Циклическая долговечность элементов конструкций строительных механизмов

Лавров Т.И., Козлов И.С., Сафронова А.И., Гудков А.А. Московский государственный строительный университет (МГСУ).

Проведена работа, посвящённая циклической долговечности деталей и элементов конструкций строительных машин из сталей различного состава и структуры с учётом роста трещин.
Обобщение экспериментальных данных, собранных за достаточно продолжительное время, позволило предложить модель усталостного разрушения для деталей строительных механизмов и агрегатов. В качестве базовых, в модели рассматриваются цилиндрические образцы стальных элементов с острым кольцевым надрезом, имеющие различный состав и структуру.

Модель основана на следующих положениях:

1. Усталостная трещина в остронадрезанном образце вначале практически одновременно развивается из многих разобщённых центров, расположенных по периферии кольцевого надреза. Эти развивающиеся трещины, имеющие форму полуокружностей, затем сливается в один общий кольцевой фронт, продвигающийся к центру образца. Количество зародышевых центров и момент их слияния в общий фронт зависят от радиуса при вершине надреза.

2. В вершине кольцевой усталостной трещины в процессе циклического нагружения формируется объемное напряженное состояние, которое обеспечивает 2-3 кратное увеличение напряжений течения по сравнению с пределом текучести при одноосном растяжении.

3. В процессе усталостного разрушения рост поверхностной трещины до некоторого эффективного размера L0 контролируется пределом выносливости материала и его остановка возможна при условии, если величина текущего значения размаха напряжений меньше критического его значения (L0 - постоянная материала, характеризующая снижение сопротивления течению поверхностных слоев ввиду недостаточного их стеснения). В связи с этим следует различать пороговое значение размаха напряжений и пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений, соответствующее различным стадиям усталостного разрушения.

4. При программном нагружении перегрузки на уровне до линейного предела текучести и тренировки на уровне не более 1,2 предела усталости образца с надрезом не оказывают существенного влияния на кинетику роста трещины при последующих малой и высокой нагрузках, чем доказывается справедливость гипотезы линейного накопления повреждения на стадии разрушения.

5. Микрорельеф поверхности разрушения исследованных сталей в месте зарождения и медленного распространения усталостной трещины имеет характерную "волокнистую" структуру, вытянутую вдоль направления движения трещины.

6. Систематические усталостные бороздки на поверхности усталостного разрушения ауcтенитной стали I2XI8H9T выявляются лишь в зоне предразрушения. Шаг этих бороздок примерно cсовпадает с расстоянием, проходимым трещиной за цикл. Следовательно, в этом случае cсовпадает макро и микроскопическая СРТУ.

7. В ферритных и феррито-перлитных сталях "бороздчатая" структура выявляется на более ранней стадии усталостного разрушения, чем в аустенитной стали, но на начальных стадиях они не могут быть использованы для определения СРТУ. Лишь на последующих стадиях эти бороздки могут служить мерой СРТУ.

8. В ферритных и феррито-перлитных сталях на поверхности усталостного излома в зоне предразрушения обнаружена вторая разобщенная система трещин, располагающихся перпендикулярно основной поверхности разрушения.

9. Образование "бороздчатой" структуры при усталостном разрушении и второй разобщенной системы трещин связывается с наличием второго радиального напряжения в вершине трещины.

10. Вводится новый принцип разделения трещин на макроскопическую и микроскопическую на основе изменения параметра, контролирующего её рост и уровень нагруженности.

На основе сформулированной модели смоделированы схемы зарождения поверхностной усталостной трещины в деталях строительных машин и механизмов, в зависимости от радиуса кольцевого надреза и характера развития коротких трещин, которые позволяют уточнить методику прогнозирования закономерностей развития трещин при циклическом нагружении материалов и конструкций техники и оборудования.

На базе накопленного объема оригинальных экспериментальных данных появилась возможность продемонстрировать практическое применение комплексного метода прогнозирования циклической долговечности деталей машин и конструктивных элементов при отдельном рассмотрении как зарождения трещины, так и её распространения, при учете поведения коротких трещин, а также трещин, расположенных в зоне влияния концентратора напряжений.