Метод оцінювання довговічності металевих сплавів при багатовісному малоцикловому блочному навантажуванні

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність 01.02.04 -

Механіка деформівного твердого тіла

МЕТОД ОЦІНЮВАННЯ ДОВГОВІЧНОСТІ МЕТАЛЕВИХ СПЛАВІВ ПРИ БАГАТОВІСНОМУ МАЛОЦИКЛОВОМУ БЛОЧНОМУ НАВАНТАЖУВАННІ

Панасовський Костянтин Вікторович

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано на кафедрі динаміки і міцності машин та опору матеріалів Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут"

Науковий керівник:	доктор технічних наук, професор Шукаєв Сергій Миколайович Національний технічний університет України "КПІ" Міністерства освіти і науки України, професор кафедри динаміки і міцності машин та опору матеріалів.
Офіційні опоненти:	доктор технічних наук, професор Бреславський Дмитро Васильович Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" декан інженерно-фізичного факультету.
	Доктор технічних наук, старший науковий співробітник Бородій Михайло Васильович Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України, с.н.с. відділу міцності матеріалів і елементів конструкцій при кріогенних температурах.

Захист відбудеться " 17 " листопада 2008 р. о 15-й годині, на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.01 при Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ-56, пр. Перемоги, 37, корп. № 1, ауд. № 166.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ-56, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розіслано " ____ " жовтня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

д.т.н., проф. О.О. Боронко

Размещено на Allbest.ru

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Багато конструкцій, таких як трубопроводи хімічного та енергетичного обладнання, сосуди високого тиску, елементи авіаційної і космічної техніки та ін., потребують проведення розрахунку на малоциклову втому. Як правило, в процесі експлуатації вони зазнають складних режимів навантажування, параметри яких змінюються у часі. Оцінка втомної довговічності конструкційних матеріалів у таких умовах є складною задачею, адже необхідно одночасно враховувати багато чинників, зокрема вид напруженого стану, непропорційність траєкторії деформування у циклі, нерегулярність навантажування.

Існуючі методи не в повній мірі описують ефекти, які супроводжують нерегулярне багатовісне малоциклове навантажування, що у багатьох випадках призводить до суттєвих похибок у розрахунках. Недостатня вивченість поведінки матеріалів за умови одночасного впливу нерегулярності та непропорційності навантажування пов'язана з обмеженою кількістю експериментальних досліджень за даним напрямком, що зумовлено складністю проведення таких випробувань. На сьогоднішній день відомі одиничні спроби експериментальних досліджень, в яких вивчається вплив не окремих факторів, а спільна дія таких чинників як вид напруженого стану, тип траєкторії навантажування, чутливість матеріалу до непропорційності навантажування, нерегулярність навантажування.

Таким чином, удосконалення та розробка нових розрахунково-експериментальних методів оцінювання втомної довговічності металевих сплавів та елементів конструкцій в умовах нерегулярного багатовісного малоциклового навантажування є актуальною проблемою і становить значний науковий і практичний інтерес. Впровадження таких методів у практику проектування конструкцій та деталей машин дозволить підвищити безпеку їх експлуатації, забезпечить покращення економічних показників.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано відповідно до плану наукових досліджень кафедри "Динаміка, міцність машин та опір матеріалів" НТУУ "КПІ" в межах держбюджетної теми: "Розроблення методу діагностики технічного стану та прогнозування ресурсу конструкцій з урахуванням технологічної і експлуатаційної спадковості" (держреєстрація №0106U002266).

Мета і завдання досліджень. Метою роботи є розробка методу оцінювання втомної довговічності металевих сплавів при багатовісному малоцикловому блочному навантажуванні з теоретичним та експериментальним обґрунтуванням границь його застосування.

Для досягнення мети у роботі було зроблено наступне:

– проаналізовано експериментальні і теоретичні дослідження з малоциклової втоми, спрямовані на вивчення закономірностей процесів деформування та руйнування металевих сплавів в умовах нерегулярного багатовісного навантажування;

– проведено випробування титанових сплавів ВТ9 та ВТ1-0 в умовах двовісного малоциклового регулярного та блочного навантажування;

– для умов багатовісного малоциклового навантажування модифіковано модель накопичування втомних пошкоджень Менсона-Хелфорда, яка базується на кривій пошкоджуваності;

– розроблено метод оцінювання довговічності металевих сплавів для умов багатовісного малоциклового блочного навантажування, який базується на еквівалентній деформації типу Писаренка-Лебедєва та модифікованій моделі Менсона-Хелфорда;

– здійснено порівняльний аналіз результатів розрахунків, виконаних у відповідності до запропонованого методу, з експериментальними даними, отриманими як у цій роботі, так і взятими з літературних джерел;

– показано переваги запропонованого методу перед існуючими підходами до оцінки довговічності металевих сплавів в умовах блочного навантажування;

– проаналізовано границі застосування запропонованого методу оцінювання довговічності в умовах багатовісного малоциклового блочного навантажування.

Об'єкт досліджень - малоциклова втома металевих сплавів в умовах багатовісного блочного навантажування.

Предмет досліджень - закономірності накопичування втомних пошкоджень та оцінювання довговічності металевих сплавів при багатовісному малоцикловому блочному навантажуванні.

Методи дослідження включають в себе випробування металевих тонкостінних трубчатих зразків в умовах двовісного малоциклового навантажування, методи статистичної обробки експериментальних результатів та методи механіки деформівного твердого тіла.

Наукова новизна одержаних результатів полягає:

– у встановленні закономірностей пружно-пластичного деформування і руйнування титанових сплавів ВТ9 та ВТ1-0 в умовах двовісного малоциклового блочного навантажування;

– у розробленні модифікованої моделі накопичування пошкоджень Менсона-Хелфорда для режимів багатовісного навантажування, яка дозволяє, на відміну від існуючих, описувати процес накопичування пошкоджень в залежності від типу траєкторії деформування (розтягання-стискання, знакозмінне кручення, непропорційне навантажування), враховувати особливості поведінки металевих сплавів при зміні типу траєкторії і рівня деформування;

– у розробленні та експериментальній перевірці методу оцінювання втомної довговічності металевих сплавів різних класів для умов багатовісного малоциклового блочного навантажування, який базується на використанні деформаційного параметру типу Писаренка-Лебедєва спільно з модифікованою моделлю накопичування пошкоджень Менсона-Хелфорда, і одночасно враховує, на відміну від існуючих, вид напруженого стану, ефекти непропорційного та нерегулярного навантажування.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що вони дозволяють:

– оцінювати довговічність металевих сплавів в умовах багатовісного малоциклового блочного навантажування;

– оцінювати величину пошкодженості матеріалу в умовах багатовісного малоциклового блочного навантажування;

– використовувати одержані закономірності деформування та руйнування титанових сплавів ВТ9 та ВТ1-0 при проектуванні деталей машин та елементів конструкцій, що працюють в умовах нерегулярного багатовісного малоциклового навантажування.

Особистий внесок здобувача.

Основні результати дисертаційної роботи автором отримано самостійно.

Здобувачем було здійснено модифікацію моделі накопичування пошкоджень Менсона-Хелфорда. Дана модифікація дозволила врахувати особливості процесу накопичування пошкоджень в залежності від типу траєкторії деформування та вплив на цей процес ефектів, які проявляються при зміні типу траєкторії деформування і рівня навантаження. На основі цього підходу запропоновано метод оцінювання довговічності металевих сплавів в умовах багатовісного малоциклового блочного навантажування. Проведено випробування зразків із титанових сплавів ВТ9 та ВТ1-0 на малоциклову втому при багатовісному блочному навантажуванні за пропорційними та непропорційними траєкторіями деформування у циклі.

Вибір теми, завдань та обговорення результатів виконано спільно з науковим керівником.

Апробація результатів роботи. Основні результати досліджень доповідались на міжнародній конференції "Конструкционная прочность материалов и ресурс оборудования АЭС" (м. Київ, 2003), XX Симпозіумі з втоми та механіки руйнування (Польща, 2004), міжнародній науково-технічній конференції "Динаміка, міцність і ресурс машин та конструкцій" (м. Київ, 2005), The International Forum of Integration of Education Sci-tech Economy (China, 2006), 8-му міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (Львів, 2007), VIII международной научно-практической конференции "Прогрессивная техника и технология - 2007" (Севастополь, 2007), 5-th International Conference on Materials Structure & Micromechanics of Fracture, (Брно, 2007), The Second International Conference "Nonlinear Dynamics - 2007" (Харків, 2007). Результати роботи також розглядались і обговорювались на засіданнях кафедри "Динаміка, міцність машин та опір матеріалів" Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут". Робота повністю доповідалась в Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут" на кафедрі "Динаміка та міцність машин".

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи викладено в 11 наукових працях, серед яких 4 статті у фахових виданнях, перелік яких затверджений ВАК України.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації становить 167 сторінок, зокрема основного тексту дисертації - 145 сторінок, 63 рисунки, 26 таблиць, список використаних джерел зі 129 найменувань на 13 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність і мету роботи, відзначена наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, коротко викладені основні результати досліджень; наведено дані про структуру та обсяг роботи, її апробацію, зазначено особистий внесок автора.

У першому розділі "Поведінка металевих сплавів в умовах регулярного та нерегулярного багатовісного малоциклового навантажування. Методи розрахунку на малоциклову втому" проаналізовано літературні джерела, розкрито сучасний стан досліджень, виконаних за обраною темою, обґрунтовано основні напрямки досліджень дисертаційної роботи.

Описано головні закономірності деформування та руйнування конструкційних матеріалів в умовах регулярного та нерегулярного багатовісного малоциклового навантажування.

Розглянуто ефекти непропорційності траєкторій деформування у циклі.

Ефект "додаткового зміцнення" спостерігається при переході від пропорційного циклічного навантажування до непропорційного і полягає у збільшенні величини максимальної інтенсивності циклічних напружень при рівній амплітуді інтенсивності деформацій. Відзначається, що існують матеріали (титанові, алюмінієві, нікелеві сплави), в яких ефект "додаткового зміцнення" не спостерігається або має слабо виражений характер. Показано, що довговічність матеріалів при непропорційному навантажуванні у порівнянні з пропорційним за однакової величини максимальної інтенсивності деформацій може зменшуватися у 2 - 10 разів.

Ефект "поперечного зміцнення" полягає у збільшенні величини максимальної інтенсивності циклічних напружень при переході від однієї траєкторії пропорційного навантажування (наприклад розтягання-стискання) до іншої пропорційної траєкторії (наприклад знакозмінне кручення).

Ефект "циклічного знеміцнення" полягає у зменшенні величини максимальної інтенсивності напружень при переході від непропорційного циклічного деформування до пропорційного.

Аналіз літературних джерел засвідчив, що вплив ефектів непропорційного навантажування на довговічність матеріалів вивчений слабо, а існуючі закономірності підтверджені незначною кількістю експериментальних досліджень.

У розділі розглянуто існуючі методи оцінювання довговічності матеріалів при нерегулярному багатовісному малоцикловому навантажуванні. Зокрема проведено огляд критеріїв граничного стану металевих сплавів для умов непропорційного малоциклового навантажування, методів схематизації та підрахунку циклів при непропорційному навантажуванні.

Проаналізовано поведінку матеріалів при нерегулярному навантажуванні та зроблено висновок про нелінійність процесу накопичування пошкоджень у загальному випадку. Причому у багатьох випадках ступінь нелінійності прямо пропорційно залежить від величини пластичної деформації.

Проведено аналіз існуючих гіпотез і моделей накопичування втомних пошкоджень. Численні експериментальні дослідження свідчать про те, що у багатьох випадках гіпотеза лінійного накопичування пошкоджень не виконується. Так, показано, що для одновісного розтягання-стискання при переході від низького до більш високого рівня навантажування сума відносних довговічностей , тобто має місце так званий ефект "тренування" матеріалу. І навпаки, при переході від навантажень високого рівня до навантажень низького рівня сума відносних довговічностей . Незважаючи на це гіпотеза лінійного накопичування пошкоджень є найбільш розповсюдженою через простоту та відсутність необхідності проведення базових випробувань при нерегулярному навантажуванні. Розглянуто також гіпотези нелінійного накопичування пошкоджень, які враховують рівень навантажування, взаємовплив навантажування, стадійність процесу накопичування пошкоджень і т. ін. Зосереджено увагу на недоліках існуючих моделей накопичування пошкоджень, які не враховують описаних вище ефектів непропорційного навантажування.

Зроблено висновок про актуальність сформульованої мети роботи - необхідність розробки методу оцінювання довговічності металевих сплавів при багатовісному малоцикловому блочному навантажуванні.

У другому розділі "Програма, експериментальне обладнання та методика випробувань металевих сплавів на малоциклову втому при багатовісному регулярному та блочному навантажуванні" наведено опис випробувального комплексу УСНС-3, що використовувався для проведення випробувань на трубчатих зразках в умовах двовісного малоциклового регулярного та блочного навантажування.

Експериментальні дослідження здійснювались при кімнатній температурі на зразках, виготовлених з титанових сплавів ВТ9 та ВТ1-0. Ці матеріали широко використовуються у хімічному машинобудуванні, атомній енергетиці та авіакосмічній промисловості.

З метою моделювання однорідного напруженого стану дослідження проводились на тонкостінних циліндричних трубчатих зразках з наступними параметрами: довжина робочої частини , внутрішній діаметр , зовнішній діаметр (ВТ9) та (ВТ1-0).

Зразки випробовувалися у жорсткому режимі навантажування (з контролем за деформаціями). У просторі повних деформацій складові осьової деформації і деформації зсуву задавалися так:

, ,

де , - амплітуда осьової деформації та деформації зсуву відповідно, - колова частота, - кут зсуву фаз.

У ході експерименту було реалізовано наступні типи траєкторій деформування у просторі деформацій : розтягання-стискання (траєкторія " a ", ), знакозмінне кручення (траєкторія " t ", ), непропорційне навантажування з кутом зсуву фаз (траєкторія " o ").

Загальна програма експериментальних досліджень включала:

1) випробування на розтягання та кручення зразків;

2) випробування на малоциклову втому при регулярному навантажуванні:

-одновісне розтягання-стискання (траєкторія " a ");

-знакозмінне кручення (траєкторія " t ");

-непропорційне деформування (траєкторія " o ");

3) випробування на малоциклову втому при блочному навантажуванні:

-випробування при блочному навантажуванні розтяганням-стисканням або знакозмінним крученням зі зміною величини амплітуди еквівалентної деформації типу Мізеса при незмінній формі траєкторії деформування (програми A.1, A.2, A.3, A.4);

-випробування при двоступеневому блочному навантажуванні зі зміною типу траєкторії деформування при незмінній амплітуді еквівалентної деформації типу Мізеса (програми B.1, B.2, B.3, B.4, B.5, B.6);

-випробування при блочному навантажуванні зі зміною величини амплітуди еквівалентної деформації типу Мізеса та типу траєкторії деформування (програми C.1, C.2, C.3, C.4).

У третьому розділі "Закономірності деформування та накопичування пошкоджень при багатовісному малоцикловому блочному навантажуванні титанових сплавів ВТ9 та ВТ1-0" представлено результати випробувань та їх аналіз.

Досліджувані титанові сплави при всіх видах регулярного циклічного навантажування виявляли властивості, які є характерними для циклічно стабільних матеріалів.

Рівняння Коффіна-Менсона для випадків розтягання-стискання і знакозмінного кручення, відповідно, мають такий вигляд:

, (1)

, (2)

а їх параметри, знайдені за методом найменших квадратів, наведено в табл. 1.

Таблиця 1. Параметри рівнянь Коффіна-Менсона для сплавів ВТ9 та ВТ1-0

Матеріал
ВТ9	4248	0,233	-0,28	-0,88	876	0,136	-0,075	-0,512
ВТ1-0	796,67	0,047	-0,092	-0,373	482,2	0,326	-0,079	-0,546

Результати випробувань досліджуваних сплавів при блочному навантажуванні представлено в табл. 2а та 2б ( - число циклів на -й ступені навантажування; - число циклів до руйнування зразка).

Таблиця 2а. Результати випробувань титанового сплаву ВТ9 при блочному навантажуванні

Програма випробувань	Параметри процесу навантажування		Програма випробувань	Параметри процесу навантажування
	%	цикл		%	цикл
A.1	a	0.8/1.0	-	157/136	293	C.1	a	1.0	-	65	510
A.1	a	0.6/1.0	-	408/124	532		t	-	1.0	219
A.2	a	1.0/0.8	-	98/147	245	C.1	a	1.0	-	40	423
A.1	t	-	0.8/1.2	505/187	692		t	-	1.0	130
A.2	t	-	1.2/0.8	213/458	671	C.3	-	0.8	1.0	50	475
A.3	a	0.6/0.8/ 1.0/0.8	-	50	519	C.2	t	-	1.0	176	457
							a	1.0	-	66
A.4	a	1.0/0.8/ 0.6/0.8	-	50	491	C.2	t	-	1.0	209	377
							a	1.0	-	65
A.3	t	-	0.8/1.0/ 1.2/1.0	50	601	B.1	a	1.0	-	97	398
							t	-	1.0	301
A.4	t	-	1.2/1.0/ 0.8/1.0	50	528	B.2	t	-	1.0	398	603
							a	1.0	-	205
B.5	t	-	1.0	282	390	B.3	a	1.0	-	98	184
	o	1.0	1.0	108			o	1.0	1.0	86
B.6	o	1.0	1.0	61	131	B.4	o	1.0	1.0	80	384
	a	1.0	-	70			t	-	1.0	304

Аналіз отриманих даних показав, що на базі випробувань до циклів для більшості програм блочного навантажування лінійний закон накопичування пошкоджень не підтверджується. Так, при двоступінчатому блочному навантажуванні розтяганням-стисканням з переходом від низького до високого рівня деформацій спостерігається збільшення втомної довговічності, тобто має місце так званий ефект "тренування" матеріалу. І навпаки, при двоступінчатому блочному навантажуванні розтяганням-стисканням з переходом від високого до низького рівня деформацій спостерігається падіння втомної довговічності. В той же час при двоступінчатому блочному навантажуванні знакозмінним крученням процес накопичування пошкоджень близький до лінійного закону.

В результаті випробувань зразків з титанових сплавів ВТ9 та ВТ1-0 за програмою "В" було отримано, що накопичування пошкоджень при послідовності "непропорційне - пропорційне" навантажування є більш інтенсивним, ніж при послідовності "пропорційне - непропорційне" навантажування. Незважаючи на те, що під час кожного випробування змінювалася тільки траєкторія навантажування, а амплітуда еквівалентної деформації типу Мізеса залишалася сталою, відхилення від лінійного закону накопичування пошкоджень були значними для більшості програм навантажування.

Таблиця 2б. Результати випробувань титанового сплаву ВТ1-0 при блочному навантажуванні

Програма випробувань	Параметри процесу навантажування		Програма випробувань	Параметри процесу навантажування
	%	цикл		%	цикл
A.1	a	0.7/1.1	-	491/214	705	B.1	a	0.9	-	228	625
A.2	a	1.1/0.7	-	104/302	406		t	-	0.9	397
A.2	a	1.0/0.7	-	200/184	384	B.2	t	-	0.9	434	809
A.1	t	-	0.7/1.1	1115/242	1357		a	0.9	-	375
A.2	t	-	1.1/0.7	198/805	1003	B.3	a	0.9	-	228	463
A.2	t	-	1.1/0.7	198/1253	1451		o	0.9	0.9	235
C.4	-	0.7	0.7	50	1045	B.4	o	0.9	0.9	138	605
							t	-	0.9	467
B.5	t	-	0.9	428	683	B.6	o	0.9	0.9	138	293
	o	0.9	0.9	255			a	0.9	-	155

У четвертому розділі представлено результати теоретичних досліджень, які дозволили розробити метод оцінювання довговічності при багатовісному малоцикловому блочному навантажуванні; встановлено границі застосування методу, здійснено порівняльний аналіз з відомими підходами.

Для оцінки граничного стану в умовах багатовісного пропорційного і непропорційного малоциклового навантажування за параметр руйнування було обрано розмах еквівалентної деформації, запропонований у роботах Гладського і Шукаєва, який визначався за наступною формулою

, (3)

де - коефіцієнт чутливості матеріалу до непропорційності навантажування. Константи матеріалу , і , визначаються з випробувань на малоциклову втому при одновісному розтяганні-стисканні та непропорційному навантажуванні за довільною плоскою траєкторією деформування у просторі типу Мізеса відповідно. - параметр непропорційності циклу деформування (за Іто-Сакане-Онамі-Сосі), який залежить тільки від геометрії траєкторії деформування і визначається наступним чином:

; (4)

де , ,

Т - тривалість циклу; (t) - кут між напрямами _Іmax та _І(t); ₁(t), ₃(t) - значення максимальної та мінімальної головних деформацій у момент часу t;

- розмах еквівалентної деформації типу Писаренка-Лебедєва, яка визначається за формулою

, (5)

де , - гранична амплітуда деформації зсуву в умовах симетричного знакозмінного кручення для заданої довговічності, - гранична амплітуда осьової деформації в умовах симетричного розтягання-стискання для цієї ж довговічності; , , - величини головних деформацій. довговічність метал блочний навантаження

Коефіцієнт поперечної деформації розраховувався за формулою типу А.М. Жукова:

. (6)

Зв'язок між довговічністю й отриманим деформаційним параметром може бути записаний у вигляді рівняння кривої малоциклової втоми Коффіна-Менсона:

. (7)

Використання деформаційного параметру для прогнозування довговічності різних металевих сплавів при регулярному пропорційному та непропорційному малоцикловому навантажуванні дало високу кореляцію розрахункових і експериментальних даних, що зумовлено комплексним врахуванням виду деформованого стану та типу траєкторії навантажування. Тому при прогнозуванні довговічності титанових сплавів ВТ9 та ВТ1-0 при нерегулярному навантажуванні запропоновано використовувати параметр спільно з обраною гіпотезою накопичування втомних пошкоджень.

Отримані експериментальні дані дали змогу проаналізувати кілька гіпотез накопичування втомних пошкоджень за умов жорсткого режиму навантажування (табл. 3): лінійне правило Палмгрена-Майнера; модифіковане правило білінійного накопичування пошкоджень Менсона-Хелфорда; підхід Менсона-Хелфорда, що базується на кривій пошкоджуваності; модель Б'ю-Квока, яка базується на зміні границі обмеженої витривалості; модифіковану модель Б'ю-Квока, що враховує взаємний вплив навантажень різного рівня; підхід Субраманяна, що базується на модифікації кривої втоми.

Таблиця 3. Досліджувані моделі накопичування втомних пошкоджень

Модель	Хто запропонував	Аналітичний вираз
Правило лінійного накопичування пошкоджень	Палмгрен, Майнер		(8.1)
Підхід на основі кривої пошкоджуваності	Менсон, Хелфорд	, де ,	(8.2)
Модифіковане правило Білінійного Накопичування пошкоджень	Менсон, Хелфорд	, ; , ; ,	(8.3)
Модель Б'ю-Квока	Б'ю-Квок	,	(8.4)
Модифікована модель Б'ю-Квока	Б'ю-Квок	, , , ,	(8.5)
Підхід Субраманяна	Субраманян	, ,	(8.6)

У діючих нормах розрахунку на міцність обладнання і трубопроводів атомних енергетичних установок для оцінки довговічності елементів конструкцій використовується гіпотеза лінійного накопичування пошкоджень спільно з критерієм найбільших дотичних напружень (Треска), а у відповідному стандарті Американської спілки інженерів-механіків (ASME) розмах еквівалентної деформації базується на октаедричній деформації зсуву (критерій типу Мізеса). За результатами проведених розрахунків на довговічність титанових сплавів ВТ9 та ВТ1-0, а також нержавіючої сталі 304SS [X. Chen, D. Jin, K.S. Kim] з метою оцінки достовірності вищевказаних критеріїв та параметру (3) було отримано коефіцієнти кореляції між експериментальними і розрахунковими даними та відповідні відносні середні і середньоквадратичні відхилення, що наведені в табл. 4.

Таблиця 4. Величини коефіцієнтів кореляції середніх та середньоквадратичних відхилень

Матеріал	Критерій Треска	Критерій Мізеса	Деформаційний параметр (3)
		, %	, %		, %	, %		, %	, %
ВТ9	0,234	46,4	10,9	0,014	54,4	13,5	0,829	17,5	4,8
ВТ1-0	0,345	67,4	19,7	0,234	39,7	13,1	0,898	22,1	8,4
304SS	0,391	38,9	13,0	0,316	210,8	74,0	0,651	40,1	12,5

Ці значення показують, що використання деформаційного параметру (3) можна вважати доцільним при прогнозуванні довговічності матеріалів в умовах нерегулярного багатовісного малоциклового навантажування.

Проведено розрахунки на довговічність досліджуваних матеріалів з використанням деформаційного параметру (3) спільно з іншими гіпотезами накопичування пошкоджень, представленими в табл. 3. Значення коефіцієнтів кореляції , відносні середні і середньоквадратичні відхилення, отримані при співставленні експериментальних даних та розрахованих за досліджуваними гіпотезами накопичування пошкоджень довговічностей наведено у табл. 5.

Таблиця 5. Величини коефіцієнтів кореляції середніх та середньоквадратичних відхилень

	Характеристика	Гіпотеза накопичування втомних пошкоджень
		(8.2)	(8.3)	(8.4)	(8.5)	(8.6)
ВТ9		0,816	0,784	0,886	0,798	0,864
	, %	18,9	20,4	28,2	37,6	14,8
	, %	5,3	6,1	11,2	14,5	4,5
ВТ1-0		0,844	0,847	0,756	0,688	0,919
	, %	13,9	14,4	57,1	69,5	18,9
	, %	5,3	5,1	24,2	29,0	6,8
304SS		0,84	0,823	0,543	0,392	0,622
	, %	34,4	33,5	77,4	76,5	40,6
	, %	10,46	10,32	23,6	24,31	12,8

Після всебічної оцінки гіпотез накопичування втомних пошкоджень за базову модель накопичування пошкоджень було обрано модель Менсона-Хелфорда (8.2), табл. 3.

Отримані експериментальні дані свідчать про те, що довговічність титанових сплавів ВТ9 та ВТ1-0 суттєво залежить від кута орієнтації траєкторії деформування у просторі деформацій типу Писаренка-Лебедєва. Величина характеризує домінуючий вид деформованого стану і визначається як гострий кут між напрямком осьової деформації та прямою, що проходить через початок координат і точку , яка відповідає значенню максимальної еквівалентної деформації типу Писаренка-Лебедєва в циклі деформування. Величина лежить в інтервалі від 0 до .

Для випадку навантажування розтяганням-стисканням та/або знакозмінним крученням можна записати, що

, (9)

де - гранична амплітуда деформації зсуву в умовах чистого кручення для заданої довговічності; - гранична амплітуда осьової деформації в умовах розтягання-стискання для цієї ж довговічності.

В роботі запропоновано наступну модифікацію моделі Менсона-Хелфорда (8.2), табл. 3. Припускається, що показник є функцією відношення довговічностей та кута орієнтації траєкторії деформування :

. (10)

Тоді при знакозмінному крученні показник , тобто модель (8.2) зводиться до правила лінійного накопичування пошкоджень, що експериментально підтверджено для титанових сплавів ВТ9 та ВТ1-0. У випадку розтягання-стискання показник , що відповідає моделі Менсона-Хелфорда у початковому вигляді.

Згідно з (8.2) табл. 3 константа матеріалу . Проте результати експерименту показали, що для титанових сплавів ВТ9 та ВТ1-0 показник при послідовності "високий-низький" рівень навантажування дорівнює і відповідно, а при послідовності "низький - високий" рівень навантажування - для обох матеріалів. Тому виникла потреба у коригуванні цієї величини в залежності від послідовності зміни рівня навантажування. Запропоновано визначати величину наступним чином:

, (11)

де константи і відповідно дорівнюють і (для ВТ9), і (для ВТ1-0).

Наступним етапом у побудові моделі було врахування впливу типу матеріалу на процес накопичування пошкоджень в умовах нерегулярного багатовісного малоциклового навантажування через ефект додаткового зміцнення. Для цього введено функціонал , який залежить від ступеня додаткового зміцнення матеріалу та відношення величин деформаційного параметру на першій та другій ступені навантажування. Для знаходження емпіричної залежності було використано результати експериментальних досліджень, отриманих на нержавіючій сталі 304SS [X. Chen, D. Jin, K.S. Kim]. В результаті апроксимації експериментальних даних методом найменших квадратів було знайдено, що

. (12)

Остаточно вираз для показника при відносній довговічності в модифікованому рівнянні Менсона-Хелфорда має такий вигляд:

. (13)

Для нержавіючої сталі 304SS ступінь додаткового зміцнення , тоді . У титанових сплавів ВТ9 і ВТ1-0 додаткове зміцнення практично відсутнє, тому величина , і формула (13) зводиться до формули (10).

Для випадку загального багатоступеневого навантажування модифікований підхід Менсона-Хелфорда має вигляд:

, (14)

де ,

- номер етапу навантажування.

Використання рівняння (14) спільно з деформаційним параметром (3), дозволяє оцінити довговічність металевих сплавів при багатовісному малоцикловому блочному навантажуванні.

Запропонований метод було апробовано на титанових сплавах ВТ9 та ВТ1-0 і нержавіючій сталі 304SS.

В роботі було здійснено порівняльний аналіз запропонованого методу з підходом М.В. Бородія щодо визначення довговічності металевих сплавів при багатовісному (пропорційному і непропорційному) малоцикловому блочному навантажуванні.

Запропонований метод більш точно описує ефекти двоступеневого блочного навантажування (навіть при одновісному розтяганні-стисканні), і дозволяє описувати процес накопичування пошкоджень в залежності від домінуючого виду напруженого стану та матеріалу. Порівняльний аналіз показав не тільки якісні переваги запропонованого методу, а й кількісні: відносні та середньоквадратичні відхилення розрахункових даних від експериментальних зменшилися вдвічі.

Значення коефіцієнтів кореляції , відносні середні і середньоквадратичні відхилення при порівнянні експериментальних та розрахованих за запропонованим методом довговічностей відповідно дорівнюють: 0,907, 10,3 % та 3,5 % (для ВТ9), 0,958, 7,9 % та 3,0 % (для ВТ1-0), 0,824, 10,6 % та 3,4 % (для нержавіючої сталі 304). Одержані статистичні характеристики свідчать про надійність даного методу.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

1. Проведено експериментальні дослідження закономірностей деформування та руйнування титанових сплавів ВТ9 та ВТ1-0 в умовах двовісного малоциклового блочного навантажування. Встановлено, що процес накопичування пошкоджень залежить від виду напруженого стану. При знакозмінному крученні процес накопичування пошкоджень найкраще описується лінійною гіпотезою, а при одновісному розтяганні-стисканні він має нелінійний характер. Показано, що в умовах одновісного розтягання-стискання для обох матеріалів ступінь відхилення від гіпотези лінійного накопичування пошкоджень при послідовності "низький - високий" рівень навантажування є більшою, ніж при послідовності "високий - низький" рівень навантажування. Також встановлено, що накопичування пошкоджень при послідовності "непропорційне - пропорційне" навантажування є більш інтенсивним, ніж при послідовності "пропорційне - непропорційне" навантажування.

2. Запропоновано модифікацію моделі накопичування втомних пошкоджень Менсона-Хелфорда для режимів багатовісного навантажування, яка дозволяє, на відміну від існуючих, описувати процес накопичування пошкоджень в залежності від типу траєкторії деформування (розтягання-стискання, знакозмінне кручення, непропорційне навантажування), враховувати особливості поведінки металевих сплавів при зміні типу траєкторії і рівня деформування.

3. Розроблено метод оцінювання втомної довговічності металевих сплавів різних класів для умов багатовісного малоциклового блочного навантажування, який базується на використанні деформаційного параметру типу Писаренка-Лебедєва спільно з модифікованою моделлю накопичування пошкоджень Менсона-Хелфорда, і одночасно враховує, на відміну від існуючих, вид напруженого стану, ефекти непропорційного та нерегулярного навантажування.

4. Зроблено перевірку відповідності результатів розрахунків, виконаних за запропонованим методом, результатам випробувань металевих сплавів різного типу на малоциклову втому в умовах багатовісного пропорційного і непропорційного блочного навантажування, яка засвідчила високу ефективність та надійність методу. Використання запропонованого методу дозволило зменшити у два рази величину середньоквадратичної похибки розрахунків порівняно з відомими сучасними підходами.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ

1. Шукаєв С.М. Оценка критериев малоцикловой усталости при многоосном нагружении / С.М. Шукаєв, О.П. Заховайко, М.М. Гладський, К.В. Панасовський // Міжнар. наук.-тех. зб. "Надійність і довговічність машин і споруд". 2004. - № 2. - С. 127-135.

Здобувачем проведено розрахунки на довговічність за модифікованим критерієм Іто-Сакане-Онамі-Сосі для металевих сплавів з низькою чутливістю до непропорційності навантажування.

2. Шукаєв С.М. Критерії малоциклової втоми конструкційних матеріалів при непропорційному навантаженні / С.М. Шукаєв, О.П. Заховайко, М.М. Гладський, К.В. Панасовський // Вест. НТУУ "КПИ". Сер. Машиностроение. - 2004. - Вып. 45. - С. 192-195.

Здобувачем оцінено точність прогнозування довговічності металевих сплавів при непропорційному навантажуванні за досліджуваними критеріями.

3. Шукаєв С.М. Метод оцінювання довговічності металевих сплавів при програмному двовісному малоцикловому навантажуванні / С.М. Шукаєв, К.В. Панасовський, К.Г. Горбатенко // Наукові вісті НТУУ "КПІ". - 2007. - № 2. - С. 82-86.

Здобувачем розроблено модель накопичування втомних пошкоджень на базі критерію Писаренка-Лебедєва та параметрів, що відповідають за руйнування матеріалу внаслідок зрізу і відриву відповідно.

4. Шукаев С.Н. Оценка долговечности металлических сплавов при непропорциональном малоцикловом нагружении / С.Н. Шукаев, К.В. Панасовский, М. Н. Гладский // Пробл. прочности. - 2007. - № 4. - С. 31-39.

Здобувачем проведено оцінку довговічності металевих сплавів різного класу при непропорційному навантажуванні за модифікованим критерієм типу Писаренка-Лебедєва.

5. Шукаєв С.М. Comparison of Multiaxial Low-Cycle Fatigue Criteria / С.М. Шукаєв, М.М. Гладський, К.В. Панасовський // Materialy XX Sympozjum Zmeczenie i Mechanika Pekania, Wydawnictwa Uczelniane Akademii Techiczno-Rolniczej w Bydgoszczy, 2004. - Р. 361-367.

Здобувачем проведено розрахунки на довговічність за модифікованим критерієм Іто-Сакане-Онамі-Сосі для широкого класу металевих сплавів з різною чутливістю до непропорційності навантажування.

6. Shukayev S. A method for fatigue life assessment of various metallic materials subjected to non-proportional multiaxial fatigue loading condition / S. Shukayev, Yu Haisheng, O. Zakhovayko, M. Gladsky, K. Panasovsky // The International Forum of Integration of Education Sci-tech Economy (2006 IFIESE). - Nov. 6-8, 2006, Jiamusi, China. - P. 137-140.

Здобувачем перевірено доцільність використання методу, запропонованого М.М. Гладським, для оцінювання довговічності металевих сплавів при непропорційному малоцикловому навантажуванні.

7. Оценка критериев малоцикловой усталости при многоосном нагружении // Конструкционная прочность материалов и ресурс оборудования АЭС: тез. докл. международн. конф. / отв. ред. В.Т. Трощенко и В.В. Харченко. - К.: НАН Украины, Ин-т пробл. прочности, 2003. - С. 124 (Ресурс 2003).

Здобувачем проведено розрахунки на довговічність за досліджуваними критеріями.

8. Критерії граничного стану конструкційних матеріалів при малоцикловому непропорційному навантаженні: тези доп. міжнар. наук.-тех. конф. ["Динаміка, міцність і ресурс машин та конструкцій"]. - К.: НАН України, Ін-т пробл. міцності, 2005. - Т. 2 - С. 387-388.

Здобувачем показана доцільність використання коефіцієнту чутливості матеріалу до непропорційності навантажування, запропонованого М. В. Бородієм.

9. Оцінка втомної довговічності металевих сплавів при програмному двовісному малоцикловому навантажуванні: тези доповідей ["Восьмий міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові"], (Львів: КІНПАТРІ ЛТД, 23-25 травня 2007 р.). - Л.: Національний університет "Львівська політехніка", 2007. - С. 34-35.

Здобувачем модифіковано підхід Менсона-Хелфорда, що базується на кривій пошкоджуваності, для умов багатовісного навантажування.

10. A Method for Low-Cycle Fatigue Life Assessment of Metallic Materials under Program Multiaxial Loading // 5^th International Conference on Materials Structure and Micromechanics of Fracture. - Brno University of Technology, 27-29 June, 2007. - P. 56.

Здобувачем проведено аналіз експериментальних даних, отриманих для титанового сплаву ВТ9.

11. Low-cycle fatigue life assessment of titanium alloys under sequential multiaxial loading: тезисы докладов ["2-я Международная конференция "Нелинейная динамика"], (Харьков, 25-28 сентября 2007 г.). - Х.: НТУ "Харьковский политехнический інститут", 2007. - 81 с.

Здобувачем запропоновано метод оцінювання довговічності металевих сплавів при нерегулярному багатовісному малоцикловому навантажуванні.

АНОТАЦІЇ

Панасовський К.В. Метод оцінювання довговічності металевих сплавів при багатовісному малоцикловому блочному навантажуванні - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04 "Механіка деформівного твердого тіла", Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2008.

Дисертацію присвячено розробці методу оцінювання малоциклової втоми металевих сплавів різного типу (з різною структурою) для умов багатовісного малоциклового блочного навантажування.

Наведено результати експериментальних досліджень малоциклової втоми титанового сплаву ВТ9 та технічно чистого титану ВТ1-0 в умовах двовісного блочного навантажування. Встановлено, що процес накопичування пошкоджень при знакозмінному крученні найкраще описується гіпотезою лінійного накопичування пошкоджень, а при одновісному розтяганні-стисканні він має нелінійний характер. Показано, що в умовах одновісного розтягання-стискання для обох матеріалів ступінь відхилення від лінійного закону накопичування пошкоджень при послідовності "низький - високий" рівень навантажування більша, ніж при послідовності "високий - низький" рівень навантажування. Показано, що накопичування пошкоджень при послідовності "непропорційне - пропорційне" навантажування є більш інтенсивним, ніж при послідовності "пропорційне - непропорційне" навантажування.

Запропоновано метод оцінювання довговічності металевих сплавів в умовах багатовісного малоциклового блочного навантажування, який базується на кривій пошкоджуваності та враховує вид напруженого стану, тип траєкторії навантажування, зміну рівня деформації та типу траєкторії навантажування.

Проаналізовано межі застосування запропонованого методу для різних траєкторій деформування. Показано, що даний метод можна успішно використовувати для оцінювання довговічності матеріалів з різною чутливістю до непропорційності навантажування.

Ключові слова: малоциклова втома, непропорційне навантажування, блочне навантажування, критерій граничного стану, модель накопичування втомних пошкоджень, титанові сплави ВТ9 та ВТ1-0.

Panasovskyi K.V. - Low-cycle fatigue life estimation method for metal alloys under multiaxial sequential loading - Manuscript.

Thesis for candidate's degree by specialty 01.02.04 - Mechanics of a deformable solid body. - The National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2008.

The thesis is devoted to development of a low-cycle fatigue estimation method of different metal alloys types (with various structure) for sequential multiaxial low-cycle loading conditions.

The test results on low-cycle fatigue of titanium alloy ВТ9 and technically pure titan ВТ1-0 under biaxial loading are given. It is also determined that damage accumulation process in alternating torsion is described in the best way by linear damage accumulation rule and has a nonlinear character at uniaxial tension - compression. The work shows that a deviation from linear damage accumulation law for uniaxial tension - compression of both materials under "low - high" sequence loading is bigger in comparison with "high - low" sequence loading. It is obtained that a damage accumulation under "non-proportional - proportional" sequence loading is more intensive in comparison with "proportional - non-proportional" sequence loading.

Suggested method for metal alloys fatigue life estimation under sequential multiaxial low-cycle loading is based on damage curve approach.

Application boundaries of the proposed method for different deformation path have been analyzed. It is shown that the suggested method can be successfully used for fatigue life estimation of materials with different sensitivity to loading non-proportionality.

Key words: low-cycle fatigue, non-proportional loading, sequential loading, limit state criterion, damage accumulation model, BT9 and BT1-0 titanium alloys.

Панасовский К.В. Метод оценки долговечности металлических сплавов при многоосном малоцикловом блочном нагружении - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04 "Механика деформируемого твердого тела" - Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2008.

Диссертационную работу посвящено разработке метода оценки малоцикловой усталости металлических сплавов разного типа (с различной структурой) для условий многоосного малоциклового блочного нагружения.

Проведены экспериментальные исследования малоцикловой усталости титанового сплава ВТ9 и технически чистого титана ВТ1-0 при двухосном блочном нагружении по замкнутым плоским траекториям деформирования в пространстве типа Мизеса: растяжение-сжатие, знакопеременное кручение, непропорциональное деформирование "по кругу". Все испытания проводились на трубчатых образцах в условиях жесткого режима нагружения. Представлены результаты этих исследований, выполнен их анализ. Установлено, что процесс накопления повреждений при знакопеременном кручении лучше всего описывается гипотезой линейного накопления повреждений, а при одноосном растяжении-сжатии он имеет нелинейный характер. Показано, что в условиях одноосного растяжения-сжатия для обоих материалов степень отклонения от линейного закона накопления повреждений при последовательности "низкий - высокий" уровень нагружения больше, чем при последовательности "высокий - низкий" уровень нагружения. Показано, что накопление повреждений при последовательности "непропорциональное - пропорциональное" нагружение является более интенсивным, чем при последовательности "пропорциональное - непропорциональное" нагружение.

Предложено модификацию модели накопления усталостных повреждений Мэнсона-Хэлфорда для режимов многоосного нагружения, которая позволяет описывать процесс накопления повреждений в зависимости от типа траектории деформирования (растяжение-сжатие, знакопеременное кручение, непраопорциональное нагружение), учитывать особенности поведения металлических сплавов при изменении типа траектории и уровня деформирования. Модель накопления повреждений имеет вид:

, .

Разработан метод оценки долговечности металлических сплавов различных классов в условиях многоосного малоциклового блочного нагружения, который базируется на модифицированной модели накопления повреждений Менсона-Хелфорда и деформационном параметре типа Писаренко-Лебедева . Метод одновременно учитывает влияние на процесс накопления повреждений вида напряженного состояния, эффекты непропорционального и нерегулярного нагружения.

Проанализированы границы применения предложенного метода для разных траекторий деформирования. Показано, что данный метод можно успешно использовать для оценки долговечности материалов с разной чувствительностью к непропорциональности нагружения.

Ключевые слова: малоцикловая усталость, непропорциональное нагружение, блочное нагружение, критерий предельного состояния, модель накопления усталостных повреждений, титановые сплавы ВТ9 и ВТ1-0.

...