Микробиологическая стойкость резинотехнических изделий во многом зависит от их состава. О низкой стойкости к воздействию микроорганизмов основного компонента - каучука сообщается в работах. Росту микроорганизмов способствуют также и другие компоненты (стеарин, дибутилфталат). Грибостойкость также связана с технологией изготовления резинотехнических изделий, в частности зависит от процесса вулканизации.

Многие исследователи связывают интенсивность роста микроорганизмов на резинотехнические изделия с процессами их старения под воздействием внешних факторов (свет, температура, давление, озон, влага). Под их воздействием происходит разрыв макромолекулярных цепей, изменение состава отдельных звеньев и разрушение поверхностного слоя резины. Все это создает благоприятные условия для развития микроорганизмов.

Исследования процессов микробиологических повреждений оптического стекла показывают, что даже незначительные повреждения поверхности стекол приводит к существенному снижению и даже потере работоспособности оптических приборов, используемых в образцах стрелково-пушечного вооружения.

Авторами установлено, что уже при слабом развитии плесневых грибов на поверхности оптического стекла (монокуляра), коэффициент светопропускания уменьшается в среднем в 5,2 раза.

Отмечается большая роль в возникновении микробиологических повреждений стекла таких стимулирующих факторов, как загрязнения при изготовлении и эксплуатации оптических приборов, контакты с небиостойкими деталями (прокладки, смазка), с поврежденных участков которых биодеструкторы переносятся на поверхность стекла.

С пораженных оптических деталей в различных климатических районах идентифицирован весьма разнообразный видовой состав микроскопических грибов: Aspergillus niger, Aspergillus versicolor, Aspergillus oryzae, Aspergillus flavus, Penicillium luteum, Penicillium spinulasum, Penicillium commune, Penicil-Hum citrinum, Penicillium frequentens, Muscor sp. и др., всего 23 вида.

Зависимость проблемы коррозионных и микробиологических повреждений подчеркивается многими специалистами.

Надежная работа подземных трубопроводов, ядерных электростанций, авиационной и ракетной техники, электронного оборудования, морских нефтедобывающих платформ и многих других технически сложных объектов зависит от эффективной противокоррозионной защиты и применения современных коррозионно-стойких материалов.

Сегодня в мире существует лишь 30 % металлофонда, произведенного за всю историю человечества. Остальные миллиарды тонн исчезли, в основном по причине коррозии. Экономисты в разных странах постоянно делают попытки оценить ущерб от коррозии для народного хозяйства. Основными составляющими затрат на защиту от коррозии являются собственно затраты на противокоррозионную защиту, стоимость замены поврежденных коррозией узлов, убытки от отказа оборудования по коррозионным причинам и возможных аварий.

Общие годовые затраты на борьбу с коррозией в развитых странах оцениваются в 2-4 % от валового национального продукта (рисунок 3) и достигают в год сотен миллионов долларов (рисунок 4).

Рисунок 3. Годовые затраты на борьбу с коррозией в разных странах (по данным Werkstoffe und Korrosion)

Убыток, наносимый коррозией народному хозяйству США, оценивается в 300 млрд. долларов в год или 1200 долл. в год на душу населения.

В настоящее время объем металлофонда стран СНГ превысил 2 млрд. т и составляет четверть всего металлофонда в мире. Прямые потери от коррозии ежегодно составляют, по оценкам специалистов, около 18 млн.т.

Согласно данным симпозиума по биоповреждениям материалов потери от биокоррозии составляют 15-20% от общих коррозионных потерь, а IV Международный симпозиум микробиологов приписывает микроорганизмам 75% всех потерь от коррозии. Общие потери (прямые и косвенные), в том числе от биокоррозии (отказы, неисправности, ремонты, профилактические работы, а также уменьшение долговечности, надежности и сроков службы изделия), не менее чем в два раза больше прямых потерь металла.

Мировой ущерб от биоповреждений в 50-х годах оценивался в 2% от объема промышленной продукции, а в 70-х он превысил 5%. От коррозии стальных труб в США, вызываемой сульфатвосстанавливающими бактериями, ущерб оценивается в 2 млрд. долларов в год.

Рисунок 4. Структура затрат на противокоррозионную защиту

эксплуатация ракетный артиллерийский вооружение

Коррозионные и микробиологические повреждения материалов приводят к нежелательным последствиям не только в жизни общества, но и в Вооруженных Силах, поскольку повышение надежности работы образцов вооружения и военной техники, в том числе и стрелково-пушечное вооружение, во многом зависит от мероприятий, осуществляемых по их защите. Из отечественных и зарубежных источников известно, что более 30% отказов вооружения прямо или косвенно обусловлено износом деталей, вызванных как механическим износом, так и процессами коррозии.

Анализ имеющихся данных о техническом состоянии хранящихся в различных климатических районах изделий стрелково-пушечного вооружения показал, что под воздействием внешних факторов возникают многочисленные повреждения и неисправности задолго до истечения гарантийных сроков хранения. Причиной их появления являются коррозионные и микробиологические повреждения материалов и средств защиты.

Серьезные проблемы возникают и при нахождении изделий стрелково-пушечного вооружения в странах с тропическим климатом. Так, изделия 2А72, отправленные в составе объектов 688 в ОАЭ, имея основное защитное покрытие - химическое фосфатирование и ускоренное хроматирование с пропиткой клеем БФ-4 с нигрозином марки А не выдержали воздействия климатических условий. Проведенные на АК «Туламашзавод» испытания на грибоустойчивость согласно ГОСТ 9.048-75 показали, что данный вид защитного покрытия не выдерживает воздействия микроорганизмов в условиях тропического климата.

Долгое время было принято считать, что образцы вооружения и военной техники, в том числе стрелково-пушечное вооружение, после их производства на предприятии-изготовителе практически не подвергаются процессам коррозии и биоповреждений.

Однако в последнее время установлен целый ряд случаев, когда в ходе проведенного перед отправкой заказчику контроля качества консервации и технического состоянии изделий были выявлены значительные недостатки и отклонения от требований руководящих документов. Так, в ходе осмотра изделий 6П26 на Тульском оружейном заводе было выявлено, что причиной возникновения практически всех повреждений и неисправностей послужило воздействие на материалы вооружения процессов коррозии и биоповреждений.

3. Разработка математических моделей и описание процессов повреждаемости

3.1 Повреждаемость стрелково-пушечного вооружения

В конструкциях стрелково-пушечного вооружения в условиях воздействия сплошного спектра термомеханических нагрузок возникают различные виды повреждаемости. К наиболее характерным из них можно отнести следующие:

- деформации и механические разрушения;

- изнашивание вследствие трения;

- усталость;

- коррозия;

- биоповреждения.

Изучать и управлять процессами повреждаемости намного легче, если удается создать их адекватные математические модели. При этом необходимо учитывать, что реальные процессы повреждаемости протекают не изолированно, а всегда в некоторой совокупности. Не все факторы в этих процессах могут быть учтены, да сочетание их носит случайный характер, поэтому для моделирования используется математический аппарат, оперирующий случайными величинами и случайными функциями.

В реальных условиях в любом явлении тот или иной параметр и его значение определяются конечным числом факторов. Например, явление деформации деталей имеет в качестве одного из параметров степень деформации, но величина этого параметра обуславливается действием таких факторов, как давление, температура и рядом других. В общем виде параметры и факторы в любом явлении и в любой системе можно рассматривать как элементы множества.

Математическое описание или построение математической модели явления или процесса заключается в нахождении математической зависимости между параметрами и факторами явления. Математическая модель явления или процесса может иметь любой вид математического выражения, например, быть в виде уравнения любой степени, полинома и т.п [8].

Явления, связанные с процессами повреждаемости конструкций, удобно анализировать, используя ориентированные конечные графы (рисунок 5). В данном случае вершины графа можно рассматривать как параметры, а ребра как факторы. Применение теории графов позволяет установить логическую связь факторов и параметров в сложном явление граф может быть задан аналитическим, геометрическим или матричным способом.

Рисунок 5. Конечный граф: А, Б, В, Г, Д - вершины; 1-8 - ребра (дуги); а - ребро (дуга), замыкающее вершину на себя.

Для постройки матрицы совокупности процессов повреждаемости целесообразно на основании экспериментальных данных определить виды основных процессов повреждаемости, затем по каждому виду определить основные и простейшие факторы, т.е. такие факторы, которые не являются функцией каких-либо аргументов, и построить математические модели в самом общем виде.

Применительно к основным процессам повреждаемости можно построить следующие приближенные математические модели в общем виде.

3.2 Математические модели различных процессов повреждаемости

Деформации и механические разрушения

Это наиболее распространенные виды разрушения металлов. Как правило, механическое разрушение является следствием деформаций. К наиболее простым видам деформаций тела относятся растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Для изучения процессов повреждаемости, приводящих к отказам, представляет интерес механизм, кинетика образования и развития точечных дефектов, дислокаций и диффузий.

Под точечными дефектами понимаются: вакансии - узлы кристаллической решетки, в которых отсутствует атом или ион (незаполненные места в решетке); спаренные вакансии (две или более соединенные одиночные вакансии); межузельные атомы основного материала и посторонние атомы, образующие растворы замещения или внедрения. Наиболее распространенным типом дефектов в кристалле являются вакансии, которые оказывают наибольшее влияние на механизм и кинетику процессов ползучести, длительного разрушения, образования диффузионной пористости, обезуглероживания, графитизации и других процессов, связанных с переносом атомов в материалах. В реальных кристаллах вакансии постоянно зарождаются и исчезают под действием тепловых флуктуации. Различают два механизма возникновения вакансий: при выходе атома на внешнюю поверхность или поверхность пор в кристалле (механизм Шоттки); при образовании внутри решетки «своего» межузельного атома и, следовательно, пары «вакансия -- межузельный атом» (механизм Френкеля).

Величина энергии, необходимой для образования вакансий и межузельных атомов, определяется происходящими при этом упругим искажением кристаллической решетки и нарушениями периодичности структуры кристалла, т. е., в конечном счете, энергией связи между атомами. Атом решетки приобретает энергию, необходимую для образования точечного дефекта, только в результате большой флуктуации.

Термодинамически равновесная концентрация дефектов в кристалле (вероятность существования дефекта или вероятность пребывания атомов в состоянии, характеризуемом энергией, равной энергии активации образования дефекта или превышающей ее) определяется выражением:

, (7)

где п - равновесное число дефектов; N - количество узлов в кристаллической решетке; к - постоянная Больцмана; Т -- абсолютная температура; Е - энергия активации образования дефекта: вакансии (Ev) или межузельных атомов (Е,);щ ' - измененная вследствие образования вакансии частота колебаний х соседних атомов (вдоль направления, соединяющего каждый атом с вакансией); щ 0 - эйнштейновская частота колебаний атомов.

Так как энергия образования атомов внедрения существенно больше энергии образования вакансий, возникновение внедрений собственных атомов для большинства кристаллов гораздо менее вероятно, чем появление вакансий. Однако при сравнительно не больших размерах примесного атома (водорода, углерода, кислорода, азота) энергия активации образования межузельных атомов Ei мала, а вероятность образования дефектов внедрения в решетках металлов достаточно велика.

Наряду с энергией активации образования точечные дефекты характеризуются энергией активации перемещения (миграции), определяющей кинетику процессов, связанных с перемещением дефектов (например, процессов диффузии). Энергия активации миграции вакансий составляет, так же как типичная величина энергии образования вакансий, примерно 1 эв.

При пластической деформации, облучении, закалке происходит большое число неравновесных процессов, приводящих к возникновению или поглощению (исчезновению) точечных дефектов и нарушению их равновесной концентрации. При невысокой температуре неравновесная концентрация вакансий может превышать равновесную на несколько порядков; при нагреве концентрация вакансии стремится к равновесной, определяемой уравнением (7).

Согласно современным представлениям дислокации определяют в значительной степени механическую прочность твердых тел, особенно в начальной стадии нагружения, в начале процесса пластической деформации и разрушения.

До недавнего времени основное внимание дислокационной теории было направлено на выявление влияния на механические свойства кристаллов внутренних напряжений, возникающих вокруг дефектов структуры. В последние годы теория дислокаций все большее внимание уделяет изучению кинетики деформации в связи с перемещением дислокаций и отысканию кинетических уравнений, в основу которых положены представления об элементарных процессах перемещения дефектов решетки.

Дислокации являются источниками внутренних напряжений; они создают поля напряжений в кристаллической решетке приводящие к соответствующим локальным деформациям, смещениям. Вблизи дислокационной линии - в области ядра дислокации (находящегося в пределах примерно одного - двух межатомных расстояний от геометрического центра дислокации) -- развиваются большие искажения и напряжения. На расстоянии нескольких межатомных расстояний от ядра дислокации искажения структуры незначительны, напряжения и локальные деформации малы и подчиняются законам теории упругости. Деформированная, напряженная область вокруг дислокации обладает потенциальной энергией. В области, лежащей за пределами ядра дислокации величина энергии, которую можно считать упругой энергией, определяется приближенной формулой

, (8)

где - для краевой дислокации; - для винтовой дислокации; м - коэффициент Пуассона; G - модуль сдвига; r0 - радиус ядра дислокации; r - расстояние, на которое распространяется деформация (радиус области, в которой сосредоточена энергия дислокации).

Процессы диффузии - необратимого переноса атомов вещества - в объеме твердого тела и на его поверхности в значительной степени определяют кинетику ряда физико-химических процессов, обусловливающих возникновение отказов: разрушения материалов, ползучести, старения, коррозии и др. Многие структурные изменения в материалах, связанные с ухудшением их физических и механических свойств, происходят в результате диффузионных процессов.

Диффузия в твердых телах согласно атомной теории диффузии обусловлена перескоками атомов из одного положения в новое, относительно свободное. Для такого перехода диффундирующий атом должен «продвинуть» препятствующие переходу атомы, искажая решетку, что требует затраты энергии на преодоление препятствия. Необходимая энергия может быть получена за счет тепловых колебаний атомов, которые могут становиться настолько сильными, что приводят к изменению положения атома; таким образом, миграция атомов имеет тепловую природу. В сумме элементарные последовательные перескоки обеспечивают перемещение атомов на большие расстояния.

Установлено, что энергия активации перехода атома в новое положение (необходимая для преодоления барьера, препятствующего изменению положения атома) при вакансионном механизме имеет наименьшее значение по сравнению с другими механизмами диффузии. Вследствие этого вакансионный механизм диффузии является наиболее распространенным, преобладающим, в частности, в чистых металлах и сплавах со структурой твердых растворов замещения. В сплавах, представляющих собой твердые растворы внедрения, действует главным образом межузельный механизм диффузии - механизм перемещения атомов внедрения.

Дефекты кристаллической решетки и диффузия существенно способствуют механическому разрушению деталей. Они обусловливают кинетику разрушения деталей.

Приближенная математическая модель для процессов деформации и механических разрушений может быть представлена в следующем виде:

, (9)

где Р - прилагаемые внешние силы; n - точечные дефекты материала; D - диффузия; Т- температура; t - время; N-- дислокации; z - прочие факторы.

Старение материалов - это процесс, характеризующийся изменением строения и свойств материалов, происходящих либо самопроизвольно при длительной выдержке при обычной температуре (естественное старение), либо при нагреве (искусственное старение).

Старение присуще всем деталям, хотя в различных деталях, главным образом в зависимости от материла, это процесс протекает по-разному как по характеру, так и по времени.

При старении в материале (особенно сплавах) происходят следующие процессы: аллотропическое превращение, мартенситное превращение и распад мартенситной структуры; растворение материала в твердом состоянии и распад пресыщенных твердых растворов; упорядочение и разупорядочение твердых растворов, и ряд других процессов. Перечисленные виды превращений при старении могут быть сведены к двум группам:

- превращения, протекающие без изменения химического состава, т.е. превращения, связанные только с изменениями кристаллической структуры;

- превращения, сопровождающиеся образованием фаз с изменением химического состава.

Старение металлов и металлических сплавав - это совокупность многих процессов, совершающихся параллельно.

В конструкциях стрелково-пушечного вооружения используется также большое количество деталей из полимерных материалов (пластмасс и каучуков). Процесс старения полимеров является по существу процессом деструкции, т.е. распадом макромолекул под влиянием различных внешних факторов, таких как температура и свет. Процесс старения необратимый. Детали из полимерных материалов существенно утрачивают свои физико-химические свойства, в результате чего он перестают выполнять свои функции.

Приближенная математическая модель для процессов старения может быть представлена в следующем виде:

, (10)

где п - образование центров кристаллизации; Т- температура; V- процесс распада мартенсита; t- время; W-- распад молекул; Z - прочие факторы.

Изнашивание вследствие трения

Процесс изнашивания протекает при действии трех основных факторов: материала тела, материала контртела и смазки, находящейся между телами. В результате трения возникают различного рода разрушения в виде изнашивания, а именно: механическое, молекулярно-механическое, коррозионно-механическое, абразивное, гидроабразивное, усталостное, эрозионное, окислительное и изнашивание при фреттинг-коррозии. Процесс изнашивания моделируется математическими уравнениями, имеющими вид степенного или экспоненциального закона.

Приближенную математическую модель изнашивания вследствие трения в общем виде можно представить следующим образом:

, (11)

где F- сила трения;f - коэффициент трения, W- состояние поверхности; Q - состояние смазки; Т- температура; t - время; Z - прочие факторы.

Усталость

На прочность деталей существенно влияет усталость материала. Во многих деталях усталость материала является основным фактором, в результате действия которого детали утрачивают прочность. Установлено, что под действием повторно-переменных нагрузок металлы разрушаются хрупко, т.е. видимых следов остаточной деформации. Усталостные изменения в материале возникают при наличии гармонического или близкого по типу к нему нагружению.

На процесс усталостного разрушения оказывают влияние многие факторы: структура материала, режим термической обработки, температура, вид напряженного состояния, концентрация напряжений, размер деталей, частота приложения нагрузок и др. Сам процесс усталости условно делится на три периода: период упрочнения, разупрочнения и разрушения.

В изучении процесса усталостного разрушения металлов весьма важное значение имеют деформационные и энергетические критерии, связывающие закономерности усталостного разрушения металлов и металлических сплавов с циклическими деформациями и необратимо рассеянной энергией.

Приближенная математическая модель для процессов усталости в общем виде может быть представлена следующим образом:

, (12)

где у - амплитуда колебаний, N - количество циклов, LПЛ - скрытая теплота плавления, А - механический эквивалент тепла; К - концентрация напряжений, t - время, Z - прочие факторы.

Коррозия

Коррозионные процессы являются наиболее существенными разрушительными процессами во многих деталях конструкции стрелково-пушечного вооружения.

Наиболее характерными для деталей вооружения являются следующие виды коррозии: атмосферная коррозия, контактная коррозия, коррозия при трении, фреттинг-коррозия, щелевая коррозия, коррозия под напряжением, структурная коррозия.

Перечисленные виды коррозии обусловливаются по существу условиями протекания процесса.

По характеру распространения коррозии наиболее частыми являются следующие: сплошная - охватывающая всю поверхность детали и местная -охватывающая отдельные участки поверхности детали.

На прочность деталей отрицательное влияние оказывает местная коррозия, она во много раз опаснее сплошной.

В результате коррозии в деталях самолета возникают следующие отрицательные последствия: разрушение сплошности детали и утрата прочности; коррозионная усталость металла; коррозионная хрупкость.

Все виды коррозии кроме газовой обусловливаются электротоком, образующимся в результате разности потенциалов, участвующих в процессе веществ.

На каждый вид коррозии действуют многие ускоряющие и замедляющие процесс факторы. Для атмосферной коррозии существенными факторами являются состав и влажность атмосферы, периодичность смачивания, вид материала, температура и другое; для контактной - вид контактируемых материалов и факторы, действующие при атмосферной коррозии; для щелевой - помимо перечисленных факторов, размер щели и другое, для электрохимической коррозии - скорость процесса, которая определяется силой тока в зоне действия коррозии.

Приближенно математическую модель для процессов коррозии в общем виде можно записать следующим образом:

(13)

где J - сила тока, U - разность потенциалов, ф - продолжительность смачивания, V -- частота смачивания, W -- структура материала, С - агрессивность среды, Z - прочие факторы.

Биологический фактор имеет основное значение в повреждаемости техники и разрушении материалов. При проведении исследований предлагается использовать следующие критерии оценки биоповреждений материалов и изделий.

Эффект повреждаемости микроорганизмов wM (по аналогии с эффектами коррозии wR и старения wc). Под влиянием факторов среды при участии микроорганизмов (ХМ) за определенный промежуток времени Дф происходят необратимые изменения в материале:

. (14)

Выше было отмечено, что часто вклад процесса биоповреждений в общем процессе повреждаемости металлоконструкций определить трудно. В этом случае целесообразно говорить об эффекте повреждаемости w в результате воздействия факторов среды ХЭ:

Скорость процесса биоповреждения хМ определяется аналогично скорости коррозии металлов хR и старения полимеров хc и характеризуется эффектом повреждаемости микроорганизмами в единицу времени:

.

Биостойкость материала (покрытия) - сопротивление материала воздействию микроорганизмов оценивается коэффициентом:

, (15)

где ki - коэффициент стойкости материала к различным видам микроорганизмов (грибам, бактериям), пм - число коэффициентов.

При этом:

, (16)

где kj - стойкость конкретного образца к данному микроорганизму, баллы;

n0 - число образцов.

Таким образом, в общем виде биостойкость материала (покрытия):

. (17)

Аналогично определяют коэффициенты стойкости материалов к коррозии и старению kr и kC.

Коэффициент стойкости материала к факторам среды:

. (18)

По шкале уровней значимости оценивают стойкость материала к воздействующим факторам и биостойкость [7].

4. Исследование физико-химического воздействия режима эксплуатации

4.1 Усталость от действия переменных нагрузок

В конструкциях, работающих в условиях многократного циклического изменения напряжений, может наступить усталостное разрушение. Переменные напряжения вызывают в стали весьма сложные усталостные изменения, зависящие как от величины этих напряжений, так и от числа циклов и развивающиеся постепенно, вплоть до разрушения элемента. Характер переменных напряжений является обычно случайным и определяется условиями эксплуатации [10].

Для того чтобы обеспечить безопасность реконструируемой стальной конструкции, нужно установить, имеют ли эти элементы, подверженные действию усталостных нагрузок, достаточный запас надежности или должны быть заменены.

К числу конструкций, которые обязательно следует рассчитывать на усталость, относятся:

- опорные части машин, вызывающих динамические воздействия;

- опорные конструкции подъемно-транспортного оборудования, подкрановые балки и элементы их крепления;

- достаточно гибкие сооружения, в которых под воздействием может возникнуть явление резонанса;

- конструкции речных и морских сооружений, подвергающиеся воздействию большого числа циклов нагрузок вследствие движения воды;

- напорные резервуары и трубопроводы;

- железнодорожные и автодорожные мосты и путепроводы;

- конструкции, подвергающиеся воздействию циклических температурных нагрузок;

- система автоматики различного вооружения.

К объектам, для которых в обоснованных случаях может потребоваться расчет на усталость, относятся системы автоматики автоматических пушек, автоматов, пулеметов в которых следует исключить возможность резонанса.

Для проверки элементов конструкций на усталость на диаграмме Велера (рисунок 6) можно выделить три зоны:

1 - зону квазистатической прочности, в которой образование трещин происходит при предельной пластической деформации, сравниваемой с деформациями, наблюдающимися при статической нагрузке. Эта зона, соответствующая диапазону от 1/4 до 103-104 циклов, называется также зоной квазистатического трещинообразования;

2 - зону малоцикловой прочности или малоцикловой усталости, Соответствующую диапазону от 103-104 до 104-105 циклов, где при высоких напряжениях образуются трещины и наблюдаются пластические деформации стали, в частности на изломах разрушенных образцов.

3 - зону высокоцикловой прочности (высокоцикловой усталости), соответствующую диапазону 105-107 циклов, в которой трещины образуются при малых напряжениях и макроминимальных пластических деформациях. Характер излома в этом диапазоне с макроскопической точки зрения близок излому при хрупком разрушении.

Рисунок 6. Диаграмма Велера с зонами прочности

а - диаграмма Велера; б -- диаграмма пластических удлинений образцов, соответствующих зонам прочности; 1 - квазистатическая; 2 - цикловая; 3 - высокоцикловая; 4 - число циклов.

Необходимо отметить отсутствие ярко выраженных границ между указанными зонами, что зависит главным образом от вида материала и условий нагружения. Однако в целом принимается, что зона квазистатической прочности соответствует числу циклов до 103, малоцикловая усталость - 103-105 циклов и высокоцикловая усталость - число циклов более 105. В практических целях зону 1 обычно объединяют с зоной 2. В этом диапазоне учитывается главным образом зависимость амплитуды пластических деформаций у от числа циклов N и других соотношений, описывающих малоцикловые свойства материалов.

Диапазон малоцикловой прочности от диапазона высокоцикловой прочности отличается главным образом величиной пластических деформаций. Эти упругопластические деформации вызывают образования петли гистерезиса в каждом цикле переменной нагрузки. Площадь петли характеризует энергию, рассеянную в материале во время цикла нагружения. В этом некоторое сходство с эффектом Баушингера, которое можно рассматривать как своего рода введение в малоцикловую прочность. Поведение материала в области малоцикловой прочности может быть весьма различным. В первую очередь оно зависит от состояния материала после термической и технологической обработки, а также от процесса нагружения.

Современные методы расчета усталостной прочности обычно базируются на линейной гипотезе накопления (суммирования) повреждений, получившей название гипотезы Пальмгрена-Майнера.

Развитие трещин в стали тесно связано с зоной пластического деформирования перед фронтом и ограничивает применение принципов классической механики трещинообразования. Характер трещин зависит от таких факторов, как напряженное состояние, температура, скорости деформирования и геометрические характеристики элементов (форма и размеры). Поэтому пластичное или хрупкое состояние, равно как и промежуточные состояния, представляют собой временные состояния материала в данных условиях работы.

На современном этапе проверка прочности конструкций с учетом усталости материала может производиться в области малоцикловой усталости - по рекомендациям, разработанным в рамках СЭВ; в области высокоцикловой усталости - по проекту стандарта ИСО.

Одновременно следует подчеркнуть, что продолжаются работы по созданию универсальных методов расчета на усталость, охватывающих весь диапазон усталостной прочности (мало - и высокоцикловую).[9]

По рекомендациям СЭВ (при сохранении принятых в них обозначений) зависимость между амплитудой условных упругих напряжений [] и числом циклов N имеет вид:

где Еt - модуль упругости, МПа, при температуре t; - сопротивление стали растяжению, МПа, при температуре t; mp и me - коэффициенты, характеризующие сталь; шt - относительное сужение стального образца при растяжении; nу и nN, - частные коэффициенты безопасности; r* и r - коэффициенты асимметрии соответственно условных упругих и действительных напряжений.

Для малоуглеродистых и низколегированных сталей при отношении предела текучести к пределу прочности fy/fU, < 0,7 получим fU ? 441 МПа,

=32% и Еt=1,91·105 МПа.

Кривая малоцикловой усталости для диапазона температур 20-3600С и при r=r* приведена на рисунке 7.

Рисунок 7. Кривая малоцикловой усталости

В работе изложены также принципы учета в расчетах малоцикловой усталости: концентрации напряжений; влияния температуры; остаточных напряжений; напряжений, вызванных колебаниями (вибрацией); влияния сварки; влияния коррозии.

Для области высокоцикловой прочности принято, что предел текучести fy? 700 МПа, а номинальная область напряжений Ду ? 1,5fy.. При этом усталостная прочность зависит главным образом от диапазона напряжений, числа циклов и типа конструктивного элемента.

Проверка на высокоцикловую усталость производится по формулам:

а) при переменных нагрузках, вызывающих нормальные напряжения в диапазоне ?у:

(20)

при ;

б) при переменных нагрузках, вызывающих появление в сечении касательных напряжений ?ф:

; (21)

в) при действии сложных напряжений с составляющими ф и у должно выполняться условие

при, (22)

Если экстремальные значения нормальных и касательных напряжений находятся в разных точках сечения, то должно выполняться условие

(23)

В формулах приняты обозначения: Дуe- диапазон нормального приведенного напряжения постоянной амплитуды, эквивалентного влияния действительных эксплуатационных напряжений Дуi переменной амплитуды уоi ; при Дуi = const Дуe = 2уa; ДуR - усталостная прочность элемента при определенном числе циклов перемены напряжений NR; гS - коэффициент безопасности по материалу; гZ - частный коэффициент, учитывающий степень точности расчетной модели и последствий разрушения (гZ ?1,2); з - понижающий коэффициент, учитывающий влияние толщины элемента; при g > 25 мм

.

Приведенное напряжение определяется по формуле

, (24)

гдe Дуi - диапазон напряжений переменной амплитуды; ni -- число-циклов перемены напряжений с диапазоном Дуi; m -- коэффициент наклона линии усталостной прочности, причем m = 3 при Дуi ? Дуk: m = 5 при Дуi ? Дуk (Ду - усталостная прочность элемента при N = 5 * 106 циклов).

Усталостная прочность элемента определяется по формулам:

(25)

и

, (26)

где R и RV - нормативное сопротивление усталости, установленное при N =2 * 106 для нормальных или касательных напряжений постоянной амплитуды; ДRT, ДRVT - длительное сопротивление усталости, установленное при N = 108

Графики напряжений ДуR, соответствующих достижению высокоцикловой усталостной прочности при разном числе циклов N для различных классов элементов, приведены на рисунке 8.

Рисунок 8. Усталостная прочность ДуR элементов разных классов при числе циклов 1 - класс элементов; 2 - RA = ДуR при постоянной амплитуде; 3 - ДуR = const для нормальных или касательных напряжений; при N = 5 * 106 длительное сопротивление усталости составляет RA = 0.735 ДR, что соответствует случаю нормальных напряжений постоянной амплитуды

Для стрелково - пушечного вооружения следует определить область напряжений переменной амплитуды и число циклов нагружения, подвергающихся переменным нагрузкам в течение всего процесса работы и принять решение относительно возможности дальнейшей их работы [8].

4.2 Моделирование физико-химических воздействий режима эксплуатации

Причинный анализ закономерностей физико - химических воздействий на элементы стрелково - пушечного вооружения свидетельствует о необходимости использования дробной реплики 215-10 для определения 15 линейных эффектов и 16 эффектов взаимодействия. Матрица планирования эксперимента (таблица 3) построена с учетом принятых генерирующих соотношений (таблица 4). При наличии четырех источников неоднородностей в виде различных марок сталей матрица 215-10 разбита на четыре блока для учета существующего различия коррозионной стойкости сталей ВСт3пс, 09Г2С, 10ХСНД, 10ХНДП.

Эффективность практической реализации математических методов планирования эксперимента определяется простотой управления и точностью поддержания необходимых уровней варьирования установленных факторов и параметров. Выполнение поставленной задачи исследования коррозионного износа стрелково - пушечного вооружения связано с использованием специального оборудования, средств и методов физико-химического моделирования входных воздействий.

Особенностью ускоренных коррозионных испытаний является учет масштабного фактора времени при разработке рабочей программы. Выбор обоснованных сроков экспериментального исследования требует анализа возможностей загрузки и режима работы оборудования.

В соответствии с программой технической диагностики коррозионного износа в условиях активного экспериментирования в лаборатории эксплуатационной надежности стрелково - пушечного вооружения созданы автоматические установки регулирования температурно-влажностного режима, обеспечивающие заданные интервалы изменения входных воздействий. Камеры агрессивных сред (АС = 1, АС = 2) включают семь ячеек в виде изолированных объемов для коррозионных испытаний (рисунок 9). Конструктивное исполнение каждой ячейки позволяет выполнять моделирование факторов прогнозного фона Х1, Х2, Х4 -- X6, а также параметров объекта прогнозирования Х7 - X11, X13 - Х15 независимо от установленного уровня варьирования. Поддержание температурного режима t = 00С производилось с помощью холодильных установок. Камеры агрессивной среды АС = 1, АС =2 оборудованы вибрационными площадками периодического действия с частотой вынужденных колебаний f = 10 Гц при амплитуде AW = 10 мм.

Увлажнение производилось путем пневматического распыления технической воды с помощью КР = 1 в технологическое отверстие ячеек. Относительная влажность регулировалась прецизионным психрометром, расположенным в контактной цепи воздухоувлажнителя. Контроль влажностного режима в течение испытания выполнялся недельными гигрографами и психрометром аспирационным типа МВ = 4М. Требующаяся температура на верхнем уровне значений tс = 30 0С устанавливалась при регулировании температуры в калорифере подогрева воздуха ртутным электроконтактным термометром.

Рисунок 9. Общий вид камеры агрессивной среды АС - 2

Таблица 3. Матрица планирования эксперимента с разбивкой на 4 блока, рандомизированная по времени

положение	обозначение	х0	х1	х2	х3	х4	х5	х6	х7	х8	х9	х10	х11	х12	х13	х14	х16	х1х4	х1х5
1	(1)	+	-	-	-	-	-	+	-	-	+	+	+	+	+	-	-	+	+
1	cb	+	-	-	+	+	-	-	+	-	+	-	-	+	+	-	-	-	+
1	be	+	-	-	-	+	+	-	-	+	-	-	+	+	+	-	-	-	-
1	abcd	+	+	+	+	+	-	-	+	+	+	-	-	-	+	-	-	+	-
1	ab	+	+	+	-	-	-	+	-	+	+	+	+	-	+	-	-	-	-
1	ce	+	-	-	+	-	+	+	+	+	-	+	-	+	+	-	-	+	-
1	abce	+	+	+	+	-	+	+	+	-	-	+	-	-	+	-	-	-	+
1	abde	+	+	+	-	+	+	-	-	-	-	-	+	-	+	-	-	+	+
2	a	+	+	-	-	-	-	+	+	-	+	-	-	+	-	-	+	-	-
2	acd	+	+	-	+	+	-	-	-	-	+	+	+	+	-	-	+	+	-
2	ade	+	+	-	-	+	+	-	+	+	-	+	-	+	-	-	+	+	+
2	bcd	+	-	+	+	+	-	-	-	+	+	+	+	-	-	-	+	-	+
2	b	+	-	+	-	-	-	+	+	+	+	-	-	-	-	-	+	+	+
2	ace	+	+	-	+	-	+	+	-	+	-	-	+	+	-	-	+	-	+
2	bce	+	-	+	+	-	+	+	-	-	-	-	+	-	-	-	+	+	-
2	bde	+	-	+	-	+	+	-	+	-	-	+	-	-	-	-	+	-	-
3	abc	+	+	+	+	-	-	-	+	-	-	-	+	+	+	+	+	-	-
3	abd	+	+	+	-	+	-	+	-	-	-	+	-	+	+	+	+	+	-
3	abcde	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+
3	d	+	-	-	-	+	-	+	-	+	-	+	-	-	+	+	+	-	+
3	c	+	-	-	+	-	-	-	+	+	-	-	+	-	+	+	+	+	+
3	abc	+	+	+	-	-	+	-	-	+	+	-	-	+	+	+	+	-	+
3	e	+	-	-	-	-	+	-	-	-	+	-	-	-	+	+	+	+	-
3	cde	+	-	-	+	+	+	+	+	-	+	+	+	-	+	+	+	-	-
4	ac	+	+	-	+	-	-	-	-	+	-	+	-	-	-	+	-	-	-
4	ad	+	+	-	-	+	-	+	+	+	-	-	+	-	-	+	-	+	-
4	acde	+	+	-	+	+	+	+	-	-	+	-	-	-	-	+	-	+	+
4	bd	+	-	+	-	+	-	+	+	-	-	-	+	+	-	+	-	-	+
4	bc	+	-	+	+	-	-	-	-	-	-	+	-	+	-	+	-	+	+
4	ae	+	+	-	-	-	+	-	+	-	+	+	+	-	-	+	-	-	+
4	be	+	-	+	-	-	+	-	+	+	+	+	+	+	-	+	-	+	-
4	bcde	+	-	+	+	+	+	+	-	+	+	-	-	+	-	+	-	-	-

положение	обозначение	х1х6	х1х7	х1х8	х1х9	х2х4	х2х5	х2х6	х6х7	х6х8	х6х9	х7х9	х1х4х5	х1х4х5	х1х5х6	у
-1	(1)	-	+	+	-	+	+	-	-	-	+	-	-	+	+	Y1
-1	cd	+	-	+	-	-	+	+	-	+	-	+	+	+	-	Y2
-1	de	+	+	-	+	-	-	+	+	-	+	+	-	+	+	Y3
-1	abcd	-	+	+	+	+	-	-	-	-	-	+	-	-	+	Y4
-1	ab	+	-	+	+	-	-	+	-	+	+	-	+	-	-	Y5
-1	ce	-	-	-	+	+	-	-	+	+	-	-	+	+	-	Y6
-1	abce	+	+	-	-	-	+	+	+	-	-	-	-	-	+	Y7
-1	abde	-	-	-	-	+	+	-	+	+	+	+	+	-	-	Y8
-2	a	+	+	-	+	+	+	-	+	-	+	+	+	-	-	Y9
-2	acd	+	+	-	+	+	-	-	-	-	+	+	+	+	-	Y10
-2	ace	-	+	+	-	-	-	+	-	-	+	-	+	-	-	Y11
-2	bcd	+	+	-	-	+	-	-	+	-	-	-	+	+	-	Y12
-2	b	-	-	-	-	-	-	+	+	+	+	+	-	+	+	Y13
-2	ace	+	-	+	-	+	-	-	-	+	-	+	-	-	+	Y14
-2	bce	-	+	+	+	-	+	+	-	-	-	+	+	+	-	Y15
-2	bde	+	-	+	+	+	+	-	-	+	+	-	-	+	+	Y16
-3	abc	-	+	-	-	+	-	-	-	+	+	-	+	+	+	Y17
-3	abd	+	-	-	-	-	-	+	-	-	-	+	-	+	-	Y18
-3	abcde	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+	Y19
-3	d	-	+	-	+	-	+	-	-	+	-	+	+

Подобные документы

• Занятие с начальниками служб вооружения

  Новые и перспективные образцы вооружения, средств индивидуальной бронезащиты и активной обороны, поступающие для оснащения учреждений (подразделений) и органов Минюста России. Основные достоинства и тактико-технические характеристики вооружения.
  
  конспект урока [30,0 K], добавлен 12.01.2010
  

• Дегазация вооружения и военной техники

  Определение объема задач и времени на проведение дегазации вооружения и военной техники, санитарной обработки личного состава. Военно-экономическая оценка специальной обработки вооружения и военной техники войсковыми средствами радиохимической защиты.
  
  курсовая работа [35,7 K], добавлен 04.10.2010
  

• Авиационное вооружение

  Характеристика российских образцов авиационного стрелково-пушечного вооружения. Выбор и конструктивное решение пушечной установки вертолета. Устройство пушки, взаимодействие ее частей и механизмов, тактико-технические характеристики, виды боеприпасов.
  
  реферат [240,4 K], добавлен 03.02.2012
  

• Современное оружие России. Вертолеты

  Изучение пилотажно-навигационного комплекса, тактико-технических характеристик и вариантов вооружения боевых вертолетов – МИ-24, МИ-28Н, КА-50, МиГ-29. Этапы модернизации вертолета: продление жизненного цикла; модернизация вооружения и средств связи.
  
  реферат [30,6 K], добавлен 18.12.2010
  

• Интегрированная логистическая поддержка корабля и систем вооружения на стадиях проектирования, строительства и эксплуатации

  Анализ разработки и внедрения интегрированной логистической поддержки корабля и систем вооружения на всех стадиях жизненного цикла судна, перечень необходимых нормативно-технических документов. График дефектных снарядов и расчет их среднего количества.
  
  курсовая работа [759,0 K], добавлен 20.01.2012
  

• Унификация вооружения и военной техники

  Определение понятия, классификации и целей унификации вооружения и военной техники; описание ее ограничительного и компоновочного направлений. Ознакомление с качественными требованиями и количественными показателями стандартизации оборонной продукции.
  
  лекция [42,1 K], добавлен 19.04.2011
  

• Соблюдение требований безопасности при эксплуатации вооружения и военной техники в авиационных воинских частях внутренних войск

  История формирования авиационных воинских частей. Краткая характеристика российского тяжёлого военно-транспортного самолёта ИЛ-76. Требования безопасности при эксплуатации вооружения и военной техники в авиационных воинских частях внутренних войск.
  
  контрольная работа [1,9 M], добавлен 25.02.2015
  

• Оружие Великой Отечественной войны

  Характеристика системы стрелкового вооружения Красной Армии, которая к началу Великой Отечественной войны состояла из таких видов вооружения: личное (пистолет, револьвер), индивидуальное оружие стрелковых и кавалерийских подразделений, снайперское оружие.
  
  презентация [1,6 M], добавлен 18.06.2012
  

• Основные виды вооружения и их поражающие факторы

  Обычные средства поражения. Поражающие факторы ядерного взрыва. Химическое, биологическое, геофизическое оружие. Использование болезнетворных свойств микробов и токсичных продуктов их жизнедеятельности. Виды оружия на новых физических принципах.
  
  презентация [3,7 M], добавлен 24.04.2014
  

• Боевое использование трактов гидролокации (эхопеленгования) аналоговых и аналого-цифровых ГАК надводных кораблей

  Аналоговые и аналого-цифровые ГАК для вооружения надводных кораблей. Обязанности должностных лиц при их подготовке к боевому использованию. Характеристика режима работы и порядок представления информации оператору. Нормативы специалистов гидроакустиков.
  
  презентация [9,2 M], добавлен 23.12.2013
  

• Артиллерийский комплекс

  Назначение артиллерийского вооружения. Классификация артиллерийских комплексов, их элементов. Назначение, устройство и принцип действия элементов артиллерийских комплексов. 2С19 "Мста-С" - советская и российская 152-мм дивизионная самоходная гаубица.
  
  реферат [3,3 M], добавлен 14.05.2017
  

• План-конспект проведения занятия с начальниками служб вооружения территориальных органов УИС Минюста России

  Порядок обеспечения территориальных органов и образовательных учреждений Минюста вооружением, боеприпасами и специальными средствами. Организация, порядок и сроки представления учета и отчетности спецсредств. Закупка боеприпасов на боевую подготовку.
  
  конспект урока [1,4 M], добавлен 12.01.2010
  

• Организация обороны на современном этапе

  Совершенствование искусства обороны в ходе второй мировой войны. Восстановление нарушенного стратегического фронта. Количественный и качественный рост вооружения. Подготовка и ведение обороны в локальных войнах. Взгляды на оборону в послевоенный период.
  
  курсовая работа [176,4 K], добавлен 25.11.2012
  

• Воинские ритуалы

  Понятие воинских ритуалов, их функции, признаки, подготовка, значение, роль в формировании нравственного облика воина. Характерные черты воинских ритуалов приведения к военной присяге, вручения Боевого Знамени воинской части, вооружения и военной техники.
  
  реферат [26,1 K], добавлен 10.12.2009
  

• Проблемы химического разоружения и пути их решения

  Химическое разоружение РФ. Ратификация Конвенции о запрещении разработки, производства, накопления и применения химического оружия и его уничтожении. Рассекреченные проекты химического вооружения. Обеспечение безопасности хранения химического оружия.
  
  реферат [36,7 K], добавлен 20.12.2010
  

• Биологическое оружие: характеристика и его свойства

  Характеристика биологического оружия, тенденции развития этого вида вооружения. Реалии его применения в современном мире: перспективы разработки. Проблема криминального биологического воздействия (терроризма) в России. Защита от биологических средств.
  
  курсовая работа [34,3 K], добавлен 16.05.2017
  

• Артиллерия России

  Появление артиллерии на Руси. Части и подразделения артиллерийских войск России. Конструктивная схема гаубицы. Виды артиллерийских боеприпасов. Современная система вооружения ствольной войсковой артиллерии. Схема применения управляемого снаряда.
  
  презентация [4,9 M], добавлен 16.09.2013
  

• Боевые машины пехоты

  Структурно-параметрический анализ пушечно-ракетных комплексов вооружения; характеристика БМП британской армии. Конструкция и расчет автоматического оружия, тактико-техническое обоснование. Конструирование и баллистический расчёт ствола на прочность.
  
  дипломная работа [2,8 M], добавлен 19.08.2011
  

• Конструктивные особенности комплекса Д-9 с БРПЛ РСМ-40

  Развитие Советских стратегических подводных ракетоносцев второго поколения. Повышение дальности ракетного вооружения. Подводные лодки проекта 667Б "Мурена". Разработка комплекса с первой морской межконтинентальной баллистической ракетой РСМ-40.
  
  реферат [692,0 K], добавлен 03.05.2009
  

• КБМ (Конструкторское бюро машиностроения)

  История создания конструкторского бюро гладкоствольной артиллерии с целью производства минометного вооружения и пополнение арсеналов Красной Армии. Последствия решительных изменений в балансе вооруженных сил воюющих сторон во Второй мировой войне.
  
  статья [13,2 K], добавлен 29.12.2014
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам