжения оценивались при помощи тензодатчика, наклеенного у места заделки образца.

Рис. 4.28. Усталостные испытания Режимы виброиспытаний и экспеобразцов на вибростенде риментальные данные для некоторых образцов приведены в табл. 4.5.

Виброиспытания проводили вплоть до появления усталостных трещин и разрушения образца. Критерием усталостной долговечности образцов служило число полных колебаний N до его разрушения.

Таблица 4.Режимы виброиспытаний № f, Гц А, мм t, ч N АО, мм, кг/ммобразца (рис. 4.29) 3 38 13,5 5,5 ±37,5 28 2,5 ±100,8 28 13,5 1,0 ±37,5 14 28 2,5 ±37,5 1212,5 15 28 14,0 3,5 353000 ±37,4.3.2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ АКТИВАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ Склерометрические исследования Образец проводили при следующих режимах:

3 мм нагрузка на индентор N=0,05 кг, число проходов P=5, направление царапания – вдоль образца; испытания проводи А О X лись при комнатной температуре.

Тензодатчик При измерениях оценивали ширину Рис. 4.29. Схема нанесения борозды, энергию активации u и струкцарапин турно-чувствительный коэффициент.

На образцах №3, 14, 15 оценку акОбразец тивационных характеристик проводили вдоль оси (линии ОХ) на участке от Х = 0 мм (край разлома) до Х = 2,8 мм (рис. 4.29). Результаты испытаний при А О Х Тензодатчик Очаги пластической ведены на рис. 4.31-4.33.

деформации Образец №8 был подвергнут испытаРис. 4.30. Схема исследования ниям на усталостную прочность, но не поверхности доведен до появления внешних признаков разрушения. Оценку активационных характеристик проводили вдоль образца (линии ОХ) на участке от Х = 0 мм до Х = 10 мм. Расстояние от конца образца до начала исследуемого участка АО = 25 мм (рис.

4.30). Результаты испытаний приведены на рис. 4.34 (а, б, в).

Pages:     | 1 |   ...   | 28 | 29 || 31 | 32 |   ...   | 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.