Выводы по разделу

1. Проведенный анализ показывает, что изучение и управление процессами повреждаемости значительно облегчается, если создать их адекватные математические модели. Математическое описание или построение математической модели, явления или процесса заключается в нахождении математической зависимости между параметрами и факторами явления.

2. Применительно к основным процессам повреждаемости построены следующие приближенные математические модели в общем виде: деформация и механические разрушения, изнашивание вследствие трения, усталость, коррозия.

3. Установили, что деформация и механические разрушения материалов стрелково-пушечного вооружения во многом зависят от дефектов кристаллической решетки и диффузии. Именно они обусловливают кинетику разрушения деталей. В разработанной модели основными факторами являются: прилагаемые внешние нагрузки; точечные дефекты кристаллического строения материала; диффузия; время и другие.

4. Выявили, что 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.

5. Определили, что на прочность деталей существенно влияет усталость материала. Во многих деталях усталость материала является основным фактором, в результате действия которого детали утрачивают прочность. Установили, что под действием повторно-переменных нагрузок металлы разрушаются хрупко, т.е. без видимых следов остаточной деформации.

6. Узнали, что 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.

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 9) 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 9 - 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 σ 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:

, (19)

где Е^t – модуль упругости, МПа, при температуре t; – сопротивление стали растяжению, МПа, при температуре t; m_p и m_e – коэффициенты, характеризующие сталь; ψ^t – относительное сужение стального образца при растяжении; n_σ и n_N, – 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/f_U, < 0,7 получим f_U ≥ 441 МПа, =32% и Е^t=1,91·10⁵ МПа.

Кривая малоцикловой усталости для диапазона температур 20–360⁰С и при r=r* приведена на рисунке 10.

Рисунок 10 – 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 f_y≤ 700 МПа, а номинальная область напряжений Δσ ≤ 1,5f_y.. 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 ∆σ:

(20)

при ;

б) при переменных нагрузках, вызывающих появление в сечении касательных напряжений ∆τ:

; (21)

в) при действии сложных напряжений с составляющими τ и σ 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: Δσ_e- диапазон нормально­го приведенного напряжения постоянной амплитуды, эквивалентного влияния действительных эксплуатационных напряжений Δσ_i переменной амплитуды σ_оi ; при Δσ_i = const Δσ_e = 2σ_a; Δσ_R - усталостная прочность элемента при определенном числе циклов перемены напряжений N_R; γ_S - коэффициент безопасности по материалу; γ_Z - частный коэффициент, учитывающий степень точности расчетной модели и последствий разрушения (γ_Z ≥1,2); η - понижающий коэффи­циент, учитывающий влияние толщины элемента; при g > 25 мм

.

Приведенное напряжение определяется по формуле

, (24)

гдe Δσ_i - диапазон напряжений переменной амплитуды; n_i — число-циклов перемены напряжений с диапазоном Δσ_i; m — коэффициент наклона линии усталостной прочности, причем m = 3 при Δσ_i ≥ Δσ_k: m = 5 при Δσ_i ≤ Δσ_k (Δσ - усталостная прочность элемента при N = 5 • 10⁶ циклов).

Усталостная прочность элемента определяется по формулам:

(25)

и

, (26)

где R и R_V - нормативное сопротивление усталости, установленное при N =2 • 10⁶ для нормальных или касательных напряжений постоянной амплитуды; ΔR_T, ΔR_VT - длительное сопротивление усталости, установленное при N = 10⁸

Графики напряжений Δσ_R, соответствующих достижению высокоцикловой усталостной прочности при разном числе циклов N для различных классов элементов, приведены на рисунке 11.

Рисунок 11 – Усталостная прочность Δσ_R элементов разных классов при числе циклов.

1 – класс элементов; 2 - R_A = Δσ_R при постоянной амплитуде;

3 - Δσ_R = const для нормальных или касательных напряжений; при N = 5 • 10⁶ длительное сопротивление усталости составляет R_A = 0.735 ΔR, 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].