Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя

УДК 620.178.3

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ВПЛИВ ЧАСТОТИ ТА ФОРМИ ЦИКЛУ НАВАНТАЖУВАННЯ НА ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНУ ЦИКЛІЧНУ ТРІЩИНОСТІЙКІСТЬ БІМАТЕРІАЛУ

Спеціальність: 01.02.04 - Механіка деформівного твердого тіла

МАРУЩАК ПАВЛО ОРЕСТОВИЧ

Тернопіль - 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор ЯСНІЙ Петро Володимирович, Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, проректор з наукової роботи, завідувач кафедри матеріалознавства, м. Тернопіль

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор ЧАУСОВ Микола Георгійович, Національний аграрний університет, завідувач кафедри опору матеріалів, м.Київ

доктор технічних наук, професор Степаненко Валерій Олександрович, Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут”, кафедра лазерної технології, конструювання машин і матеріалознавства, м.Київ

Провідна установа -Одеський національний політехнічний університет, кафедра динаміки, міцності машин і опору матеріалів

Захист відбудеться “10” лютого 2005 р. о _13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К58.052.01 в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.

Автореферат розісланий “ 4 ”січня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат фізико-математичних наук, доцент Шелестовський Б.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ролики машин безперервного лиття заготовок (МБЛЗ), що працюють за високих температур, в багатьох випадках зазнають руйнування внаслідок розвитку тріщин від дефектів за умов сумісної дії втоми і повзучості.

Вплив частоти і форми циклу навантажування на швидкість поширення втомних тріщин за нормальних та високих температур досліджували В. Т. Трощенко, В. В. Покровський, П. В. Ясній, Г. М. Никифорчин, A. Saxena, N. Miura, N. Merah, T. Yokobori, M. Marchionni, J. Granacher, T. Tokiyoshi, J. W. Im, J. Byrne, K. Nikbin, G. A. Webster, S. B. Lee та ін.

Дослідження спектру експлуатаційних навантажень, а також тріщиностійкості матеріалів роликів МБЛЗ наведені у працях Л. К. Лещинського, Ф. С. Домбровського, О. В. Носоченка, І. В. Іванченка, А. В. Матюхіна, Л. С. Лепіхова, P. Revel.

У працях І. В. Адамова, Л. А. Хитько наведені конструктивні розрахунки, вибір матеріалів, технологія виготовлення та результати експериментальних випробувань біметалевих роликів МБЛЗ, які порівняно із монолітними дозволяють зменшити абразивне зношування ролика у 10…20 разів; зменшити прогин ролика на 8...10%; уникнути непрогнозованого руйнування ролика внаслідок гальмування втомних тріщин на границі шарів. У відомих методиках прийнято, що ролики руйнуються від кільцевих тріщин, але не враховується циклічний характер навантажування, крім того не враховується неоднорідність біметалевого ролика МБЛЗ. Проте як показано у працях R. Pippan, F. O. Riemelmoser і S. T. Tu, циклічна тріщиностійкість біметалевих конструкцій істотно залежить від фізико-механічних властивостей його складових.

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.

Зважаючи на це, актуальним є виявлення основних закономірностей впливу параметрів циклічного навантажування на високотемпературну тріщиностійкість біматеріалу, для розробки науково-обґрунтованих методів оцінки ресурсу роликів МБЛЗ із тріщиною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

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.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є виявлення основних закономірностей впливу експлуатаційних чинників (температури, частоти, форми циклу навантажування) на циклічну тріщиностійкість біматеріалу і розробка методики оцінки живучості ролика МБЛЗ. Для досягнення вказаної мети необхідно було вирішити наступні задачі:

розробити методику автоматизованого дослідження впливу температури, частоти, форми циклу навантажування на циклічну тріщиностійкість біматеріалу;

виявити основні закономірності впливу температури на кінетику росту втомних тріщин (РВТ) у біматеріалі 15Х13МФ_л/25Х1М1Ф_л;

ґрунтуючись на підходах лінійної та нелінійної механіки руйнування виявити основні закономірності впливу частоти та форми циклу навантажування на кінетику поширення тріщини втоми-повзучості;

дослідити вплив частоти та форми циклу навантажування на мікромеханізми поширення тріщини у сталі 15Х13МФ_л;

виявити взаємозв'язок між макрошвидкістю та зміною кроку втомних борозенок на поверхні руйнування;

розробити методику розрахунку та обґрунтувати довговічність біметалевого ролика машини безперервного лиття заготовок (МБЛЗ).

Об'єкт дослідження - циклічна тріщиностійкість біматеріалу

Предмет дослідження - циклічна тріщиностійкість ролика МБЛЗ з урахуванням впливу температури, частоти та форми циклу навантажування.

Методи дослідження - теоретичні дослідження проводились з використанням методів механіки деформівного твердого тіла та положень лінійної та нелінійної механіки руйнування.

Для експериментальних досліджень силових, деформаційних і енергетичних критеріїв та перевірки теоретичних положень методу визначення залишкового ресурсу ролика МБЛЗ використовували методики випробувань, що базуються на методі тензометрії. Експериментальна частина досліджень реалізована на сучасному випробувальному обладнанні керування яким здійснювалось за допомогою ПК, що дало змогу отримати достатню точність і достовірність результатів експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів:

--Розроблено, ґрунтуючись на підходах лінійної та нелінійної механіки руйнування, методики дослідження впливу частоти і форми циклу навантажування на циклічну тріщиностійкість біматеріалів, які забезпечують автоматизацію випробувань, і підвищують достовірність експериментальних результатів за рахунок вдосконалення системи керування випробувальною машиною.

--виявлені основні закономірності впливу частоти та форми циклу навантажування на циклічну тріщиностійкість біматеріалу. Характер впливу частоти та форми циклу навантажування на високотемпературну циклічну тріщиностійкість в умовах втоми-повзучості обумовлений інтенсифікацією процесів повзучості матеріалу, яка спричиняє затуплення вершини тріщини і релаксацію напружень в її околі.

--встановлені кількісні співвідношення між складовою втоми і повзучості з урахуванням впливу температури, частоти і форми циклу навантажування, у біматеріалі з тріщиною, які ґрунтуються на використанні деформаційних і енергетичних параметрів механіки руйнування.

--виявлені основні закономірності впливу частоти і форми циклу навантажування на мікромеханізми руйнування біматеріалу при високих температурах, ґрунтуючись на яких, запропоновані схеми поширення тріщини втоми та втоми-повзучості за короткотривалих та довготривалих витримок. Практичне значення одержаних результатів.

Отримані характеристики циклічної тріщиностійкості біматеріалу в умовах втоми і втоми-повзучості, за нормальних та підвищених температур, різних частот навантажування роликів МБЛЗ з урахуванням впливу короткотривалої витримки. Ці дані можуть бути використані для розрахунках на міцність та живучість роликів МБЛЗ. Результати дисертаційної роботи в частині методики дослідження і прогнозування впливу режимів навантажування на циклічну тріщиностійкість біматеріалу 15Х13МФ_л/25Х1М1Ф_л, використовуються лабораторією ВАТ МК “Азовсталь” для оцінки довговічності роликів зони вторинного охолодження МБЛЗ (Акт впровадження ВАТ “МК Азовсталь” № 16 від 22.07.2004 року).

Особистий внесок здобувача. Основні результати, які становлять суть дисертаційної роботи, отримані автором самостійно. В публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належить:

розробка експериментальних методик циклічної тріщиностійкості біматеріалів в умовах втоми та втоми-повзучості;

експериментальне дослідження основних закономірностей впливу температури, форми циклу навантажування, та частоти навантажування на швидкість РВТ у біматеріалі 15Х13МФ_л/25Х1М1Ф_л.

виявлення основних закономірностей впливу короткотривалої витримки (10 сек) при максимальному навантаженні на кінетику росту тріщини втоми-повзучості;

фрактографічні дослідження зламів, виявлення мікромеханізмів поширення тріщин втоми та втоми-повзучості у сталі 15Х13МФ_л при температурах +20, +375, +600 ⁰ С, за різних частот та форм циклу навантаження;

розробка методу визначення залишкового ресурсу біметалевого ролика МБЛЗ із допустимим дефектом.

Постановку задач, аналіз та трактування результатів, формулювання наукових висновків та рекомендацій проведено спільно з науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на VI --VIII науково-технічних конференціях Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя "Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні" (Тернопіль, 2001-2004), ІІ Міжнародній конференції "Проблеми динаміки і міцності в газотубобудуванні" (Київ, 2004), III Міжнародній конференції “Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій” (Львів, 2004), V Mіжнародній конференції “Современные проблемы машиноведения” (Гомель, 2004), 21^st International congress of theoretical and applied mechanics (Warsaw, Poland, 2004), IV International congress “Mechanical engineering technologies'04”, (Varna, Bulgaria, 2004), Mежнародній конференції "Механика неоднородных деформируемых тел: методы, модели, решения" (Севастополь, 2004), І Міжнародній конференції “Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин”, (Тернопіль, 2004), в повному обсязі матеріали дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на наукових тематичних семінарах в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя (м. Тернопіль, 2004) та Одеському національному політехнічному університеті (м. Одеса, 2004).

Публікації. Результати дисертації опубліковані у 16 друкованих працях. З них -- 7 статті у фахових наукових виданнях. Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи становить 148 сторінок, в т.ч. 55 рисунків, 7 таблиць та список використаних джерел із 165 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

деформований навантажування тріщина біметалевий

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначена мета роботи та основні напрямки її досягнення, показані наукова новизна та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі проаналізовано відомі теоретичні та експериментальні дослідження напружено-деформованого стану матеріалів за умов циклічного навантажування. 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. Відсутні методики оцінки залишкового ресурсу біметалевого ролика МБЛЗ при циклічному навантаженні на етапі росту втомної тріщини.

На основі проведеного аналізу сформульовано мету та задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі приведено методики експериментальних досліджень, характеристики обладнання, методи і засоби реалізації силових схем та вимірювання переміщень берегів надрізу зразка та переміщення вздовж лінії дії сили. Експериментальні дослідження виконано на сервогідравлічній випробувальній машині СТМ-100 та модернізованій електромеханічній машині FP-100, які забезпечують реалізацію циклічного низькочастотного навантажування у дослідженому діапазоні (0,1…0,01 Гц). Керування машинами здійснювалось за зусиллям прикладеним вздовж осі зразків. Результатів вимірювань реєстрували на магнітоносій ПК.

Вплив частоти і форми циклу навантажування досліджували за одновісного розтягу на призматичних біметалевих зразках з бічною тріщиною. Швидкість РВТ в біметалі від розмаху КІН описували рівнянням Періса:

,

де та - параметри матеріалу, що залежать від механічних властивостей; Д- розмах коефіцієнту інтенсивності напружень (КІН); - довжина тріщини; - кількість циклів навантажування;

Також використовували локальний параметр механіки руйнування - розмах розкриття вершини тріщини Дд. У цьому випадку швидкість поширення тріщини визначали за формулою:

,

де , - сталі для даних умов випробувань. В умовах високотемпературної втоми-повзучості застосовано два підходи до прогнозування впливу механізмів втоми та повзучості на швидкість РВТ: метод лінійного підсумовування пошкоджуваності:

,

та метод переважаючого механізму руйнування :

.

Крім розмаху КІН, та розмаху розкриття вершини тріщини, для опису впливу частоти та витримки при максимальному навантаженні на швидкість РВТ використовували розмах ДJ_f та ДJ - інтегралу.

Швидкість РВТ при циклічному навантаженні, визначали за формулою:

де - величина розмаху втомного - інтеграла; та - відповідно стала матеріалу та функція часу навантаження. Швидкість росту тріщини в умовах повзучості визначали аналогічним чином :

,

де , - сталі матеріалу. Повзучість у вершині тріщини при трапецевидному циклічному навантажуванні описували рівнянням (1). Визначали коефіцієнти рівняння теорії старіння за результатами випробовувань на повзучість гладких зразків:

, (1)

де В - коефіцієнт, B=4,54 10^-28,(1/с(МПа)ⁿ) (для сталі 15Х13МФ_л, при +600 ⁰С);

n- показник степеня, n=10,11.

Показник степеня ф-ли (1) використовували для обчислення у циклі навантажування :

,

де - площа петлі зусилля - переміщення вздовж дії сили обумовлена повзучістю;

B, b - величина відповідно товщини та нетто перерізу зразка;

Швидкість росту тріщини в умовах втоми-повзучості визначали за формулою:

де - величина розмаху - інтеграла;

та - відповідно показник степеня та стала матеріалу.

Величину розмаху J - інтегралу в умовах втоми-повзучості визначали як суму складових, обумовлених втомою та повзучістю :

.

Значення обчислювали з допомогою програми “CREEP-FATIGUE”.

Описана високотемпературна термокамера, система нагріву та підтримання робочої температури.

У третьому розділі наведені характеристики механічних властивостей досліджуваних матеріалів ролика МБЛЗ за досліджених температур

Таблиця 1 Механічні характеристики сталей

Сталь	t, 0С	0,2 , МПа	в , МПа	, %	, %	Е, МПа
15Х13МФл	20	338	456	6,0	4,80	1,81 105
	375	262	467	12,7	15,5	1,62 105
	600	242	334	24,2	56,6	1,31 105
25Х1М1Фл	20	509	718	21,7	47,6	2,06 105
	375	431	582	21,5	48,5	1,71 105
	600	321	369	21,0	64,5	1,42 105

На основі аналітичних підходів запропонованих I. Barsoum та K. S. Ravi Chandran визначено КІН для одновісного розтягу біметалевого зразка з тріщиною в першому шарі із урахуванням модулів пружності складових:

(2)

де , , - відповідно повна ширина біметалевого зразка, та його складових; , - модулі пружності матеріалів біметалевого зразка; - КІН монометалевого зразка;

Перевірку даного підходу здійснено методом пружної піддатливості. Значення КІН отримані методом пружної піддатливості та ф-ла (2) задовільно узгоджуються при відносній довжині тріщини .

Представлені результати дослідження закономірностей впливу температури, частоти та форми циклу навантажування на кінетику поширення тріщин в біматеріалі за умов втоми та втоми-повзучості. Температура випробувань практично не впливає на залежність швидкості росту втомної тріщини від розмаху КІН. З умови що визначає межі коректного використання КІН для опису НДС у вершині втомної тріщини (ф-ла 3), випливає, що плоский деформований стан у зразку зберігається при +20 ⁰С лише до рівня MПaм, при +600 ⁰С до MПaм.

(3)

При значеннях КІH більших наведених вище, у вершині тріщини реалізується плоский напружений стан і отримані залежності втрачають інваріантність відносно довжини тріщини та товщини зразка.

Залежності швидкості РВТ від температури у координатах da/dN-J_f, що швидкість РВТ зростає приблизно у 6 разів із підвищенням температури випробувань від +20⁰С до +600 ⁰С.

Виявлено, що у координатах da/dN- швидкість тріщини при високих температурах у 4-7 разів більша ніж при +20 ⁰С.

З аналізу залежностей К_bi-da/dN, видно, що при температурі +600⁰С зменшення частоти навантажування з 0,1 до 0,01 Гц зменшує швидкість РВТ у сталі 15Х13МФ_л для КІН ДК_bi<24MПaм і збільшує при ДК_bi>28MПaм.

При 26...28 MПaм, частота навантаження майже не впливає на швидкість РВТ в сталі 15Х13МФ_л.

Треба зазначити, що при частоті f=0,1 Гц і f=0,01 Гц в усьому діапазоні зміни K_bi при +600 ⁰С закриття тріщини було відсутнє.

Зменшення частоти навантажування від 0,01 Гц до 0,1 Гц істотно зменшує швидкість РВТ, за рівних значень ДJf. (рис. 5 а). Виявлено, що зростання часу перебування зразка під дією активного навантажування збільшує розмах розкриття вершини втомної тріщини (рис. 5 б.), а одночасно зростає залишкове розкриття, що очевидно обумовлено затупленням вершини тріщини за рахунок ініціації процесів повзучості.

При переході від частоти 0,1 Гц, до 0,01 Гц, за однакових розрахункових значень КІН величина розкриття значно зростає (рис. 6 а). Причому вказана різниця збільшується із зростанням ДКbi.

З аналізу даних представлених на рис. 6б видно що залежність між значеннями -Jf~ не чутлива до частоти навантажування.

Було досліджено вплив короткотривалої витримки при максимальному навантажені на циклічну тріщиностійкість. Швидкість росту тріщини за трапецевидної форми циклу навантаження зростає при +375 ⁰С для ДК_bi<28MПaм та зменшується у 2...3 рази, при +600 ⁰С, порівняно із трикутним циклом.

Рис. Залежність швидкості росту тріщини втоми - повзучості при температурі +375 ⁰С (2,3) і +600 ⁰С (3,4) від розмаху ДКbi при витримці 0 с (1,2) та 10с (3,4); а) сталь 15Х13МФл б) сталь 25Х1М1Флпри +20 ⁰С;

Виявлено, що величина переміщення повзучості складає лише до 3% від загального переміщення вздовж лінії дії сили циклу навантажування.

Тобто більший внесок у загальну площу петлі гістерезису Р-д за даних умов має втомна складова, але складова повзучості помітно змінює кінетику поширення тріщини. 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.

Залежності швидкості росту від та знаходяться у смузі розкиду. Під час навантажування, за трапецевидного циклу, деформація повзучості накопичується у вершині тріщини як під час навантаження, так і витримки.

Значне зростання ДJ_f за трапецевидного циклу у порівнянні з трикутним для однакових швидкостей поширення тріщини, можна трактувати як необхідність збільшення енергії пружнопластичної деформації для забезпечення однакового приросту тріщини за цикл.

У четвертому розділі досліджено вплив частоти і форми циклу навантажування на мікромеханізми руйнування покриття ролика МБЛЗ - сталі 15Х13МФл.

Злами зразків досліджували на растровому електронному мікроскопі типу Cаmebax в діапазоні збільшення від 200 до 2000 крат. Виявлено, що для розмаху КІН ДК_bi<40 MПaм, як за трикутної, так і за трапецевидної форми циклу навантажування, переважаючим мікромеханізмом руйнування був внутрішньозерновий, а за більших значень КІН, механізм ямкового відриву.

Пошкоджуваність у вершині тріщини втоми-повзучості обумовлюється впливом втомної складової та складової повзучості. Вплив втоми проявляється у пошкоджуваності тіл зерен: формуванні мікротріщин у тілі зерна та вичерпуванні його пластичності.

Вплив повзучості проявляється у розвитку пошкоджуваності в околі вершини тріщини у вигляді пор. Мікропори зароджуються як правило на границях зерен, хоча зустрічаються й внутрішньозернові біля субграниць, або на границях матриця-карбід.

Формування пошкоджуваності біля вершини тріщини в умовах втоми-повзучості, можна представити наступною схемою: зародження окремих мікропор біля субграниць та на границях зерен, а також міжфазних границях; ріст та наступна коалесценція мікропор, що приводить до формування мікротріщин, кожна з яких не перевищує розміру зерна; об'єднання окремих мікротріщин у зернограничні тріщини, розмір яких більший розміру зерна; об'єднання мікротріщин, з'єднання їх із магістральною тріщиною, розвиток міжзернового руйнування. Причому присутність зернограничних тріщин значно прискорює просування магістральної тріщини.

За умов короткотривалої витримки реалізується лише початковий етап формування пошкоджуваності обумовленої повзучістю.

Для усіх досліджених умов, пошкоджуваність, обумовлена втомою, домінувала, та визначала мікромеханізм поширення тріщини.

Підсумовуючи вищесказане можна зробити висновок, що зменшення швидкості відбулося внаслідок збільшення пластичності у вершині тріщини (затуплення її вершини) на фоні відсутності вторинних мікротріщин.

У п'ятому розділі представлено інженерний метод визначення ресурсу ролика МБЛЗ за наявності дефектів, на основі аналізу напружено-деформованого стану, на етапі поширення втомної тріщини, із урахуванням впливу параметрів навантаження.

В рамках підходів лінійної механіки руйнування матеріалів, дослідження напружено-деформованого стану ролика МБЛЗ з тріщиною зводиться до визначення його КІН.

У зв'язку з цим найдоцільніше буде побудова порівняно простих розрахункових залежностей, основаних на наближеному розв'язку даної задачі. Залишкову довговічність ролика із тріщиною можна записати у наступному вигляді:

(4)

де та - відповідно початкова та кінцева довжина тріщини;

Ролик МБЛЗ розглядали як круговий циліндр, довжиною L, ослаблений у центральному перерізі кільцевою тріщиною, діаметри внутрішнього та зовнішнього контурів якої відповідно D_ЗН та D_ВН.

Коефіцієнт інтенсивності напружень для такої схеми запропонований у праці (Панасюк В. В., 1988). Перезаписавши формулу через напруження для круглого бруса із осьовим отвором, отримаємо:

, ,(5)

де - нормальні напруження у поперечному перерізі ролика;

- момент опору перерізу ролика;

Критичну довжину тріщини приймали =15 мм, з умови нерозповсюдження тріщини через поверхню розділу біматеріалу, величину зусилля P=700,0 кН, з умови забезпечення еквівалентної величини згинального моменту, що діє у перерізі зразка (Іванченко І.Ф. та ін., 1987):

Розраховували живучість біметалевого ролика МБЛЗ, з наступними геометричними параметрами: Dзн=0,3 м; L=1,9 м; d0=0,08 м; Dвн=0,26 м;

Методика розрахунку ґрунтується на таких припущеннях:

1. Напружений стан ролика з тріщиною описували на основі підходів лінійної механіки руйнування;

2. Залишковими технологічними напруженнями в біметалевих роликах нехтували; 3. Довговічність ролика визначали для найбільшої температури +600 ⁰С, хоча температура поверхні в різних частинах ролика коливається від +300 ⁰С до +600 ⁰С; 4. Загальні напруження у ролику, визначали підсумовуванням напружень, які обумовлені механічною та термічною складовими;

5. Перепадом термонапружень на границі розділу біметалу нехтували;

6. Тріщина поширюється тільки на розтягуючій ділянці циклу навантаження ролика; Враховуючи, те що в умовах виробництва швидкість розливки, а отже й частота навантажування постійно зростає, проведені розрахунки для різних швидкостей розливки. Частота навантажування була 0,01;0,05;0,1Гц. Зростання швидкості розливки зменшує залишковий ресурс ролика МБЛЗ Для тріщин довжиною приблизно 6 мм, різниця залишкових ресурсів становить приблизно 10 разів. Із зростанням довжини тріщини, дана відмінність зменшується, так, при довжині 10 мм залишковий ресурс роликів за різних частот навантажування однаковий, а на заключному етапі експлуатації коли довжина тріщини 11...15 мм ресурс для частоти 0,01 Гц, вищий ніж при 0,1 Гц у 4...6 разів. Короткотривалі витримки при максимальному циклі навантажування сприяють збільшенню залишкового ресурсу ролика у 2...3 рази для тріщин довжиною більше ніж 8 мм. Крім того з метою визначення проектної кількості плавок, побудовані криві довговічності ролика із тріщиною.

Отримані результати, порівнювали із літературними даними, для роликів із сталі 25Х1М1Ф. Таким чином, при збільшенні швидкості неперервної розливки сталі необхідно враховувати вплив частоти навантажування на живучість роликів. Виходячи з отриманих результатів можна рекомендувати наступні заходи:

1. Введення додаткових роликових опор, що дозволить за рахунок зменшення відстані між опорами мінімізувати прогин роликів, випучування та деформації неперервнолитої заготовки, Це покращить якість заготовки, та збільшить довговічність роликів. 2. Відомо, що із зростанням швидкості розливки, температурне поле наближається до осесеметричного, отже, необхідно збільшити інтенсивність внутрішнього охолодження, що дозволить зменшити величину поверхневих розтягуючих напружень та прогин ролика.

ВИСНОВКИ

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 dа/dN-ДKbi швидкість РВТ, в сталі 15Х13МФ_л, в діапазоні, ДK_bi=12…50 MПaм, 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 t_h=10 сек, в 4...5 разів зменшує швидкість росту тріщини у сталі 15Х13МФ_л, 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 (ДК_bi40,0 MПaм ), реалізується механізм ямкового відриву. Підвищення температури до +600 ⁰С спричиняє появу у сталі 15Х13МФл міжзернового руйнування при ДК_b=30 MПaм, 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 пов'язано 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.-C. 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 15Х13МФ_л/25Х1М1Ф_л (11-12 травня 2004 року) // VIIІ 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 21^st 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.

АНОТАЦІЇ

Марущак П. О. Вплив частоти та форми циклу навантажування на високотемпературну циклічну тріщиностійкість біматеріалу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04--Механіка деформівного твердого тіла.--Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, м. Тернопіль, 2005.

Дисертація присвячена дослідженню впливу частоти та форми циклу навантажування на високотемпературну тріщиностійкість біматеріалу 15Х13МФ_л/25Х1М1Ф_л.

Досліджено вплив конструкційних та експлуатаційних чинників на кінетику поширення тріщин в біматеріалі, що використовуються у роликах МБЛЗ.

Досліджено вплив температури випробувань (+20, +600 ⁰С) на швидкість РВТ у матеріалі зовнішнього шару ролика МБЛЗ з використанням параметрів лінійної та нелінійної механіки руйнування - максимального коефіцієнту інтенсивності напружень, розмаху J-інтегралу, розмаху розкриття вершини тріщини.

Виявлено, що короткотривала витримка при максимальному навантажені протягом 10 с, у 5...6 разів зменшує швидкість поширення тріщини втоми-повзучості.

Розроблений інженерний метод визначення ресурсу роботи ролика МБЛЗ із тріщиною.

Ключові слова: частота, біматеріал, форма циклу навантажування, температура, мікромеханізми руйнування.

Марущак П. О. Влияние частоты и формы цикла нагружения на высокотемпературную циклическую трещиностойкость биматериала. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04--Механика деформируемого твердого тела.--Тернопольский государственный технический университет имени Ивана Пулюя, г. Тернополь, 2005. Диссертация посвящена выявлению частоты и формы цикла нагружения на высокотемпературную трещиностойкость биматериала 15Х13МФл/25Х1М1Фл. На основе подходов линейной и нелинейной механики разрушения, разработаны методики исследования влияния частоты и формы цикла нагружения на циклескую трещиностойкость биматериалов, которые обеспечивают автоматизацию испытаний, при частотах нагружения 0, 1 Гц, и повышают достоверность экспериментальных результатов за счет усовершенствования системы управления испытательной машиной.

Установлены основные закономерности влияния частоты и формы цикла нагружения на характеристики циклической трещиностойкости биматериала. Характер влияния частоты та формы цикла нагружения на высокотемпературную циклическую трещиностойкость в условиях усталости-ползучести обусловлен интенсификацией процессов ползучести материала, которая приводит к затуплению вершины трещины и релаксации напряжений около вершины трещины.

Установлены основные закономерности влияния частоты и формы цикла нагружения на микромеханизмы разрушения биматериала при высоких температурах, на основе которых, предложены схемы распространения трещины усталости и усталости-ползучести при кратковременных и долговременных выдержках. Исследовано влияние температуры испытаний (+20, +600 ⁰С) на скорость РУТ в материале внешнего слоя ролика МНЛЗ с использованием параметров линейной и нелинейной механики разрушения - размаха коэффициента интенсивности напряжений, размаха J-интеграла, размаха раскрытия вершины трещины. Установлено, что кратковременная выдержка при максимальной нагрузке на протяжении 10 с, в 5...6 раз уменьшает скорость распространения трещины усталости-ползучести.

Предложены схемы распространения трещины усталости и усталости-ползучести при кратковременных и долговременных выдержках, на основе исследования микро - и макроскорости роста трещины, а также анализа микромеханизмов руйнування.

Установлено увеличение площади межзеренного разрушения, а также следы пластического деформирования бороздок в изломе образца с увеличением времени пребывания при максимальной нагрузке, что свидетельствует о накоплении пластической деформации в вершине трещины во время ее роста. Разработан инженерный метод определения ресурса работы ролика МНЛЗ с трещиной.

Ключевые слова: частота, биматериал, форма цикла нагружения, температура, микромеханизмы разрушения.

Maruschak P. O. The Influence of frequency and loading waveform of a cycle on high-temperature cyclic crack resistance of bimaterial. - Manuscript.

Dissertation for the candidate degree in engineering in speciality 01.02.04--"Mechanics of deformable solids".--Ternopil Ivan Pul'uj State Technical University Ternopil, 2005.

The of influence of frequency and waveform of loading on the characteristics cyclic crack resistance of bimaterial 15Kh13MF/25Kh1M1F was investigated. Using fracture mechanics approaches to bimaterial specimens the force ДK_bi, energy ДJ_f and deformation Дд characteristics of crack growth resistance have been evaluated. The results of tests and numerical calculations were presented as characteristics of FCG rate. The decrease of the loading frequency from 0.1 to 0.01 Hz causes the decrease of the FCG rate for ДК_bi<26…28 MPam. Shot-term tensile hold time at +600 ⁰C under maximum loading during 10 sec decreases the growth of creep-fatigue crack in 5-6 times .

Fractographic analyses are used to explain the different of fracture mechanism of fatigue and creep-fatigue crack growth. Engineering approach for determining resource of roll for continous casting machines with crack was proposed. Key words: frequency, bimaterial, loading waveform, temperature, micromechanisms of fracture.

Размещено на Allbest.ru

...